不同应力路径下大理岩声发射特性试验研究

利用TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机和德国VallenAMSY-6声发射信号采集系统,对大理岩在单轴压缩、等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下损伤破坏全过程的声发射特性进行研究,并用快速傅里叶转换(FFT)对单轴压缩试验全过程的声发射信号、循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的声发射信号频谱特性进行了分析。试验结果表明:单轴压缩试验过程中,声发射主频带主要位于两个区域——低于200 kHz区间和300 kHz附近,并且随着加载应力的增加,主频由低频向高频转移,主频幅值总体呈下降趋势;提出一个新的反映声发射波形信息的指标——次主比α,并指出单轴压缩过程中次主比呈上升趋势。分级循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的主频变化不明显,Felicity点的次主比总体大于Kaiser点;采用第2次循环中与首循环峰值应力等值应力点的AE数作为Kaiser效应中"明显增多"的尺度能够观察到明显的Felicity效应。     

循环载荷作用下煤的力学性质及声发射特征演化规律

声发射是煤等脆性材料破坏过程中经常伴随的现象,可以通过研究煤的声发射规律掌握其损伤和裂隙的演化规律。借助三轴液电伺服加载系统和声发射测试系统,针对原煤试样,进行了循环加载实验,揭示了循环载荷作用下的煤力学性质和声发射演化特征。研究结果表明:多级加载疲劳试验中,循环载荷幅度相同的条件下,随着加载频率的减小,弹性模量降低30%～40%、不可逆塑性变形增加,说明煤样损伤及裂纹发展有时间效应;循环加卸载频率对于煤样内部原有的或新生的微裂纹扩展规律具有较大的影响;验证了声发射试验中的Kaiser效应和Felicity效应,发现煤的应力记忆特征、应变记忆特征具有Felicity效应,而且相对于应变记忆特征,应力记忆特征变化更加明显,说明煤的物性参数(应变)记忆能力相对好于状态参数(应力),更能准确地描述损伤。     

不同加载方式下强冲击倾向性煤声发射特征研究

为探究强冲击倾向性煤在多级循环加载下能量积聚与耗散形态、损伤演化过程,以充分辨识冲击倾向性煤破坏前兆,利用TAW-2000型电液私服试验机对强冲击倾向性煤样进行了多级应变循环加载和多级应力循环加载试验。试验表明:在多级应变和应力加载条件下,振铃计数率均呈现加载初期振铃计数较高,临近破坏时振铃计数急剧增加趋势;每级加卸载产生的能量耗散与损伤变量均呈现出先降低后增加的趋势;受加载方式的影响,应力加载条件下振铃计数更高,且在载荷转换阶段,煤样有明显声发射现象,煤样内部结构劣化较快,单循环损伤程度严重,煤样累计损伤增长更快;伴随循环级数的增加FR值逐渐降低,且呈现加速下降趋势;循环加载初期煤样变形处于压密和弹性变形阶段,损伤程度低,Kaiser效应显著,上一级循环载荷超过煤样峰值强度的60%后,煤样损伤加剧,在次级加载时Felicity效应显著。     

砂岩循环加卸载下损伤特性及声发射Kaiser效应研究

为了获得砂岩循环加卸载路径下损伤特性和声发射Kaiser效应特征,开展了不同围压下砂岩循环加卸载声发射试验;从轴向应力、加载应力水平、能量耗散损伤角度,研究了三轴循环加卸载下声发射的不可逆比变化规律;评价了三轴循环加卸载下岩石Kaiser效应判断方法。结果表明:循环加卸载下耗散能损伤参数能较好地反映岩石的渐进损伤破坏,基于耗散能损伤参数的计算,能较好地反映岩石不同阶段的损伤特性,避免了应变参数计算损伤时压密阶段损伤值异常增大的现象。从应力水平、能量损伤角度分析声发射FR,更真实地反映岩石声发射Kaiser效应,随着围压增大Kaiser效应失效的应力提前,同一应力水平、相同能量损伤下,围压越大FR越小,声发射不可逆性随围压增大逐渐变得模糊。     

大理岩单轴循环加卸载力学特性研究

以室内力学实验为基础,通过不同循环路径下单轴循环加卸载试验,对大理岩的力学特性、声发射特征及破坏模式进行对比研究。结果表明:大理岩在循环荷载作用下具有良好的变形记忆特性;弹性常数的计算结果表明,恒下限加卸载加载弹性模量整体变化呈现减小趋势,泊松比有一个先增大后减小的变化趋势,而恒差值加卸载加载弹性模量呈现波浪曲线,泊松比呈现不断增加趋势;通过声发射特征分析得出,恒差值循环加卸载过程中除了产生Kaiser效应还会有Felicity效应,两者都具有间隔突发和相对平静的现象。     

混凝土声发射Felicity效应实验验证与理论分析

通过对混凝土试块的循环加载声发射实验,验证了混凝土材料声发射特征的Kaiser效应和Kaiser效应记忆应力能力的Felicity效应。基于统计损伤力学理论,对Felicity效应产生的原因进行了理论分析,建立了引入声发射参量的脆性材料循环加载条件下的本构模型,本构方程曲线与实验曲线有较好吻合。理论分析和实验结果表明：混凝土在循环加载中声发射特征有明显的Felicity效应,而且应力水平越高,Felicity效应越显著;应变FR值比应力FR值更接近于1。     

充填体与围岩组合模型循环加卸载破裂声发射特征研究

以不同种类围岩与充填体构成的组合模型为研究对象,采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机对组合模型进行循环加卸载,设置了3种不同侧压力,研究了组合模型在循环加卸载过程中的声发射特征及破裂特性。试验结果表明:在循环上限应力值较小时组合模型声发射表现为Kaiser效应,AE事件率曲线能够很好地描述组合模型内部损伤演化的特征,AE事件率峰值不断增大代表着组合模型内部裂隙逐渐发育;随着循环次数的增加,荷载值较大时表现为Felicity效应,组合模型的Felicity比随循环次数的变化均呈现下降趋势,表现出记忆超前性能;声发射活动的活跃期对应着组合模型宏观裂隙的形成阶段;玄武岩组合模型的最大AE事件能量值比大理岩和花岗岩组合模型的最大能量值大的多,成数量级的关系;AE事件能量值的大幅上升变化可以预示组合模型的破坏。     

加载速率对不同岩性岩石Kaiser效应影响

选取3种不同岩性的岩石,进行2次不同加载速率的单轴循环加载试验,结合声发射技术,分析加载速率对Kaiser效应的影响。结果表明:若前期所承受过的最高应力水平超过损伤应力时,Kaiser效应失效,Felicity效应成立。Felicity比的变化趋势也能充分反映岩石损伤的演化过程。基于应力和其他物理力学参数的Felicity比均随着加载速率的增加呈增大趋势。加载速率对脆性岩石的Kaiser效应影响较小,对塑性软岩的Kaiser效应的影响显著。岩石内部矿物成分、含量、胶结方式和结构等差异,导致了各种岩石力学特性和声发射特征的不同。加载速率越大,岩石的峰值强度越高,累计振铃计数越小。     

等幅循环加载与分级循环加载下砂岩声发射Felicity效应试验研究

利用MTS815材料试验机和12 CHs PCI-2声发射信号采集系统,对砂岩在等幅循环加载和分级循环加载条件下损伤破坏全过程的声发射规律进行了研究,探讨了Kaiser效应与Felicity效应,以及Felicity效应声发射中“明显增多”的尺度界定问题。试验结果显示：砂岩在试验中的Kaiser效应显著,但有一定的局限性;当加载达到或超过其峰值强度的70%后,砂岩应力记忆特性中Felicity效应表现显著,Felicity比的演化显示出3个阶段特征,且总体呈下降的趋势;只要声发射“明显增多”的尺度范围设定合理,则对Felicity比的演化趋势没有影响。     

大理岩单轴循环加卸载破坏声发射先兆信息研究

工程施工中岩体常常处于循环荷载作用下,对循环荷载作用下岩石破坏的预测研究具有重要现实意义。以云南白色大理岩为研究对象,设置了两种不同循环应力路径,研究了大理岩在循环加卸荷下的声发射特征,研究结果表明:大理岩在循环前期阶段卸载过程没有明显声发射产生,声发射出现了间歇期。两种应力路径下,声发射Felicity比值变化趋于一致,均随着循环的进行应力水平的提高而降低,恒定应力下限条件下的Felicity比值较恒定应力上下限差值方案要低,表明恒定应力下限条件加卸载对岩石的损伤更为严重。整个循环过程中大理岩的声发射b值可以为3个阶段,在应力水平较低时,声发射b值随着应力的提高而降低,之后b值在一定范围内波动变化,表明岩石内裂纹稳定发育,在岩石的破坏阶段,b值出现小幅度升高。岩石单个循环声发射b值呈现V形变化趋势,在岩石即将破坏时b值出现大幅度的波动变化。将Felicity比值、整个循环过程b值和单个循环声发射b值结合使用可以提高预测岩石破坏的准确性。     

中生代砂岩细观结构对强度和能量耗散的影响

对取自东北部和西部侏罗白垩系煤矿中粒砂岩进行镜下观察,对比其矿物颗粒,胶结成分和结晶程度上的异同点,进行了三轴压缩试验和循环加载声发射试验,分析东北部和西部砂岩的强度和能量耗散特征,并用Kaiser效应和加卸载响应比理论研究了循环加载中的声发射规律。试验表明：以钙质胶结为主的东北部砂岩在Mohr-Coulomb准则下承载能力高于以钙泥质胶结为主的西部砂岩,随着压力的增大,耗散能所占比例呈现迅速降低、稳定、缓慢升高的趋势,且同等应力水平下东北部砂岩耗散能低于西部砂岩,Kaiser效应往往出现在低应力的弹性阶段,且在东北部砂岩中出现的频率和持续阶段要高于西部砂岩,加卸载响应比则出现急剧降低、缓慢平稳下降的趋势,在强度峰值点达到最小值,且东北部砂岩的加卸载响应比低于西部砂岩。东北部和西部砂岩的胶结物中泥质含量和重结晶成岩程度是产生上述力学性质和能量耗散特征差异的根本原因。     

岩石循环加载和分级加载损伤破坏声发射实验研究

对循环加载和分级加载条件下岩石损伤破坏全过程的声发射规律和频谱特性进行了研究。结果表明,声发射与载荷变化或岩体变形破裂密切相关。循环加载过程中当载荷超过前期最大值时声发射信号增强,卸载阶段声发射信号随卸载过程逐渐减少,岩石的应力记忆特性具有明显的Felicity效应。分级加载时,当应力增加时声发射信号明显增多,应力稳定在低水平时基本不产生声发射信号;在高水平时,由于岩石内部损伤程度高,有零星声发射信号产生。岩石加载初期声发射主频较低,卸载阶段主频先增高后降低,恒载阶段主频最低,破裂阶段主频增高且主频带变宽,并出现次主频现象。     

超应力卸载作用下煤样冲击破坏试验研究

煤矿采深进入千米以后,采掘工作面围岩应力普遍超过煤体单轴抗压强度,呈现围岩应力超过煤体强度的超应力现象。基于调研分析,得到煤层单轴抗压强度的分布特征以及开采深度、原岩应力与煤层单轴抗压强度之间的关系,提出了超应力集中系数的概念。采用声发射和被动CT成像技术相结合的研究方法,开展了煤样真三轴超应力卸载作用下冲击破坏试验研究,从而探究声发射波速演化与煤样宏、微观破裂的关系,揭示深地围岩对煤层的超应力加载作用及方式。试验结果表明:(1)不同的应力卸载路径下煤样冲击破坏具有显著的时间延迟效应,应力路径变化越大,其时间延迟越短;(2)三轴卸载状态下煤样的破坏形式复杂多变,多为剪切、拉伸等耦合破坏形式;总体破坏模式表现为首先沿着与轴压方向分布的主裂隙进行扩张破坏,其次在试样表面分布着许多沿轴压方向的小张拉裂隙;(3)在加载初期,煤样内部波速变化范围较小,出现少量高、低波速区;随着载荷初步增加,煤样内高波速区转移与扩展,同时波速异常区明显扩大;当载荷进一步增加,煤样内出现大面积低波速带,波速极小值不断降低,高波速区、波速异常区迅速变化转移;(4)试样宏观破裂面和波速异常丰富区、微观裂隙演化和低波速贯通区形成了较好的对应。     

煤的直接拉伸力学特性及声发射特征试验研究

为探究直接拉伸荷载作用下煤岩力学特性和损伤演化特征,使用MTS815岩石力学测试系统及PCI-Ⅱ声发射测试系统,对原煤试件进行单轴直接拉伸和实时声发射测试,分析了煤的直接拉伸力学特性及声发射特征,建立了基于声发射的损伤模型。试验结果表明：因煤体孔隙裂纹分布差异,抗拉强度离散性明显,试件平均抗拉强度为0.66 MPa;随拉伸荷载持续作用,煤体损伤累积,试件峰后承载能力逐步下降,但仍保持一定的抗拉承载能力。煤体声发射事件在峰值应力区附近沿破坏面急剧增加和汇合,预示了宏观裂纹面的形成和煤体破坏的发生;峰后试件振铃计数率和声发射能率阶段性反复升降,试件破坏进程逐步推进;声发射测试可良好展示煤体直接拉伸荷载条件下损伤出现、发展和导致破坏的完整演化过程。     

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：①UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%~20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。②循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。③岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。     

等幅循环加载岩石变形局部化带位移演化规律

岩石是一种非均质天然工程材料,在工程中往往处于一种循环往复加载状态之中,研究循环加载过程中岩石的变形局部化演化规律,为岩土工程结构的稳定性提供理论支持。将循环加载简化为等幅循环和分级等幅循环2种加载条件,开展红砂岩试件的2种循环加载方式下的实验研究,采用CCD(Charge-Coupled Device)相机对试验过程中试件的变形图像进行采集,基于数字散斑相关方法分析了等幅循环加载过程中试件变形局部化带位移演化规律。分析发现:循环加载全过程中,局部化带位移随加卸载应力呈现波动上升变化;相对于加载应力的变化,位移演化存在时间滞后性,且随着循环次数的增加位移存在明显的累积效应。循环加卸载过程中,局部化带位移顶点相对于加载应力顶点的滞后时间数值于循环前期呈平稳波动、循环后期呈上升波动;局部化带位移底点相对于卸载应力底点的滞后时间数值随循环次数的增加呈现平稳波动。整个循环过程中,当加载或卸载到同一应力水平时,局部化带的位移随着循环次数的增加而增大;每次循环过程中的同一应力水平下,卸载过程的位移数值大于加载过程的位移数值。随着循环次数的增加,局部化带位移存在明显的缓慢演化阶段和加速演化阶段。在试件破坏前,卸载底点处的局部化带位移值明显趋近于加载顶点处的局部化位移值,该局部化带位移演化特征可以作为循环加载过程中岩石试件或结构失稳破坏的一个前兆信息。研究可为循环荷载下的岩土工程材料或结构的失稳破坏提供新的特征力学监测量,即在某一特定应力环境中,当低应力状态的变形量值与相对高应力状态的变形量值都随时间发生增大且低应力对应的变形量值增加速率明显大于高应力对应的变形量值增加速率时,岩土材料或结构将会发生失稳破坏。