岩石真三轴加载破坏的热–声前兆信息链初探

硬脆性岩石的突发性失稳往往会带来灾难性的后果,因而研究硬脆性岩石突发性失稳破坏的前兆信息是十分有意义的。为此对红砂岩试样开展不同中间主应力条件下的真三轴加载试验,结合红外热像技术研究岩石破裂的热红外热像演化和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像技术分析岩石真三轴加载下的裂纹扩展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及破裂演化机制,提出基于热红外的非接触式岩石破裂前兆预警指标,可在岩石因破裂而导致的温度异常变化前对岩石的破坏做出预警。研究表明:岩石破裂前存在四类前兆信息,依次为热红外温度前兆、声发射前兆、热像异常前兆及岩石宏观裂纹前兆。热红外温度前兆和声发射前兆出现时间相对较早,能优先从时间上预警岩石的破坏,热像异常前兆和宏观裂纹前兆的出现时间则较晚,也距离试件破坏较近,热像异常能指示岩石未来潜在的破裂区域。从岩石的内部、外部、时间和空间上初步建立硬脆性岩石的热–声前兆信息链,研究成果可为岩石突发性失稳破坏的分析和防治提供有益参考。     

单轴荷载下大理岩声发射时空演化特征研究

采用岩石声发射三维定位系统和颗粒流模拟软件PFC2D对单轴荷载作用下大理岩损伤破坏过程中的声发射活动规律展开研究。结果表明:(1)压密与弹性变形阶段,岩石声发射活跃度低,AE事件数量分别占总量的2%和18%,AE震源离散。塑性变形阶段中,岩石声发射活动最为剧烈,AE事件数量占总量的74%,AE震源集中于岩石破裂面。峰值应力后期,岩石声发射活动急剧降低。(2)对比试样AE事件定位、颗粒流模拟与岩石损伤破裂状态发现,三者具有高度一致性,前面二者可成为研究岩石损伤演化的重要工具。(3)以岩体声发射能量释放为依据,将大理岩的损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段、损伤破坏阶段。损伤加速发展阶段中,岩体裂隙系统发展最快,声发射能量释放率最高,损伤变量逐渐增长至最大值,岩体即将破裂失稳。     

基于岩石变形破坏过程的岩柱稳定性分析

地下采矿过程中岩柱承载能力与变形破坏是一个重要的工程问题。文章根据岩柱失稳破坏与岩石压缩破坏过程的相似性与砂岩试验单轴破坏过程中声发射特点,将岩柱破坏前分为压密、弹性阶段、稳定破裂和非稳定破裂四个个阶段,并分析了岩柱破坏过程中不同阶段特征。试验揭示岩石破坏过程中在屈服点附近伴随着岩石内部微破裂快速萌生和生长,声发射事件数会出现大幅度增加。根据岩石破坏形态多呈现为沿着一个或多个凹凸不平的破裂面,在声发射-应变曲线上存在声发射突增点,声发射峰值点近似在应力强度峰后拐点处。同时,指出在岩柱失稳破裂的发射突增现象可作为岩柱承载力变化特征点,并可为岩柱承载力分析提供依据。     

岩石变形破裂微震、电荷感应、自电位和声发射实验研究

 为有效提取岩石失稳破坏的前兆信息,针对岩石试样在外载荷作用下失稳破坏前伴随有微震、电荷感应、自电位和声发射等信号的变化特性,建立岩石变形破裂过程多参量综合监测系统,对试样在不同加载速率下变形破裂过程微震、电荷感应、自电位和声发射进行同步监测。实验结果表明：试样在失稳破坏前都有明显的微震、电荷感应、自电位和声发射前兆信号,岩石性质不同,岩石变形破裂过程中微震、电荷感应、自电位和声发射信号明显不同,花岗斑岩的前兆信号比大理岩的前兆信号明显丰富。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,可利用声发射进行微裂纹的定位,可以较好地反映电荷感应和自电位前兆信息,试样变形破裂过程的电荷感应和自电位信号比微震信号更早发生,受到的干扰更小,可利用早期的电荷感应和自电位信号进行提前预警,当频繁出现同步且幅值较大的各参量信号时,表明岩石即将进入失稳破坏阶段,可利用微震和声发射对微裂纹进行定位,微震、电荷感应、自电位和声发射信号相互对比分析从而准确获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

花岗岩单轴压缩全过程声发射时空演化行为及破坏前兆研究

利用MTS815岩石力学试验系统与PCI-2声发射系统,开展花岗岩单轴压缩全过程声发射定位试验,通过对岩石破裂过程中声发射时空演化特征、能量释放规律研究发现:岩石单轴压缩全过程中声发射时序参数演化过程,可分为上升期、平静期和波动期3个阶段;AE信号源的空间分布和聚集位置,可对应岩石内部应力集中和宏观破碎严重区域;随着荷载逐渐增大,AE事件由前期低能量、小裂纹事件向高能量大事件转化,大量微破裂成核、扩展,最终贯通为宏观裂纹,试样完全破坏且大部分能量得到释放。基于声发射时空演化的破坏前兆特征研究发现:岩石单轴压缩全过程中,AE平静期、AE能率、AE振铃计数率和岩石扩容可作为预测岩石破坏的指标,其中AE能率和AE振铃计数率对岩石失稳破坏的预测最敏感,其次是AE平静期现象,再次为扩容点。本文研究可为高地应力区地下厂房岩体稳定性监测与预报提供依据。     

不同岩性的裂隙岩石破裂热–声敏感性分析

岩石破裂过程存在热红外和声发射信号变化,因此研究含裂隙岩石破裂过程热–声信号具有重要意义。为研究不同岩性裂隙岩石破坏过程的热–声敏感强度,对花岗岩、玄武岩、红砂岩、灰岩及大理岩试样开展了单轴压缩试验,对试样加载过程临空面温度和内部声学信号进行了监测,提出了热–声敏感性联合分析指标。研究结果表明：热–声联合指标时序敏感性依次为：红砂岩、灰岩、大理岩、花岗岩、玄武岩;热–声联合指标峰值敏感性依次为：玄武岩、花岗岩、大理岩、灰岩、红砂岩;热红外温度信号早于声发射信号;联合指标能够避免声发射信号的滞后性和热红外的空间局限性;各岩性岩石破裂过程中热–声信号和应力有很好的对应关系。相关研究可为岩石突发性失稳破坏的分析和防治提供有益参考。     

岩石破裂失稳声发射监测频段信息识别研究

首先对声发射信号进行分频处理,分析岩石损伤破裂演化过程中声发射信号频段分布规律。根据岩石断裂模式与声发射频率存在一定的对应关系,证明了岩石破裂监测中声发射前兆优势频段的存在,进一步构建前兆优势频段的计算方法,确定声发射监测岩石破裂的最优短临预报参数。通过开展花岗岩圆形隧洞模型水平卸荷试验,分析整个过程的声发射信号,寻找前兆优势频段,以此验证方法的可靠性。研究结果表明,水平方向卸荷瞬间,隧洞两壁发生劈裂破坏,频段(31.25~62 k Hz)的小波能量占比达73%以上。临近最终破裂,频段(7.8125~15.625 k Hz)变能系数CD6?由前一刻的0.5突增到15,具有典型的灾变响应特征,可以确定该频段为声发射前兆优势频段。选择CD6??作为宏观破裂的短临预报参数,再结合临近最终破裂前声发射主频在频段(90~105 k Hz)和(13~20 k Hz)所出现的响应突现规律,可以为预测花岗岩圆形隧洞模型的失稳破坏提供预警参量。     

基于声发射信号主频和熵值的岩石破裂前兆试验研究

对干燥和饱水煤矸石进行单轴压缩声发射试验,基于频谱分析和信息熵理论,分析其破裂全过程声发射信号的主频和熵值变化,研究煤矸石变形破坏声发射前兆规律。研究结果表明:干燥和饱水煤矸石声发射信号均有2个主频带,分别为20 k Hz左右和30~60 k Hz,主频在破裂前均发生突变,出现接近0和100 k Hz的主频值;干燥煤矸石熵值集中在0.5~2.0,无突变性,饱水煤矸石熵值集中在0.0~0.5,具有突变性。利用声发射信号熵值对煤矸石系统进行稳定性评价,出现大于1的熵值预示着煤矸石失稳的危险性增强;以密集出现接近0和100 k Hz的突变主频值作为煤矸石破裂的前兆特征;由于实际矿山岩体的饱水特性,以及其变形破坏的复杂性,实际应用时,可将声发射信号主频和熵值2个参数相结合。利用饱水煤矸石声发射信号主频和熵值的突变特征,得到基于声发射场的煤岩动力灾害综合预警信息。试验结果为岩石损伤演化机制及破裂预测研究提供新的手段和依据,对于实际矿山煤岩动力灾害的声发射监测预警具有重要理论研究意义。     

深部花岗闪长岩破坏过程声发射及特征应力特性试验研究

以深部花岗闪长岩(564~576 m)为研究对象,采用微机伺服岩石三轴试验机和声发射监测系统,对岩样进行压缩试验和声发射监测试验,获得深部花岗岩破坏过程声发射特性。通过探究深部花岗闪长岩在单轴及三轴压缩破坏过程中应力–应变特征和声发射参数曲线,得出岩石的裂隙初始应力、裂隙贯通应力和峰值应力以及与之对应的声发射特征得到声发射参数与岩石破裂之间的关系。分析试验数据,得到声发射参数与岩石破裂之间的关系,为进一步建立工程岩体的强度准则提供依据。     

不同岩石声发射时频特性实验研究

通过对变粒岩、花岗岩、石灰岩、粉砂岩等四种岩石进行室内单轴加载声发射试验,获取岩石破裂全过程的应力-应变曲线、声发射参数及声发射信号。根据岩石破裂过程,从时、频域对声发射信号进行分析,着重对比了不同岩石的力学性质、声发射信号频域特征。研究结果表明:采用声发射率、能率可以很好地描述岩石破裂损伤的整个阶段;随着加载的进行,根据岩体变形及破裂程度的不同,不同岩石破裂阶段的声发射信号的频带范围也在不断发生变化。结合声发射时间序列参数特征和频谱特性,可得出岩石破裂时的损伤特性,为现场岩体的稳定性监测提供技术支持。     

裂隙砂岩裂纹扩展声发射响应及速率效应研究

冲击地压等动力灾害是含裂隙结构面岩体破裂发育、成核的动态演化结果,借助声发射监测可精确感知破裂演化过程进而实现灾害的有效预警。测试不同加载速率下含平行贯通雁行裂纹砂岩声发射行为的全程动态时变演化规律,借助声发射三维定位重点分析裂纹扩展关键特征点处声发射时–空–频–非线性响应及其加载速率效应。结果表明:(1)裂隙砂岩裂纹扩展及声发射响应行为存在着明显的加载速率效应:随着加载速率增大,声发射计数峰值、多重分形谱宽度Δα及主频幅值均逐渐增大,Δf(α)和主频则逐渐减小,岩体破裂过程的动力显现及非线性特征也越来越明显,破裂模式也由剪切破坏过渡为张拉破坏。(2)裂隙砂岩受载全程中随着应力增大声发射计数、分形谱宽度Δα、主频幅值及低频成分占比逐渐增大,多重分形参量Δf(α)逐渐减小;特别在亚失稳阶段,声发射计数表现出多次"突增+平静"特征,频谱及多重分形参数表现出波动特性,可以根据声发射信号动态时变趋势和"突增+平静"特征对动力灾害做出临灾预警。(3)裂隙砂岩宏观裂纹起裂、扩展形成主破裂过程就是锁固体不断破裂的过程,每一次锁固体断裂均对应着宏观裂纹发育、应力突降、声发射计数高值响应、频谱及多重分形参数极值。基于微破裂演化成核多锁固体破裂理论定量地解释裂隙砂岩力学性质的加载速率效应及亚失稳阶段声发射信号几起几落的"突增+平静"前兆行为。     

基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究

应用声发射及其定位技术,采用实验手段研究了不同加载方式(单轴加载、巴西劈裂及三点弯曲条件下)不同尺寸岩石以及不同岩样破裂失稳过程.实验结果表明,在岩石弹性变形阶段,声发射事件定位位置为岩样内部的应力集中位置;随着加载的进行,声发射仪器精确地定位出其裂纹初始位置、扩展方向,并直观地反映出其内部裂纹稳定扩展过程.从巴西劈裂实验的声发射事件定位结果可以看出,初始裂纹产生的位置具有随机特性,且初始裂纹产生是诱发岩石破裂失稳的首要因素.岩样尺寸影响其破坏模式,受加载过程裂纹初始时序不同影响其声发射活动规律表现不一致;不同岩样声发射活动随应力变化呈一定的规律性,其中砂岩在加载过程其声发射活动具有突跳特性,这主要与岩石均质程度相关.声发射定位结果直观地反映岩样内部裂纹初始、扩展的空间位置,这对于深入研究岩石破裂失稳机制具有一定的意义.     

岩石破坏声发射平静期及其分形特征研究

 通过岩石加载的室内试验方法,测试不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到岩石破坏全过程力学特性——岩石的全应力–应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,给出声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。着重讨论一次性加载过程中塑性变形阶段明显的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的“耗时”现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段;而对于塑性变形阶段不明显的岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测中也没有发现声发射相对平静期现象。另外,还运用分形理论,研究分析处于不同加载应力比的岩样在各个阶段的声发射分形维数,特别是研究声发射平静期维数变化情况。指出在加载初期分形维数处于较低值,且分形维数随加载应力增加而逐步增加;在加载到峰值应力的40%左右时,分形维数开始下降;在加载接近到峰值应力时,即处于声发射平静期阶段时分形维数逐步降到最低,且此时预示着岩石的破坏。此外,结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些实际问题进行总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

断裂岩石在蠕剪过程中的声发射特征

断裂岩石在长期地质力学作用下发生蠕变,并伴有声发射,此声发射规律可为岩石稳定性监测和预警提供有益借鉴。为了研究断裂岩石蠕剪过程的声发射特征,在法向力恒定的条件下,对巴西拉破坏和压剪破坏2种不同形式的断裂砂岩进行蠕变分级剪切试验,并运用全信息声发射信号分析仪进行实时监测,得到2种不同破坏形式的断裂岩石在不同蠕剪阶段声发射能量和蠕变剪切位移关系。同时,利用声发射定位系统对蠕剪过程中断裂岩石的双翼啮合和磨损进行定位,结合断裂面等高线图,预测断裂岩石在长期蠕剪中的破坏位置和破坏形式。试验结果表明:断裂岩石蠕剪失稳前声发射信号缺失;巴西拉破坏岩样蠕剪中后期声发射能量出现波峰,每段剪切位移加载前期能量达到局部最大值,之后呈现下降趋势;压剪破坏岩样蠕剪中期声发射能量出现低谷,每段剪切位移加载中期声发射能量出现局部波峰。同时,由声发射定位可知,2类断裂岩石啮合面中心部位都最先发生破坏,断裂面蠕变剪切的初期破坏具有方向性,破坏初期沿断裂面呈现带状分布并与剪切方向垂直。     

混凝土受载试验全过程声发射特性研究与应用

利用微机控制力学试验机和SAEU2S数字声发射系统对混凝土试件进行了单轴受压声发射试验,研究了混凝土试件破裂全过程的声发射特征,重点探讨了频谱特征、能量变化、声发射事件计数率等与试件失稳破损过程各阶段的对应关系.试验表明混凝土试件的失稳破坏并不是瞬间完成的,而是内部显微裂纹扩展形成更大的宏观裂纹,并最终贯通导致破坏的过程.声发射事件伴随试件受力压密与弹性变形、塑性变形及裂纹贯通破损的全过程,在不同阶段具有显著不同特征.以此为判据,设计了混凝土工程稳定性声发射预警试验系统,验证表明该系统能够反映出混凝土工程失稳情况,及时准确发出预警信息.     

基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究

应用声发射及其定位技术，在单轴压缩载荷作用下，应用盖格尔定位算法，采用试验方法研究包括含不同预制裂纹的花岗岩岩样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式。试验结果表明，声发射定位能够反映岩石裂纹动态演化过程，声发射事件的产生主要是由于裂纹扩展产生的，并随应力-应变变化表现出不同的特征：在初始加载阶段至初始裂纹出现之前，其声发射活动不很明显；一旦岩样出现初始裂纹，在相应应力点声发射事件明显增多；裂纹稳定扩展至岩石完全破坏之前，声发射总数应变曲线与应力-应变曲线平行；在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间，声发射活动变得异常活跃，声发射事件变化率最大。在完整岩样声发射事件定位结果中，出现声发射定位事件的空白区，宏观裂纹的贯通恰在声发射事件的空白区之内，借此可以实现对岩石裂纹贯通位置预测；声发射定位结果也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现，可直观地反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态，这对于深入研究岩石破裂失稳机制是十分有意义的。     

岩体声发射混沌与智能辨识研究

对岩石试件加载及破坏过程的声发射进行了试验,对工程岩体声发射进行了监测。采用混沌动力学研究了岩体声发射活动规律,计算了工程岩体在变形与破坏过程中不同阶段声发射混沌吸引子。用混沌与神经网络相结合,建立了岩体声发射预测模型。根据岩体声发射各阶段特征,建立了工程岩体稳定性智能辨识模型。研究结果表明,岩体声发射活动存在4个不同的阶段:稳定期、声发射活动初期、声发射活动加剧期和活动反转期。岩体破坏出现在声发射活动反转期,声发射出现反常,混沌吸引子减小,破坏特征呈现。工程应用实践证明,混沌动力学能较好地反映岩体的声发射特征,所建立的预测与智能辨识模型能较好地预测和分析工程岩体稳定性。     

评价岩体稳定性的声发射相对强弱指标

基于室内声发射实验和现场岩体稳定性声发射测试参数,提出了评价地下工程岩体稳定性的声发射相对强弱指标,该指标综合考虑了岩体失稳过程的声发射参数,可消除声发射测试参数受工程布置和地质构造等环境因素的影响,能更有效地进行围岩稳定性评价。     

变加载速率砂岩声发射特征及损伤本构模型

研究加载速率对岩石声发射特性的影响,可以推断加载过程中岩石内部的性态变化,有助于揭示岩体的失稳破坏机制。利用WAW-1000型试验机及PCI-2型声发射仪研究了受加载速率影响的砂岩单轴压缩声发射特性。结果表明:不同加载速率下,砂岩试件的破坏形式有单向剪切破坏、双向剪切破坏和轴向劈裂破坏3种破坏形态。加载速率对砂岩试件的声发射特征也有显著影响:加载速率较高时,砂岩声发射撞击幅值维持较高水平,撞击事件贯穿整个加载阶段,试件内部声发射数量少而集中;加载速率越高,砂岩累计声发射计数增长越快。以时间为中间变量,拟合出考虑加载速率情况下,砂岩应变与累计声发射计数的关系,推导出基于加载速率、声发射累计振铃计数的砂岩损伤本构模型。     

增幅疲劳荷载作用下含双裂隙花岗岩空心圆柱破裂演化试验研究

为了揭示裂隙型空心圆柱体在中低应变率应力扰动作用下的破裂演化特征及细观力学机制,探究地下工程中常见的孔洞–裂隙组合型岩体的破裂和失稳物理过程,设计4种不同预制裂隙角度的空心圆柱体试样,采用GCTS-RTR 2000岩石力学试验系统,实时声发射监测和试验后CT扫描相结合的手段,研究预制裂隙方位对岩石在多阶段增幅疲劳荷载作用下的结构劣化特征及岩桥断裂模式。试验结果表明：(1)随着裂隙角度的增大,岩石的疲劳强度、体积变形以及疲劳寿命逐渐增大,且体积变形增长速率越来越快,基于不可逆轴向应变,提出一种描述岩石疲劳损伤的两阶段损伤演化模型。(2)岩石破裂过程中声发射振铃数及能量变化受裂隙角度影响,累计振铃计数与累计能量计数随着裂隙角度的增大而增加,岩石在应力幅值突然增加时刻的累积损伤要大于疲劳加载阶段。(3)试样疲劳力学试验后的工业CT扫描揭示了岩桥段破裂形成的不同缝网模式,且受裂隙角度影响较大,裂隙网络的复杂程度随着裂隙角度的增加而增大,表明裂隙角度越大,岩石越不容易发生疲劳破坏。试验结果有利于深入理解裂隙型孔洞岩体的疲劳破坏机制,可为应力扰动作用下裂隙岩体巷道开挖设计、围岩稳定性控制及岩体长期...