单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

在刚性试验机上，对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，包括岩石应力-应变曲线、声发射事件数等，研究了声发射事件数(AE数)、事件率与应力、时间之间的关系。研究表明：岩石在一次性加载过程中，不是所有的岩石都具有典型的Kaiser效应的声发射特征点：在弹性阶段的初期和后期，随着应力水平的增加岩石声发射显著增加，特别在弹塑性高应力阶段，岩石声发射增长迅速；岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小，声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静阶段；声发射事件率在不同应力水平变化很大，峰值强度后的声发射现象仍然明显，其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。     

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。     

不同围压下岩石破坏过程的声发射频率及b值特征

开展大理岩岩样常规三轴加荷破坏试验研究,分析大理岩变形破坏过程各阶段声发射及其频率、b值变化特征,探索不同围压下岩石破坏前兆信息。结合极点对称模态分解方法(ESMD方法)对声发射数据进行去噪处理后的试验结果表明:三轴压缩破坏岩样声发射水平在压密阶段和弹性阶段较小,塑性阶段逐渐活跃,扩容应力后声发射水平显著提高,在峰前塑性阶段存在声发射平静期。岩样变形破坏过程中的声发射频率与b值整体表现为上下波动态势,加载初期声发射频率与b值波动较大,并保持在较高水平,塑性变形阶段声发射频率与b值变化幅度减小。与声发射平静期相对应,塑性阶段存在声发射频率与b值变化相对稳定阶段。低围压下岩石破坏前声发射频率与b值均出现骤降特征,岩石发生脆性断裂,高围压下岩石破坏前声发射频率与b值变化相对平稳,岩石发生渐进式破坏。     

岩石破坏声发射强度分形特征研究

通过对岩石单轴受压破坏全过程的声发射实验,建立了岩石破坏声发射强度分维模型,研究了岩石破坏全过程各个应力水平声发射分形特征以及分形维值随实验时间的变化规律。研究结果表明:加载初期岩石试件声发射强度分形维值变化不稳定,分形维值的大小变化有反复,但从分形维值总的变化趋势来看,这一阶段的分形维值还是处于较大水平;加载中后期声发射强度分形维值出现较强的规律性,其值逐渐由大变小,试件破坏前的分形维值最小。由于实际应用中最小分形维值点(临界值点)难以确定,故提出将岩石破坏前声发射强度分形维值的持续降维作为岩石破坏的前兆特征,从而对利用声发射参数进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

岩石疲劳破坏过程中的变形规律及声发射特性

利用RMT-150B岩石力学试验系统和Locan320声发射仪，研究了循环荷载作用下岩石疲劳破坏过程中的变形规律和声发射特征，揭示了两者之间的联系。从宏观不可逆变形和微观损伤的角度对岩石疲劳破坏过程进行了初步分析，确定了轴向变形的3阶段规律和横向变形的2阶段规律，论述了选择轴向变形作为宏观损伤参量的合理性。     

高围压下岩石破坏和摩擦滑动过程中的声发射性活动性

在600MPa范围内,实验测定了居庸关花岗岩变形破坏和摩擦滑动过程中的声发射活动性。在有围压的情况下,岩石变形破坏过程中缺少在单轴压缩下经常出现的第一次声发射活动高峰;随着围压的增加,声发射活动性由致密型向致密不稳定型过渡;开始出现声发射所对应的应力—应变条件相对于破裂点而言有随围压增加而“提前”的趋势.采用归一化的处理以后,发现破裂过程中声发射累计数增长曲线随着围压增加而曲率减小。指数函数拟合结果表明:随围压增加指数系数减小,并且阶段间的差别逐渐消失。摩擦滑动的应力积累阶段的声发射活动性也遵循指数规律上升,但指数系数较变形破坏过程为小.稳定滑动过程本身的声发射累计数随应变量的增大只是线性地增加.     

冲击性岩石应力状态与声发射信号频率特征相关性研究

 博士学位论文摘要：岩爆、冲击地压的发生是由岩体本身的物理力学性质与其所处的应力环境等因素综合决定的。声发射(acoustic emission,AE)技术是岩爆、冲击地压等这系列冲击性动力灾害监测预警的一种重要手段。通过分析冲击性岩石在不同受力变形破坏过程中的AE特征,推断岩石内部的性质变化,反演岩石的破坏机制及破坏程度,可进一步为岩爆、冲击地压等冲击性动力灾害源的识别、预警提供重要的技术途径。采用不同频率的AE检测通道,对不同冲击性岩石在不同受力方式下的AE信号频率及基本参数特征进行试验研究,主要研究内容与成果包括： (1) 通过对冲击性花岗岩进行单轴压缩、三轴压缩、单轴加卸载、三轴加卸载试验,分析围压对岩石冲击危险性的影响,得到岩石损伤能量释放率与损伤变量之间的关系,确定冲击性花岗岩具备发生冲击危险的最低轴向应力水平。 (2) 基于单轴加卸载扰动AE试验,研究了冲击性粉砂岩AE响应比值、弹性模量响应比值及变形响应比值随轴向相对应力水平变化规律,提出了在实际应用中,可综合利用多种因素响应比值变化规律进行联合预判来提高岩体失稳破坏预测的准确性。 (3) 通过对冲击性花岗岩在不同围压下循环加卸载AE试验,得到岩石加卸载损伤破坏过程中高、低2种频率的AE通道中AE累计振铃计数、应力与时间的关系。基于此,研究AE不可逆性特征。同时,运用快速傅里叶变换FFT逆变换对Kaiser点的AE信号进行消躁,并采用FFT分析消躁后信号的频谱特征,得到冲击性花岗岩发生主破裂前Kaiser点的主频特征及变化规律,为进一步反演冲击性岩石的损伤破坏机制及破坏程度提供依据。 (4) 在冲击性花岗岩不同围压下循环加卸载AE试验的基础上,运用小波包频段分解法和G-P算法对Kaiser点信号及其相邻点的频段能量分布特征与AE能量关联维数进行研究,得到Kaiser点特征频段变化规律及Kaiser点AE关联维数均小于其相邻点的结论,为进一步揭示冲击性岩石的损伤破坏机制提供参考依据。 (5) 研究不同冲击倾向性岩石在单轴压缩和三轴压缩下的AE频率和基本参数特征,得到较强冲击性岩石、较弱冲击性岩石和非冲击性岩石在不同受力及变形破坏阶段的AE频率、优势频率、振铃计数、能量、撞击数等相关参数变化特征及规律,进一步为岩爆、冲击地压等冲击性动力灾害源的AE技术识别、预警提供基础依据。 (6) 建立了基于AE信号频段与岩石力学参数间关系的多频段AE信号频率识别模式,在此基础上,研究了冲击性花岗岩在单轴和三轴压缩下频率分布特征,得到冲击性花岗岩在单轴和三轴压缩下破坏失稳及临界破坏状态的频率组合识别模式。     

不同围压下岩石声发射不可逆性及其主破裂前特征信息试验研究

 通过对花岗岩在不同围压下循环加卸载声发射(AE)试验,得到岩石加卸载损伤破坏过程中高、低频通道中AE累计振铃计数、岩石应力与时间的关系。基于此,研究岩石AE的不可逆性特征。同时运用快速傅里叶变换FFT逆变换对Kaiser点AE信号进行消噪,并通过FFT分析消噪后信号的频谱特征,探求岩石主破裂前特征信息。研究结果表明：(1) 两通道中接收到的AE振铃计数整体变化趋势基本相同,所揭示的Kaiser效应和Felicity效应规律基本一致;两通道中AE振铃计数特征主要区别在于数量不同;(2) Kaiser点主频分布在46.39～70.80与151.37～166.99 kHz范围内。岩石主破裂前,随轴向应力水平增加,低频通道中Kaiser点主频整体变化趋势由较低频向较高频转移,高频通道中由较高频向较低频转移;(3) 花岗岩Kaiser效应应力上限值为极限强度的65%左右。Kaiser点的主频特征及变化规律,可为岩石的损伤破坏评价提供依据。     

常规三轴压缩下花岗岩声发射特征及其主破裂前兆信息研究

 通过岩石力学室内加载试验,对花岗岩在不同围压下的破坏全过程进行声发射试验,得到了岩石破裂全过程中的力学参数和声发射低频、高频信号特征,研究了低频、高频声发射信号的振铃计数、能量累计数与岩石应力、时间之间的关系,探求了声发射信号峰值频率在岩石主破裂前期的分布情况。研究表明：低频与高频通道接收的声发射信号基本特征--振铃计数、能量累计数在岩石破裂过程中的整体变化趋势基本相同,与岩石力学过程形成良好的对应;两通道的信号基本特征主要区别在于数值大小。在声发射频谱特征方面,岩石破裂的前兆信息在声发射信号峰值频率分布中呈现为峰频主频段增多的特征,表现为信号峰频分布由岩石加载初期的1～2个主频段(40～50 kHz和150～170 kHz频段)在岩石临界主破裂时增多到最多5个主频段(25～30 kHz、40～50 kHz、60～70 kHz、90～100 kHz及150～160 kHz频段)。     

大理岩卸围压破坏全过程的声发射及分形特征

采用极点对称模态分解方法对大理岩卸围压破坏的声发射数据进行去噪处理,分析大理岩卸围压变形破坏全过程的声发射变化特征。加载初期声发射振铃较小且增长缓慢,扩容点后声发射振铃计数率迅速增加。声发射时频变化呈现波动特征,峰值强度前频率出现突增,临近峰值强度时频率明显降低。利用关联维数方法计算大理岩卸围压破坏过程的声发射分形维数,声发射分形维数呈现阶段性变化,先增大后减小,在应力达到峰值强度的80%附近出现陡增,破坏时分形维数又出现大幅降低。频率变化特征与分形维的变化规律具有对应关系,声发射信号频率突然上升且分形维数陡增可认为是岩石破坏前兆。     

岩石破坏声发射时频分析算法与瞬时频率前兆研究

 为得到以时间、频率、幅度和动态过程为特征量的多维度瞬时频率前兆信息,为岩爆等地质灾害的预测提供原理上的支持,开展岩石破坏声发射波形分析的研究。以花岗岩单轴压缩为实例,对声发射大数据的分割、时频分析理论与算法,以及时频分析窗函数的滤波性能的优化进行了理论分析与计算机实验。建立分割短数据的时间/频率分辨率的计算公式与大数据优化分割的基本原则;阐明时频分析窗宽度与频率域指标的优选方法;提出时频分析的综合优化算法,即：先用对声发射大数据进行最优分割、再根据短数据的特点对分析窗进行优选、用优化的短时傅里叶变换进行主频带定位、再用维格纳变换进行主频带中心频率的识别、最后对变换后的时频图进行精细化处理,以充分展现其中蕴含的动态信息。时频分析综合优化算法的应用表明：分割的短数据较好地反映了在不同应力水平下裂纹扩展的动态过程;分析窗的优化提高了时频变换的频率局部化性能并减少了频谱泄漏效应;解决了短时傅里叶变换不能精确描述主频分布的问题,避免了维格纳变换中“交叉项”的识别问题。应用多维度瞬时频率前兆可以更好地描述岩石破坏非线性过程的前兆信息,为岩石破坏的预测与机制认识提供新的、有力的手段。     

不同应力路径下煤样变形破坏过程声发射特征的试验研究

 利用RMT–150B岩石力学试验机对义马耿村具有冲击倾向性煤样进行常规单轴、三轴和三轴卸围压试验,研究在不同应力路径下煤样变形破坏过程中的声发射特征。试验结果表明,煤样在不同应力路径下加载变形破坏过程中产生的声发射特征有所差异。常规单轴压缩过程中各个阶段均有不同程度的声发射事件,与三轴筒内单轴压缩相比,声发射累计计数和能量明显偏大,破坏瞬时的声发射计数和能量大致相当;常规三轴压缩试验时,在围压作用下煤样屈服前声发射事件较少,进入屈服阶段声发射事件逐渐趋于活跃,计数和能量大幅度增大,标志煤样破坏前兆,破坏瞬时声发射计数和能量达到最大值;三轴卸围压试验时,在卸围压前煤样处于弹性阶段声发射事件较少,随围压逐渐降低,由正应力提供的摩擦力不断减小,煤样内部材料强度相对较低逐步屈服破坏形成微裂纹。屈服前期产生少量声发射事件,屈服后期声发射事件逐渐趋于活跃,计数和能量大幅度增大,标志煤样卸围压破坏前兆,破坏瞬间计数和能量同时达到最大值,与常规三轴压缩相比,声发射计数更大,能量则更高,表明三轴卸围压煤样破坏时更加强烈;常规单轴压缩煤样破坏产生的声发射累计计数和累计能量明显偏大,三轴筒内单轴、常规三轴压缩以及三轴卸围压试验时,声发射累计计数和能量大致相同,没有明显差异。     

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。     

不同应力路径下岩桥试验的声发射特征研究EI北大核心CSCD

岩质边坡中岩桥贯通是导致边坡失稳的重要因素,通过开展不同岩桥长度岩样的常规三轴加荷、三轴卸荷以及三轴加卸荷试验,研究在不同应力路径下岩桥贯通破坏过程中的声发射特征,以及围压和岩桥长度对声发射特征的影响。结果表明:岩石压密阶段与线弹性变形阶段声发射事件较少,塑性阶段声发射事件明显增多,破坏阶段声发射计数率、累计能量以及幅值均达到峰值。声发射特征的明显变化可为紧接的岩样破坏提供预警作用,幅值变化较其他指标更为敏感,因此幅值的监测对于各阶段演化以及破坏预警更有效。本试验中,岩桥试样达到峰值强度后不会立即跌落至残余强度,而是出现2次应力跌落,应力跌落均对应声发射特征达到峰值,2次应力跌落中会出现"平静期"或"峰后回升"现象,其声发射特征与塑性阶段相似,但幅值、计数率与累计能量均大于塑性变形阶段,表明在这一阶段岩样裂纹仍以较快速率扩展,最终导致岩桥贯通破坏。不同应力路径下累计能量由大到小依次为:三轴加卸荷、三轴卸荷和常规三轴。随着岩桥长度与围压的增加,声发射计数率峰值和累计能量逐步增长,破坏程度更加剧烈。     

不同围压下页岩声发射及破裂前兆信息研究

对页岩进行常规三轴压缩下的声发射试验,并以时间为参考变量,得到力学与声发射参数之间的耦合关系,对其进行分析,以研究常规三轴压缩下页岩声发射特征的围压效应及其破裂前兆信息,并进一步揭示岩石破坏的微观机制,结果表明:(1)页岩声发射信号可分为4个阶段,即:原生裂纹压密阶段、平静阶段、爆发阶段、破坏阶段。(2)随着围压的升高,页岩的峰值强度随之升高,损伤强度σcd也随之升高,并且其数值约为峰值强度的91%。(3)随着围压的升高,由于破裂后的岩块之间的破裂面在凹凸处存在相互啮合啃断,岩样声发射信号在峰后残余强度阶段出现多个峰值。(4)页岩声发射RA值在主破裂发生前都有突然增大,并达到峰值的现象,预示着主破裂即将发生,因此可以将声发射RA值的突然增加作为页岩主破裂前兆信息。     

含裂隙岩石受压破坏的声发射特性研究

用水泥砂浆模拟含裂隙岩岩石试样，在刚性压力机上进行单轴压缩试验，通过声发射测试技术，分析含裂隙岩石在受压力过程中新裂的萌生－扩展－断裂破坏全过程。得到含中心斜裂试样受压破坏的声发射特征，揭示了含裂隙岩石压剪民裂破坏的内在机理。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。     

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。     

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明：对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号“平静”而能量释放“不平静”的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。     

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。