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。     

花岗岩声发射特性和破坏机制的实验研究

本文针对洞壁围岩支护前后的应力状态,对花岗岩的声发射特性和破坏机制进行了实验研究.指出:在σ_2≤15.5 MPa,σ_3≤0.5MPa的条件下,双轴及三轴压缩强度无明显提高,可用单轴压缩强度作为其代表值.和单轴压缩相比,低侧压改变了花岗岩的破坏模式,使破坏向三轴压缩下的“亚破碎型”转化. 对比分析花岗岩块的强度、变形和声发射特征后,提出了“脆性破坏警报线η”,“脆性破坏线β”,“极限破坏线”等表征花岗岩块变形发展及破坏过程的概念,给出了相应的临界应力条件,并用图4表示了不同破坏状态下的强度准则. 把花岗岩块的拉应变发展及不同破坏状态与Russense的岩爆分级表作了对比;结合实测地应力资料,对某地区圆形洞室的脆性破坏与岩爆活动作了粗略评估,认为考虑非圆形洞室几何因素所产生的应力集中及其它因素后,发生弱岩爆是可能的.评估结果和现场试验洞的情况以及挪威峽谷地区Heggura公路隧洞的现场经验较为一致.     

不同饱水度二长花岗岩岩爆倾向性与AE试验研究

为了揭示水对矿山巷道围岩岩爆的影响程度和内在机理,对取自冀西北黄土梁金矿的二长花岗岩进行了不同饱水度下的岩爆试验。结果表明：随着饱水度的增加,花岗岩的强度、储能系数、能量释放系数逐渐减小,岩爆倾向性逐渐减弱,当饱水度为0～0.4时,岩爆倾向性受饱水度影响较大,当饱水度大于0.4后,岩爆倾向性受饱水度影响较小;在压密和弹性变形阶段,AE表现为“低频低能量”,在屈服变形阶段,AE表现为“低频高能量”,在岩爆阶段,AE表现为“高频高能量”,在屈服变形阶段,AE会出现一段时间的“静默期”;AE累计事件数随饱水度增大而逐渐减小,当饱水度超过0.4后,AE累计事件数呈断崖式下跌,表明饱水度超过0.4后,岩爆剧烈程度显著下降;分形维数呈“震荡—略微减小—急剧减小—上升”的演化特征,分形维数快速下降可作为花岗岩发生岩爆的前兆特征。研究成果可为金属矿山围岩岩爆预测和水防治措施提供一定的借鉴。     

高温作用下花岗岩的声发射特征研究

 通过MTS810材料测试系统及AE21C声发射检测仪对山东临沂花岗岩在20 ℃～800 ℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析升温过程中花岗岩振铃计数率随时间的变化规律以及加载过程中花岗岩的声发射特征参量与应力–应变之间的关系。研究表明：升温及加载过程中,花岗岩声发射振铃计数率随着温度升高而增大,声发射活动也变得更频繁;其声发射参量在400 ℃～800 ℃高温后与高温下有较大差别,高温后的声发射参量明显低于高温下,岩样内部裂纹较少以致高温后花岗岩的强度等力学指标要优于高温下;各温度段高温下声发射振铃累计数都要高于高温后,尤其在800 ℃时,两者相差超过1倍;800 ℃前花岗岩岩样主要呈劈裂和剪切破坏为主的脆性破坏,未出现强烈的塑性破坏;高温使储存的能量显著增多并加速能量耗散,能量的耗散和弹性能的释放使岩石的强度减小,宏观裂纹增多并最终破坏。     

北山花岗岩声发射特征及破坏模式识别研究

针对北山花岗岩开展了直接拉伸试验、巴西劈裂试验以及三轴压缩试验,试验过程中实时检测声发射事件。详细分析了声发射特征,并基于声发射特征通过Fisher判别方法建立了不同试验方式岩石破裂的识别模型,结果表明:(1)直接拉伸试验强度约为巴西劈裂试验强度的1.23倍;(2)巴西劈裂试验的b值呈“W”形变化趋势,而直接拉伸和三轴试验的b值呈现波动下降的趋势;(3)巴西劈裂试验的AF/RA值呈现稳定波动状态,直接拉伸试验的AF/RA值经历上升、下降、小幅波动3个阶段,三轴压缩试验的AF/RA值在应力达到峰值前波动下降,但在峰值后AF/RA处于大幅波动状态;(4)基于Fisher判别方法建立了3种试验试件破坏的识别模型,并进一步分析模型识别的正确率。     

花岗岩岩块饱水状态对纵波波速测试结果的影响

在岩土工程勘察中,采用纵波波速测试评价岩石的物理力学性质时,常会遇到岩块纵波波速试验值小于岩体纵波波速的异常情况。通过对青岛地铁勘察资料和勘察过程的调查分析,以花岗岩为例,采用对比试验模拟勘察试验过程进行验证,发现岩块饱水状态的变化和岩块纵波波速测试规程不严谨是导致岩块纵波波速测试结果不准确的重要原因之一。结合发现,文中对提高花岗岩岩块纵波波速测试结果准确性提出了建议。     

风干与饱水状态下花岗岩单轴流变特性试验研究

对软弱岩石(体)的流变特性进行了许多研究,相比较而言。对坚硬(相对)完整岩石流变特性的研究则少得多。坚硬完整岩石的流变特性对岩土工程的影响在很多情况下可以忽略。但在长期恶劣环境作用下,例如。长期浸泡于水中呈水饱和状态。其影响则会大许多。因而了解坚硬完整的岩石在恶劣环境作用下的流变特性,是很有意义的。鉴于此。开展了花岗岩在饱水状态下流变特性的试验研究。并与其风干状态作了对比,在强度和变形特性方面获得了重要的资料。     

拉伸应力状态下花岗岩声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射(AE)三维定位系统,对甘肃北山花岗岩在直接拉伸和间接拉伸试验条件下的强度、变形及其破坏全过程的声发射特征进行研究。试验结果表明：直接拉伸得到的抗拉强度的平均值、最大值和最小值均分别高于间接拉伸,且前者峰值应力时的应变量小于后者,约为后者的6.03%;直接拉伸试验加载开始至40%峰值应力阶段,声发射较为平静,此后声发射计数和能量均开始增加,接近峰值应力时,声发射事件数达到最大;间接拉伸试验整个破坏过程的声发射计数率基本持平,但40%峰值应力前的初期加载阶段的声发射能率高于40%峰值应力后;间接拉伸过程中,试件受压缩应力及加载接触部位屈服破坏的影响,能量释放量高于直接拉伸。     

莱州花岗岩应变岩爆实验声发射频谱特征分析

深部岩爆的发生对应着岩石的猛烈破坏,同时产生弹性应力波,相应的就会有声发射现象发生。声发射频谱特征的变化能够反映岩爆发生的本质信息,因此开展此方面的研究有着重要的理论与应用价值。利用自主研发的深部岩爆过程模拟实验系统,进行了花岗岩循环加卸载条件下的岩爆声发射模拟实验。首先对花岗岩的应变岩爆实验过程进行划分,分析其声发射释能特征;其次,选取实验过程中的关键特征点声发射波形信息并对其进行傅里叶变换,观察各关键特征点的原始波形特征、二维频谱特征,寻求岩爆时刻的本征频谱;从其二维频谱功率谱图上,获取各个关键特征点的频谱响应特征和其对应的幅值特征,研究其频谱响应规律。研究结果表明:岩爆时刻区别于其他阶段最明显的特点就是声发射表现为连续型波形,低频高幅值特征。     

北山深部花岗岩不同应力状态下声发射特征研究

采用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,开展北山深部花岗岩不同应力条件下岩石破坏的声发射特征研究。试验得到北山花岗岩的直接拉伸强度为9.53 MPa,仅为其单轴平均抗压强度的1/17。试验结果表明,在拉伸应力条件下,由于无原生微裂隙闭合过程,声发射事件出现时间较晚并集中出现于破坏阶段;峰值应力后,声发射信号的继续增加说明花岗岩并未立刻破断,而仍具有一定拉伸承载能力。在压缩应力条件下,初期加载阶段即有声发射信号出现并随加载应力增加而持续增长,反映原生裂纹闭合及新生裂纹扩展演化的过程;随着围压增加,花岗岩在峰值应力阶段延性变形特征显著增强,其内部裂隙(损伤)在该阶段渐进式发展,导致声发射事件的集聚量远高于其他阶段;同时,围压增加使北山花岗岩的非线性特征增强,特别是破坏前的显著延性变形特征与其他工程常见花岗岩特性具有明显不同。研究得到北山花岗岩在不同应力状态下的变形特征和声发射特征,为北山花岗岩在不同应力条件下损伤演化机制研究奠定基础。     

岩石单轴压缩变形场演化的声发射特征研究

 对单轴压缩条件下一种红砂岩试件变形场演化过程中声发射特征进行研究。以数字散斑相关方法进行试件加载全过程的变形场演化观测,利用声发射系统采集试件加载全过程的声发射信号,对岩石变形演化过程中的变形局部化演化、变形局部化带拉伸以及变形局部化带错动对应的声发射特征进行研究,研究结果表明：(1) 由加载曲线与声发射振铃计数、声发射能量演化对应关系可知,应力突降时声发射振铃计数和声发射能量出现激增,但振铃计数激增和声发射能量激增,应力不一定突降;(2) 加载应力与声发射振铃累计计数在演化趋势上具有较好的对应关系,但声发射振铃累计计数增幅与对应的应力降低量值无关;(3) 声发射峰前“平静期”并不代表岩石变形场演化处于平静阶段,此阶段变形局部化带的宽度、长度以及变形量值在不断增加;(4) 变形局部化带的宽度、长度以及变形量值的演化对声发射振铃计数及声发射能量影响很小,变形局部化带的拉伸速率及变形局部化带的滑动速率变化对声发射振铃计数和声发射能量影响较大,其中变形局部化带滑动影响最大。     

单轴多级加载岩石破坏声发射特性试验研究

在单轴多级加载条件下,进行花岗岩破坏全过程的声发射试验研究,得到应力-应变、声发射参数与应力和时间的关系。研究结果表明：每级荷载稳压时AE事件率、能率降低,而AE事件数基本稳定或增加平缓,表明稳压阶段试样内原有裂纹未发展、新生裂纹少、声发射水平低。随时间的延长和轴向荷载的增加,AE事件率增加,表明试样内裂纹逐渐增多或其内在裂隙逐步贯通。室内单轴多级加载试验在一定程度上反映出地下厂房分级开挖时应力调整前后声发射的趋势变化,建议在高地应力区进行水电地下厂房岩爆等地质灾害的现场声发射监测时,应选取合适的监测时机,特别要在上下台阶贯通时加强监测。整个加载过程中存在初始区、剧烈区和下降区,多数试样临近峰值强度时声发射活动活跃,尔后AE事件数趋于平缓,AE事件率下降,出现声发射平静期现象。与其他学者的室内和现场试验研究成果作一对比,认为岩体破坏发生前多出现声发射的突然下降或相对平静期现象,并在物理过程上对此作一探讨,为现场岩体稳定性监测与预报的判据提供借鉴和思路。     

混凝土材料断裂过程中声发射空间自组织演化特征及其在结构失稳预报中的应用

利用声发射定位检测技术,对混凝土材料在三点弯曲断裂过程中,声发射事件的空间分布规律进行了观测.通过给出的声发射事件的位置熵函数,可以对这种空间演化规律进行定量描述.结合三点弯曲实验,对声发射空间演化规律同临界断裂的关系进行了分析.试验结果表明,混凝土试块在三点弯曲过程中,相应的声发射过程的空间自组织程度,随着应力状态的变化而变化.声发射空间位置熵的急剧下降,预示着宏观断裂的来临.     

MICROSCOPIC STUDY AND NUMERICAL SIMULATION OF THE FAILURE PROCESS OF GRANITE

~~MICROSCOPIC STUDY AND NUMERICAL SIMULATION OF THE FAILURE PROCESS OF GRANITE@Li Lian$Department of Civil Engineering The University of HongKong!HongKong,China     

岩石热破裂与渗透性相关规律的试验研究

岩石热破裂是一类极为普遍的自然与工程现象。利用\"600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统\"进行砂岩和花岗岩在常温至600℃范围内的声发射特征和渗透性演化规律的试验研究,揭示岩石的热破裂规律与渗透性的相关特征,其结果如下:(1)花岗岩和砂岩受热作用,在常温到600℃区间,其热破裂存在一个清晰的门槛值。从声发射特征来看,永城细砂岩与鲁灰花岗岩的热破裂门槛值分别为170℃和65℃。(2)岩石热破裂门槛值之后,随温度升高,热破裂呈间断性与多期性变化特征,从常温到600℃,既非单调增加,也非单调减少,一般存在2个以上的峰值区间。(3)随着温度的升高,伴随岩石峰值破裂段的发生,岩石的渗透率也呈现出同步的多个峰值段,伴随着声发射平静期滞后出现渗透率相对降低区,但渗透率仍然维持在一个较高水平,而且随着声发射剧烈期出现次数的增加,渗透率愈来愈大。