岩石损伤破坏过程声发射试验及其能量特征分析

声发射是岩石变形破裂过程中的重要物理现象,也是反映岩石力学特性的一个本构参量.通过三轴应力条件下大尺度岩石损伤破坏声发射试验,得到了3类岩石破坏全过程力学特征和声发射特征.试验中利用高速多通道声发射数字记录系统,获得了岩石试件破坏前微破裂活动的详细时空分布数据.基于试验结果,研究了3类岩石(花岗岩、砂岩、大理岩)压缩变...     

薄层灰岩弯曲变形力学特性试验研究

在岩土工程相关工程建设过程中,常遇到层状岩体稳定问题。鉴于层状岩体在实际工程中经常发生弯折破坏,尤其是薄层岩体,其抗弯性能受岩层厚度的影响最为明显。文中以层理近于水平状的薄层灰岩为研究对象,获取其受弯条件下的力学特性,总结弯曲变形裂纹扩展规律,分析弯曲破坏过程声发射信号变化特点。结果表明,薄层灰岩弯曲受力时试件内部弯曲应力呈线性分布,裂纹起裂点大多始于试件底部中心受拉区域,其扩展路径取决于岩块强度和层面抗剪强度相对大小关系,声发射振铃计数与岩样加载过程的对应关系反映了岩石应力集中破坏的过程,岩石破坏伴随着声发射能量加速释放现象。     

基于室内模拟试验的公路隧道岩爆预测技术

声发射振铃计数及声发射b值可反映脆性岩石内部微裂纹演化及破坏过程,因此在高速公路隧道围岩体稳定性和岩爆的监测预警领域中得到广泛运用。通过钻取大冶某高速公路隧道工程内大理岩岩芯,进行单轴压缩声发射岩爆模拟试验,并对岩爆模拟试验全过程的声发射振铃计数及声发射b值演变特征进行研究,发现两者在试验的不同阶段特征明显,其中:声发射振铃计数平静期内表现出的"低值稀疏"现象以及声发射b值的"b值低谷"现象可作为岩爆灾害可能发生的特征参数;声发射振铃计数的"突增密集"现象及声发射b值的断崖式跌落现象可作为岩爆灾害即将发生的特征参数,可服务于高速公路隧道围岩体稳定性评价,以及岩爆等动力灾害预警预报。     

围岩应力梯度对应变型岩爆特征荷载影响模型试验研究

应变型岩爆是在深地下开挖引起围岩应力集中后受梯度应力作用下产生的。为探明围岩应力梯度对应变型岩爆围岩破坏及特征荷载的影响,采用自主研发的真三轴气液复合加卸载岩爆模拟试验装置,在相同模型材料、围压与单面卸载条件下,进行了4种竖向梯度应力加载的岩爆模型试验。试验采用类岩石材料的大尺寸(1 000 mm×600 mm×400 mm)试件实现竖向梯度应力加载,模型材料选取具有强岩爆倾向的水膏比为0.7的石膏材料。基于岩爆模型试验的宏观破坏现象观察及加卸载过程的声发射能量与累计能量曲线,分析了竖向加载应力梯度系数对试件岩爆破坏特征的影响规律。基于试验过程的加载应力及声发射振铃总计数曲线的阶段性变化分析,获得了4种不同竖向梯度应力加载条件下试件的峰值荷载、起裂荷载与损伤荷载。结果表明:随着竖向加载应力梯度系数的增大,岩爆碎屑由大块板状为主逐渐过渡到以小块片状、块状与粉末状为主,岩爆碎屑的弹射最大距离逐步增大,岩爆的动力破坏现象越来越来越明显;试件在破坏过程中释放的累计能量逐渐减小,能量释放越来越趋于临近岩爆前集中释放;试件的起裂荷载趋向于增大,损伤荷载则变化不大,峰值荷载减小。     

高温作用后砂岩巴西劈裂声发射特征试验

为了研究温度对砂岩力学性质的影响规律，对25～500℃区间内5种温度水平下的红色砂岩开展巴西劈裂试验。结果表明：根据抗拉强度变化情况将温度划分为3个区间（25～200、200～400、400～500℃），高温处理后的红色砂岩抗拉强度受温度影响而发生劣化，抗拉强度随着温度升高先缓慢减小而后下降速度加快，200℃是砂岩阈值温度；砂岩的劈裂破坏模式也由单一主裂纹破坏变为主裂纹和伴生裂纹破坏；声发射特征表现出较为显著的阶段性特征，大致经历声发射活跃期、微弱期、平静期。温度导致岩石内部矿物成分、晶体间隔、晶间水状态和结合离子键发生改变，是导致岩石发生热损伤的重要因素。     

基于声发射监测的路堤相似模拟破坏过程分形特征研究

路堤边坡的变形甚至破坏是山区公路建设和运营过程中面临的严峻问题,若能在路堤边坡破坏前进行方便、准确的预测和预报,则可以有效避免人员伤亡与财产损失。引入声发射技术进行路堤边坡稳定性监测,进行室内相似模拟试验,分析讨论了不同波导杆杆径与碎石粒径条件下的声发射特征,提出了将声发射分形维数大幅度下降作为路堤边坡破坏的前兆特征,从而为预测、预报路堤边坡破坏提供了一种监测分析手段。     

闪长岩单轴压缩力学特性试验及数值模拟研究

采用微机控制伺服岩石三轴剪切流变试验机对闪长岩进行单轴压缩试验,利用RFPA分析系统模拟岩石破裂过程,详细分析了单轴压缩下闪长岩各特征应力大小、损伤过程、破坏模式及裂纹扩展规律。研究结果表明:闪长岩在单轴压缩下裂纹闭合应力、裂纹起始应力、损伤应力分别占峰值应力的36.6%、55.5%、75.6%;在损伤变量的基础上提出损伤变量临界值,以应变值为基础建立闪长岩损伤与裂隙演化之间的联系,定量分析了闪长岩裂隙演化4个阶段下损伤变量的变化;针对闪长岩应力～应变曲线出现"阶梯式下降"现象,结合试样破坏前后对比分析,发现是由于初始试样中存在一条富含石英颗粒的斜面所导致,提出闪长岩单轴压缩下破坏模式为竖向劈裂与剪切组合破坏;根据RFPA模拟得到闪长岩破裂结果,发现当加载应力达到峰值应力的54.1%时,闪长岩内部出现微裂纹,当加载应力达到峰值应力的75.4%时,闪长岩内部的微裂纹汇聚形成显裂纹,在显裂纹区域出现应力集中现象,使得显裂纹相互贯通,最终导致闪长岩的宏观破坏;通过试验和模拟对闪长岩的破坏强度、裂隙随应力变化规律、破坏模式方面进行相互印证,分析了单轴压缩下闪长岩的单轴压缩破坏过程。     

基于声发射监测技术的非水反应高聚物受压损伤模型研究

为探究非水反应高聚物在上覆荷载作用下的抗压性能，对非水反应高聚物进行单轴抗压强度试验，探讨不同密度高聚物的破坏特征和强度，获得材料在压缩过程中的应力-应变曲线，通过声发射进一步了解高聚物破坏时的内部特征，得到表征高聚物损伤演化过程的声发射累计振铃次数曲线和损伤定位图。结果表明： 1）非水反应高聚物压缩过程的声发射响应分为上升期、平静期和剧烈波动期3个阶段； 2）高聚物密度越大，3个阶段的特征越明显，累计振铃次数越小； 3）声发射监测破坏位置与数量和试件实际受压破坏吻合较好，因此，声发射技术可以较为精准地监测非水反应高聚物的受压破坏。最后，基于Weibull分布提出非水反应高聚物损伤模型，通过与试验结果对比表明，建立的损伤模型可以较好地反映非水反应高聚物抗压损伤演化过程。     

不同加载速率下花岗岩和砂岩声发射特征研究

通过单轴压缩试验，研究了花岗岩和砂岩在不同加载速度（0.05、0.10、0.15 mm/min）时的应力发展规律、强度变化特征以及声发射时空变化特征。结果表明:随加载速度的提高，花岗岩和砂岩的应力-时间曲线发展特征均明显发生改变，从0.05 mm/min增加到0.10 mm/min时，岩石应力变化幅度较大。花岗岩的单轴抗压强度随着加载速度的提升先是快速增大后基本不变；砂岩的单轴抗压强度是随着加载速度的提升逐渐减小的。花岗岩的振铃计数随着加载速度的提高总体上是减小的，而砂岩的振铃计数随加载速度的提高是在减小的。累计振铃计数特征表现为花岗岩随加载速度是先增加后减小，砂岩是逐渐增大的，并且在0.15 mm/min时砂岩的累计振铃计数大于花岗岩。累计能量是随着加载速度提高而减小，砂岩的累计能量大于花岗岩。花岗岩的声发射事件数水平是随着加载速度提高在破坏前先减小，破坏时变化较小，频度在全过程是逐渐减小；砂岩的声发射事件数水平在破坏前是逐渐增大，破坏时则变化不大，频度在全过程是逐渐减小。     

液压与气液复合加载洞室岩爆模型对比试验

为了探讨液压与气液复合加载条件下地下洞室岩爆现象的差异,选择具有明显脆弹性的石膏模型材料,制作了大尺寸模型试件,利用自主研发的气液复合型岩爆模型试验装置开展液压与气液复合加载洞室岩爆物理模型试验,模拟深部地下洞室开挖过程中的岩爆现象。采用应力应变测试、声发射监测及影像获取等方法,对试件加载过程中洞室的宏观破坏现象、洞室周边内部变形规律、声发射特征参数及裂纹的扩展进行分析。试验结果表明:洞室边墙和拱肩部位产生较大的应力集中区,洞室岩爆破坏顺序是先边墙,后拱肩方向,边墙和拱肩部位在极短的时间内出现裂纹及扩展,形成较大范围的层裂、剥落及弹射碎片,并伴随较大的声响;在相同的加载应力路径下,气液复合加载较液压加载破坏区范围更大,在本试验气液复合加载条件下,边墙破坏区范围大致为0.6b(b为洞室宽度);岩爆的发生及烈度与加载方法和破坏时能量的释放速率密切相关,采用气液复合加载的模型试件,在对应破坏点处应变具有明显的梯度变化,应变值显著高于液压加载试件,同时,声发射能量较液压加载具有明显的突变,岩爆的宏观破坏过程及现象更为明显,破坏程度更为剧烈。气液复合加载的试验方法更为符合实际工程岩体破坏过程的实际受荷。     

砂岩损伤演化声发射特征分析

通过砂岩的损伤声发射试验,分析了砂岩损伤各个过程的声发射特性,发现在岩石损伤的各个过程中,其声发射表现出不同特性,特别是岩石在破坏之前,声发射会有一个稳定期,这对利用声发射监测岩石的破坏具有现实意义。     

UHPC微裂纹在蒸汽环境中的快速愈合机制

为了在蒸汽环境中快速修复超高性能混凝土（UHPC）浇筑过程中产生的收缩裂纹和结构服役过程中产生的裂纹，加速UHPC结构刚度和抗渗性能的恢复，需要确定不同损伤程度的微裂纹在蒸汽环境中的快速愈合机制。因此，选取拉伸变形（应变为1 000×10^-6，1 500×10^-6，2 000×10^-6）作为损伤指标，将损伤开裂后的UHPC试件分别放置在蒸汽环境中1，3，5 d，研究微裂纹在蒸汽环境中的快速愈合机制。通过直接拉伸试验、气体渗透试验和声发射分析不同拉伸变形的UHPC试件在蒸汽环境中的自愈合行为。拉伸试验结果表明：放置在蒸汽环境中，预裂试件的弹性模量的恢复程度随着拉伸变形的增大而减小，但依然大于预裂至相同拉伸应变的未愈合试件（放置在室内环境中）的弹性模量。刚度恢复程度随着放置在蒸汽环境时间的增长而增大，但愈合到一定程度后，延长放置时间对愈合的效果不明显。采用气体渗透试验表征了微裂纹的愈合程度，结果表明蒸汽环境中的微裂纹能快速愈合，但随着拉伸变形的增加，自愈合的程度减小，表明拉伸变形越大，微裂纹越多，自愈合产物填充所需时间越长。声发射分析表明：UHPC内部发生损伤时才会产生声发射源，在重新加载阶段，对于已经愈合的微裂纹，在微裂纹的2个界面之间新形成的晶体会再次开裂，此时会检测到声发射源。然而，对于未愈合的微裂纹重新张开时，则不会产生声发射源，直至旧裂纹发展和新裂纹的产生才会产生声发射源。     

不同围压梯度下砂岩力学及声发射特性研究

分别对砂岩试样施加不同围压，在不同围压梯度下，施加轴向荷载，探究应力-应变的变化及声发射产生数量规律；基于离散元理论，采用二维颗粒流PFC2D软件，建立不同围压下砂岩岩石模型，结合试验数据，研究不同围压梯度下砂岩力学特性及声发射事件的产生。结果表明：随着围压的不断增大，砂岩的破坏应力逐渐增大，达到破坏后产生的微裂缝也逐渐增多。     

砼受压试验全过程声发射特性研究

开展砼试块单轴加载试验,对加载破坏全过程进行声发射检测,通过对数字信号采集示波器记录的声发射信号的分段离散傅里叶变换,定性分析了0~50kHz声发射信号随试件加载值的变化规律,定量分析了声发射全过程0~12kHz各频段能量占比变化规律,提出了以声发射信号各频段信号能量占比为判断标准的砼损伤识别方法,并使用b值法和振铃计数法对该损伤识别方法进行了验证。     

基于CT扫描与图像处理技术的沥青混合料空隙特征分析

为了探究沥青混合料空隙特征,以不同级配类型与成型方式的沥青混合料为研究对象,采用CT无损扫描技术获取大量断面图像,应用Matlab软件对断面图像的空隙部分进行识别与分析,得到了空隙在试件内部的分布规律以及空隙分形维数的变化规律。采用压力机模拟沥青混合料马歇尔稳定度的试验过程,并在不同阶段扫描试件,获得其断面图像,确定了试验过程中混合料内部空隙的变化过程。结果表明:马歇尔试件的空隙率与空隙分形维数呈现出外部大、中间小的分布规律,而旋转压实试件的空隙率与分形维数分布较为均匀;在马歇尔稳定度的试验过程中,空隙面积与数量减少,试件先被压密,后随着荷载增大,空隙面积与数量增加,空隙逐渐变宽,直至试件破坏。     

超声波检测含裂隙岩石损伤特性试验研究

采用水泥砂浆试件模拟含裂隙岩石材料并进行单轴压缩试验,利用超声波仪检测加压过程中波形和波速随试件裂隙扩展的变化。结果表明:荷载为0 MPa时,试件内部存在微缺陷,4#和5#测点的波形出现不规则变化;荷载为1~4 MPa时,试件表面没有出现裂缝,超声波的波形趋于稳定,各测点波速随应变的增加无明显变化,只是在刚施加荷载时波速有增大现象;当试件表面出现裂隙时,2~#、4~#和5~#测点的波形均出现不规则变化,同时波速也有所下降;在裂纹扩展阶段,波形随着裂纹的扩展而发生不规则变化,波速也随应变的增加而呈明显下降趋势;裂纹贯通整个试件后,各测点的波形发生很大异常变化,且连续性差、波形不规则,波速较低。     

层状岩体横观各向同性力学参数及破坏形态试验研究

为揭示浅变质板岩力学特性的各向异性及破坏形态。以浅变质板岩为试验对象,通过对不同层理面倾角β岩石试件进行单轴压缩试验,探究不同倾角下试件的破坏形态、应力-应变曲线,并测出浅变质板岩的弹性模量、泊松比及剪切模量。结果表明,浅变质板岩的压缩破坏存在4种形态,并与层理面倾角β相关;浅变质板岩的强度随着层理面倾角β的增加呈现先减后增的变化趋势。     

钢纤维混凝土疲劳及AE特性试验研究

通过对粗骨料混凝土试件施加周期循环荷载前后的两次静载强度试验和声发射检测,得到试件两次静载强度试验的应力—应变全过程曲线和声发射信号,分析其变形、破坏以及声发射特征,得出试件的强度、变形及声发射特征的变化规律。     

基于图像技术的水泥稳定级配碎石加载损伤特征研究

采用工业CT扫描及分析技术手段,对5种不同级配特征水泥稳定级配碎石孔隙分布状态和其中两种混合料的裂纹扩展规律开展研究,讨论了级配对于孔隙分布特征及裂缝类损坏特征的影响。结果表明:经对断层图像分析发现孔隙面积的分布频数与级配的分形维数具有良好的相关性;静态压实的试件,孔隙沿圆柱形试件纵向的分布并不均匀,上端的孔隙率大于下端。另一方面,两组进行单轴压缩的试验表明,水泥稳定级配碎石的准脆性材料特征明显,裂纹的出现对应着材料力学性能的劣化,裂纹增量与荷载的相关性表明:裂纹增量随荷载增加呈现指数增长;从断层图像所反映的裂缝看,端部约束作用将导致试件纵向中间部位的裂缝扩展明显大于端部;连续级配的水稳级配碎石裂缝呈环形分布,而骨架结构的水稳级配碎石的裂缝基本随机分布。     

基于声发射技术的石灰岩三轴加载试验研究

通过室内三轴加载及声发射同步试验,研究了完整及损伤石灰岩在围压作用下变形破裂的声发射机理。试验研究表明:损伤石灰岩贯通破坏时,岩石轴向应力突降与声发射参数值突增时间具有一致性,沿着1条主裂缝发生贯通破坏;完整石灰岩贯通破坏时,岩石轴向应力突降时间滞后于声发射参数值突增时间,出现多条裂缝;声发射参数值可作为评估危险石灰岩稳定性的有效指标。