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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同含水率砼单轴压缩下声发射与分形维数试验研究

为研究水对砼破裂过程中声发射及分形规律的影响,选取养护30 d的C35砼,对干燥、自然、饱水条件下试件进行单轴压缩声发射试验,得到不同含水率下单轴压缩应力-应变曲线及声发射参数。结果表明,含水率的增加会使砼的塑性提高、强度降低;声发射参数可较好地反映岩石孔裂隙的产生过程,与岩石破坏过程中的内部细观结构演化规律具有直接关系;声发射计数随着含水率的增加呈下降趋势,水对岩样有软化、润滑作用,在裂纹产生过程中,水会削减剪切破坏、裂纹张开的激烈程度;不同含水率下试件的声发射计数的分形特征具有良好的相似性,其分形维数D呈现上升→突降→最大值→下降的特征。     

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。     

基于最小耗能原理的海棠山隧道围岩蠕变损伤模型

为了研究海棠山隧道围岩的长期稳定性,采用MTS815.02试验机对砂岩展开不同围压作用下的三轴蠕变试验,进而分析了围岩在不同围压作用下的长期变形特性。通过结合最小耗能原理建立损伤模型,以能量角度研究岩石的性能劣化规律和蠕变特性。研究结果表明:岩石在变形过程中的能量耗散规律与岩石内部损伤演化规律是一致的,结合最小耗能原理引入内变量,较好地反映岩石内部应力-应变变化状态,将岩石损伤演化规律以能量变化方式呈现出来,也较好地描述了岩石内部能量耗散具体过程;当施加在岩石的应力水平较高时,才会出现稳定蠕变和加速蠕变现象,否则蠕变变形只有衰减蠕变变形,同时,围压的增高不仅增大了试样的破坏应力水平,同时延缓了轴向蠕变变形。最终通过砂岩蠕变试验曲线与模型曲线的高吻合度,这说明了基于最小耗能原理来建立非线性蠕变损伤模型,对砂岩蠕变全过程演化规律描述是合适可行的,也充分地说明将岩石作为耗散结构来确定岩石损伤程度以及反映岩石蠕变全过程变形规律是正确的;该模型对于不同围压作用下花岗岩蠕变特性也有较好地描述,计算曲线和试验数据拟合度较高,说明了该损伤模型的适用性广泛,对实际工程具有指导意义。     

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。     

钢绞线拉伸过程中的声发射特征及其损伤演化模型

针对常规的无损检测方法不能够动态跟踪钢绞线的损伤演化过程,提出了采用声发射技术来监测钢绞线的损伤演化。利用钢绞线的拉伸试验,对其损伤全过程进行了声发射监测,得到了钢绞线拉伸损伤全过程的声发射特征信号:钢绞线在断裂之前,声发射特征参数并不明显,在接近断裂时,声发射信号迅速增大,并在屈服点附近出现一个大的突发信号。通过声发射机理分析,发现声发射累积能量可作为钢绞线损伤的特征参量,能动态分析钢绞线损伤演化过程和规律,较容易判断断丝的根数和发生的时刻。利用声发射累积能量的相对变化来定义钢绞线损伤因子,推导了用声发射特征参数表示钢绞线损伤演化方程,此方程可用威布尔累积分布函数来描述,并对其正确性与合理性给予了验证与分析。     

干湿循环作用下红砂岩强度劣化特性试验

为探究库水位周期性涨落条件下,库岸边坡消落区岩体的强度劣化特性及损伤演化规律,以红砂岩为研究对象,通过干湿循环试验模拟库岸边坡岩体的实际赋存环境,以常规单轴、三轴试验为手段,开展干湿循环作用下红砂岩强度劣化特性试验研究,分析干湿循环作用下红砂岩波速等特性的演化规律,定量分析了干湿循环作用对红砂岩强度主要力学参数的影响,并提出了基于黏聚力的损伤变量。结果表明：随干湿循环作用次数的增多,红砂岩的波速逐渐减小,孔隙率逐渐增大,减小和增大的趋势呈现出明显的三阶段特征,红砂岩单轴强度也逐渐减小,对应的峰值应变逐渐增大,其破坏形式为脆性破坏;以波速计算的红砂岩损伤变量表明,损伤变量随干湿循环次数的增多呈非线性增大趋势,可采用幂函数拟合;干湿循环作用下红砂岩黏聚力显著减小,而摩擦角变化不明显,干湿循环作用主要通过弱化黏聚力造成红砂岩单轴强度的降低,单轴抗压强度降低百分比η_1N与黏聚力降低百分比η_2N呈显著非线性对应关系;提出了基于黏聚力衰减的新损伤变量,并通过与波速损伤变量的计算值和试验值的对比验证了该损伤变量指标的合理性。     

单轴压缩下溶隙灰岩声发射RA-AF特征及破裂模式研究

灰岩溶隙随其发育阶段呈现不同形状,溶隙形状将影响受力作用下的灰岩裂纹演化机制。利用单轴压缩试验下声学特征(RA-AF)对"裂隙"、"椭圆孔"、"类蘑菇孔"和"类哑铃孔"等4类溶隙形状的灰岩微裂纹演化机制进行了研究。根据单轴压缩试验的声学特征、力学特征,将声发射演化过程分为初始非线性段(Ⅰ)、类线性段(Ⅱ)、非线性阶梯状幂律段(Ⅲ)和峰值活跃段(Ⅳ)等4个阶段,通过分析RA-AF演化特征,以及基于二维高斯混合模型(GMM)的RA-AF值聚类分析,获得不同阶段的演化规律。研究结果表明:完整灰岩和溶隙灰岩随着加载的进行,RA和AF值均表现出明显的原点集中性;完整灰岩和"椭圆孔"灰岩的破坏模式以拉裂为主,"裂隙"灰岩是以剪切为主的拉剪混合破坏,"类蘑菇孔"灰岩是以拉裂为主的拉剪混合破坏,"类哑铃孔"灰岩则是先剪后拉的拉剪混合破坏;溶隙形状对微裂纹的形成产生较大影响,"裂隙"灰岩表现出极强的剪切性质;"椭圆孔"的剪切性质减弱,拉裂性质增强;"类蘑菇孔"的破坏受溶隙上下部的"菌伞"和"菌柄"控制,控制次序是先下后上;"类哑铃孔"则先由"菌伞"控制,再由整个溶隙孔控制,并且第Ⅲ阶段"菌基"出现抑制效应,这种抑制效应能够明显延长岩样的寿命。     

某机场红层强-全风化砂岩的力学特性大型原位试验研究

我国西南地区广泛分布有厚度较大的红层风化砂岩，修建高填方机场工程时，能否以其作为填料成为亟待解决的问题。通过浅层平板载荷和原位大型浸水剪切试验，研究了风化程度和含水率对风化红层砂岩的力学强度的影响。结果表明:强-全风化红层砂岩地基承载力特征值小，沉降量大，且强风化红层砂岩的承载力特征值和变形模量约为全风化红层砂岩的2倍；强-全风化红层砂岩抗剪强度参数（c，φ）随含水率的增加而不断降低，尤其是黏聚力c对含水率的变化极为敏感；随着风化程度的增加，水对其强度特性影响越来越弱。总之，风     

炭质泥岩渐进破坏过程的变形特性及损伤演化研究

为研究软岩渐进破坏过程的变形特性和损伤演化规律,通过对炭质泥岩开展不同围压的三轴压缩试验,分析了围压对炭质泥岩宏观力学特性的影响;并将损伤岩石细观模型概化为岩石颗粒、裂隙损伤和孔隙3个部分;根据岩石细观结构损伤机制,结合应力-应变曲线特征,分段建立了炭质泥岩损伤演化方程:压密阶段,以孔隙率为损伤变量,建立了考虑孔隙压缩...     

冻融循环作用下炭质页岩蠕变模型研究

冻融循环作用下炭质页岩蠕变是高速公路高陡边坡稳定性研究的热点问题之一。为揭示冻融循环作用下炭质页岩的蠕变特性,将炭质页岩试样分别进行0次、5次、15次、25次冻融循环,在围压为4 MPa条件下,采用分级增量加载方式对试样进行三轴压缩蠕变试验,试验发现冻融作用下炭质页岩蠕变具有明显的非线性特征,轴向应变随冻融循环次数、应力水平和时间增加而增大;根据蠕变曲线特征,将蠕变曲线分为2个阶段,即稳定蠕变阶段和不稳定蠕变阶段;利用损伤定义及Lemaitre应变等效方程,建立稳定蠕变阶段的冻融损伤演化方程;基于损伤力学和概率统计理论,采用Von-misses屈服准则,建立不稳定蠕变阶段的冻融和蠕变耦合损伤方程;通过引入冻融和蠕变损伤变量对Burgers模型参数进行修正,建立冻融作用下的蠕变损伤模型。研究表明：岩石损伤随冻融循环次数增加而增大,但损伤增加速率减小,最终趋于稳定;冻融和蠕变耦合作用下,冻融作用使得岩石损伤累积,会加快岩石的蠕变破坏;分段建立的损伤方程能较好地揭示岩石损伤随冻融循环次数、应力水平和时间增加的变化规律;改进的蠕变模型与试验曲线拟合度较好,且参数物理意义明确。研究成果能为炭质页岩高陡边坡稳定性分析提供理论参考。