岩石声发射振铃累计计数与损伤本构模型的耦合关系探究

为探讨岩石不同破坏模式下声发射特征及其参数与应力、应变、损伤变量之间的关系,通过RMT-150C型测试系统及SAEU2S声发射系统对砂岩、变粒岩、花岗岩和石灰岩4类岩石单轴压缩下声发射特征进行实验研究。研究表明:在峰值应力之前,脆性破坏、脆-延性破坏模式的岩石声发射振铃累计计数均有剧烈增加的现象,延性破坏模式的岩石声发射振铃累计计数则是先激增而后有一段"平静期",可作为岩石即将进入破坏阶段的前兆信息。以时间为中间变量,建立了脆性破坏、脆-延性破坏及延性破坏模式下岩石声发射振铃累计计数与应变的关系模型;基于威布尔分布岩石损伤本构模型,进一步推导出声发射振铃累计计数与损伤变量、应力的耦合关系。经实测数据与所建模型对比验证,延性破坏、脆性破坏模式本构模型精度较高,可为岩石损伤评估提供依据。

玄武岩纤维再生混凝土高温水冷损伤试验研究

为研究消防喷水灭火对纤维再生混凝土力学特性的影响,以玄武岩纤维(BF)体积掺量和历经最高温度为变化参数,共设计90个玄武岩纤维再生混凝土(BFRC)标准立方体试块,进行高温喷水冷却和抗压强度—声发射(AE)试验,探讨BF体积掺量和历经最高温度对BFRC力学性能的影响。结果表明,当温度升到1 000℃,试块表面脱落,骨料全部露出,试块的完整性遭到严重破坏;试块的剩余抗压强度在温度为200~400℃时下降趋缓,抵抗高温的效果明显;BFRC的高温喷水冷却受压损伤过程可分为初期压密与裂纹萌生阶段、裂纹扩展汇集阶段和峰后破坏阶段,各阶段的声发射振铃累计计数具有明显差异;拟合得到消防喷水灭火后BFRC抗压强度计算公式,可为评估不同BF体积掺量及历经最高温度对BFRC抗压强度的影响提供参考。

基于声发射特征的不同高径比矸石胶结充填柱单轴压缩损伤演化

为研究高径比对矸石胶结充填柱单轴压缩性能的影响,本实验制备了高径比为0.5~4.0的5组圆柱体试件进行单轴压缩试验,同时利用数字图像相关技术(DIC)和声发射进行监测,探讨了不同高径比充填柱的破坏特征.研究表明:矸石胶结充填柱的峰值应力和峰值应变都会随着高径比的增大而减小,并与高径比呈指数关系;充填柱的破坏形式在高径比大于2.0后从整体破坏转为局部破坏,局部应变大于16%可以导致充填柱整体失稳;充填柱的高径比从1.0升高到4.0,损伤程度下降到11%;充填柱在累计振铃计数快速上升区中的破坏占总破坏的比例随高径比的增大从22.6%增加到72.3%,高径比大于2.0时该比例达到40.9%且上升速度加快,破坏的集中程度较高;声发射最终累积振铃计数先随着高径比增大而增大,在高径比为2.0以后开始减小,且高径比对振铃集中出现的位置有较大影响;用声发射能量与振铃计数的比值(E/C)反应能量释放剧烈程度,平均E/C随高径比增大从1.26增大到2.76,高径比大于2.0时峰后能量释放较为剧烈.试验结果可以为结构充填开采中充填柱高径比的选取提供参考.

高温作用后石灰岩受压破裂过程的声发射试验研究

利用声发射测试和单轴压缩试验相结合的方法,研究了河南焦作矿区的石灰岩在100-800°C高温压缩破坏条件下的声发射过程,结合不同温度下石灰岩的力学性质,分析不同声发射参数条件下石灰岩在不同受力阶段的声发射特点.结果表明：在高温作用下石灰岩出现了明显的声发射现象;石灰岩峰值应力随着作用温度的升高而不断降低,800°C以后,峰值应力较600°C时降幅达50%,但是峰值应变随着作用温度的升高而变化不明显;在400°C以前,声发射振铃累计数均值随着温度的升高而增加,400°C后随着温度的升高而不断降低;在600-800°C时,试样呈现出明显的塑性破坏特征,高温致使石灰岩劣化,声发射试验中,振铃累计数大幅度降低,应力与应变和声发射特征参数变化规律较吻合.

不同围压下致密砂岩破裂过程声发射特征研究

揭示致密砂岩的破裂机制对致密油气储层压裂设计和压裂缝网改造具有重要的指导意义。本文采用鄂尔多斯盆地延长组长6储层致密砂岩试样,开展了不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了围压对岩石力学性质的影响。采用声发射定位技术研究了试样破裂过程,分析了不同围压下声发射定位事件的信号特征及其时空演化序列。此外,对破裂后试样进行了CT扫描,基于CT切片图像观测了试样内部破裂特征。得到以下几点认识:(1)不同围压下,声发射时空演化差异主要表现在压密阶段。随着围压的增加,声发射事件主要发生时段后移。(2)围压对声发射特征参数累计振铃计数的影响主要表现在压密阶段,其他阶段累计振铃计数呈相似变化趋势。不同围压下均可将累计振铃计数快速增加的瞬间作为岩石即将破裂的标志。(3)随着围压的增加,岩石破裂形态趋于简单化,由拉张破裂为主的复杂形态逐渐转变为单一的剪切破裂形态。(4)CT扫描切片直观地反映了试样的破裂形态,与声发射定位所得试样整体破裂形态相吻合,并且在声发射定位的基础上进一步刻画了裂纹分布情况与各裂纹相互作用过程。采用声发射定位技术与CT扫描双重方法,研究试样破裂过程,对于深入研究岩石破裂机制具有一定的意义。

单轴压缩条件下不同含水率煤体裂纹扩展及破坏模式研究

为研究水分侵入对受载煤体裂纹扩展及破坏模式的影响,开展了不同含水率煤体单轴压缩试验及声发射监测,对比分析了不同含水率下受载煤体应力−应变特征、宏观破坏形态及累计振铃计数的变化规律。单轴压缩试验结果表明,随着含水率增加,煤体单轴抗压强度及弹性模量持续降低,且峰后阶段内煤体应力下降速率逐渐平缓,煤样宏观破裂模式由典型的脆性破坏转变为剪切−拉张组合破坏。声发射监测结果表明,随着煤体含水率增加,累计振铃计数不断降低,而累计振铃计数曲线斜率相应增大,说明水分侵入会降低煤体裂隙发育时的能量释放,但加剧了煤体内部结构损伤。研究结果表明,水分的侵入一定程度上削弱了裂隙表面晶体颗粒间的相互摩擦,增加了煤体滑移破坏的可能性;同时水分侵入也减小了煤体表面活性能,导致煤样受载过程中产生的裂隙数量显著增多,造成煤体宏观力学强度大幅降低。

水对含孔煤体蠕变声发射特性影响的试验研究

水是影响煤体稳定的主要因素。为了全面分析水对钻孔周围煤岩体蠕变声发射特性的影响,通过室内制取含水率0、4%、8%以及饱和含水4种含水状态的单孔试样,开展不同含水率下的分级加载蠕变声发射试验,得到不同含水率下钻孔周围煤岩蠕变声发射规律。试验结果表明:(1)含水率的改变影响钻孔孔周煤岩体的蠕变力学性质,蠕变瞬时应变与稳态应变随含水率的增加呈指数上升,其中饱和含水试样应变增幅更加明显,其瞬时应变及稳态应变最大增幅达到44.5%和28.6%。(2)含水率影响蠕变过程中累计振铃计数及轴向应变的大小,轴向应变随着含水率的增加而增加,累计振铃计数随着轴向应变的增加呈线性上升,且含水率越大,累计振铃计数增加幅度越大,不同应力水平下,含水率4%、8%及饱和含水试样的累计振铃计数增减幅度基本维持在43%、53%和74%。(3)声发射振铃率在每一级蠕变阶段都会有增长—减小—稳定的趋势,随着含水率增加声发射活跃程度明显降低,并且蠕变曲线相对于声发射数据在时间上会出现一个滞后效应。研究为瓦斯抽采、钻孔护孔及声发射检测方面提供了指导。

循环荷载下红砂岩损伤破坏过程次声波特征

为研究岩石损伤破坏过程中次声波信号特征,对红砂岩进行单轴循环加、卸载次声波试验,分析了岩石加、卸载过程中次声幅值和累计振铃计数等参数特征,在此基础上,对比分析基于耗散能法和次声波法表征岩石损伤破坏演化过程特征。研究结果表明,单轴循环加、卸载条件下,红砂岩的次声信号活动可描述为相对稳定期、活跃期和破坏前兆期3个阶段;用次声波累计振铃计数可较好的反映红砂岩内部损伤演化过程,加载与卸载阶段都会产生损伤,且损伤随应力的增大而增大。峰值应力前,次声幅值变化相对平缓,累计振铃计数增量并不明显,但仍有大量的次声信号产生。

单轴压缩条件下岩石声发射特征研究

选取浙江地区的四种典型岩石(玄武岩、砂岩、灰岩及凝灰岩),进行了一系列岩石室内单轴压缩试验,开展岩石压缩破坏全过程的声发射特征研究。结果表明,灰岩与砂岩在单轴压缩条件下破坏产生的声发射特征相似,大量的声发射事件主要在岩石接近破坏时发生,与凝灰岩、玄武岩的声发射特征明显不同;凝灰岩在岩石压应力接近0.4倍峰值强度时,声发射事件增加较明显,并在岩石接近破坏时大量发生;而玄武岩则在岩石发生破坏前的全过程中产生大量声发射事件,声发射呈现出较明显的台阶式递进上升变化特征。研究结果可为浙江地区岩质滑坡声发射监测预警提供参考。