充填体失稳破坏前兆识别及破坏形式演化规律研究

为研究充填体失稳破坏过程中声发射信号时频特征及破坏形式,对不同灰砂比充填体试件开展单轴加载声发射试验。通过频谱分析技术,采用时频域结合对试验结果进行深入剖析。结果表明:不同灰砂比充填体失稳过程中低频带信号占比最大,高频带信号次之,中频带信号最少;峰值应力前,低频信号明显减少,中、高频信号明显增加这一特征可作为充填体失稳破坏的前兆信息;声发射参数RA和AF特征值在不同时刻的分布特征,揭示了破坏形式的演变过程,灰砂比1∶6时充填体在压密及弹性阶段以张拉破坏为主,塑性变形及峰后破坏阶段以剪切破坏为主,灰砂比1∶10时充填体破坏全过程以张拉破坏为主、剪切为辅,灰砂比1∶15时充填体破坏全过程以张拉破坏为主。试验结果对细观角度下研究充填体失稳破坏机制以及采场充填体失稳的预测具有重要意义。

充填体裂纹演化与震源信号耦合关系试验研究

宏观裂纹扩展与细观震源信号集聚常作为分析充填体破裂过程的两类关键信息,但二者间的时空耦合关系缺乏直接的试验验证,这不利于全面剖析充填体损伤特性。基于声发射定位系统,应用盖格尔定位算法,对单轴加载下尾砂胶结充填体裂纹孕育萌生、扩展起裂、成核贯通的三维动态演化模式进行试验研究,并与震源信号的时空分布形态进行比对分析。结果表明:声发射事件与应力-应变等力学响应呈明显正相关关系;充填体宏观裂纹演化与细观震源信号集聚具有良好的时空耦合性;声发射定位能够准确反映内部震源信号衍生、集聚、延伸的动态演化过程,可有效追踪内部裂纹在三维空间中的分布状态。加载初期,声发射活动不明显,裂纹稳定扩展,震源信号逐渐堆簇成主震源区(central-area,C区),以C区为核,呈放射状向外扩展的内接球形三维空间区域(sphere-area,S区)出现零星分布的若干不均匀散点,声发射事件稳步上升;峰值强度后,C区纵深延展成柱带状,震源遍布S区,贯通试样,断裂破坏,引起声发射事件阶跃式陡增,声发射活跃度趋近。根据声发射定位结果中核状主震区的出现及其成型后的扩展方向、曲面形态,可对室内充填加载试验中出现的破裂源、破坏形态进行合理预测,为更深入有效研究充填体失稳破裂机制提供新思路。

基于能量耗散与释放的充填体失稳尖点突变预警模型

在充填体失稳预警研究中,以声发射前兆特征作为材料失稳预警标志已得到众多学者的一致肯定。然而,声发射前兆特征具有多种形式,这对充填体的失稳预警有一定的影响。基于此,建立了一种形式固定的充填体失稳预警模型。首先,以能量演化特征为切入点,基于尖点突变理论构建了充填体失稳预警模型,随后针对不同灰砂比充填体开展单轴压缩声发射验证试验。试验结果表明,耗散能突变与可释放弹性应变能突变所构成的区间可描述充填体的预警状态,将其定义为预警区间。不同灰砂比充填体预警区间唯一,模型具有较好的灵活性及普适性。以振铃计数率等认可度高的声发射特征参数的前兆特征对得出的预警区间的合理性进行验证,验证结果表明,根据模型求出的预警区间与声发射参数的前兆特征所处时间高度一致,进一步验证了该方法的合理性及普适性,可为充填体的失稳预警研究提供一种新的思路。

充填体声发射分形特征及损伤演化试验研究

为探究不同配比胶结充填体声发射分形特征与损伤演化间的耦合关系,量化分析充填体损伤度,本文开展了胶结充填体试样的单轴压缩声发射试验。通过比对剖析声发射信号分形特征,归纳出各配比充填体的破坏形式,并拟合各破坏类型充填体的声发射累计能率曲线,推导其与应变的耦合关系,借助连续损伤力学及数理统计理论建立基于累计声发射能率的损伤本构方程,并对其进行验证。研究表明,充填体的声发射特征与应力一应变力学响应具有密切联系,其损伤破坏都是从整体无序逐渐向局部有序发展的。随着灰砂比不断减小,充填体的破坏模式逐渐从脆性向延性转化发展。通过试验验证,不同破坏类型充填体分别建立的损伤本构方程准确度较高,可实现充填体的损伤量化计算。