砂岩破坏声发射临界慢化前兆特征试验研究

通过对砂岩岩石试样开展单轴加载压缩下的声发射试验,测试岩石试样在单轴多级加载条件下受力变形全过程的声发射参数,建立时间-荷载-声发射参数关系曲线,分析岩石变形破坏全过程的声发射特征及变化情况,对岩石变形破坏过程声发射特征的自相关系数和方差变异性进行深入分析,揭示岩石变形破坏的临界慢化现象,探索岩石临界破坏的声发射前兆表征。研究结果表明:(1)岩石在逐级加载过程中产生明显的声发射现象,声发射振铃计数随着加载级数增加越来越高,在岩石试样破坏时刻达到最高;(2)利用声发射RA(上升时间/峰值幅度)与AF(平均频率)特征分析,岩石试样在整个过程中以张拉破裂为主,加载后期剪切破裂逐步增多;(3)通过声发射振铃计数率、上升时间、峰值频率、RA主要特征时间序列的方差和自相关分析,发现其分析结果均在岩石破坏前存在突变性,即表明出明显的临界慢化现象,可作为岩石破坏灾变的前兆特征;(4)峰值频率和RA的方差变异可作为岩石损伤破坏的关键前兆指标。鉴于此,将临界慢化现象分析用于脆性岩石破坏过程的研究,对深入认识岩石临界破坏状态和灾变前兆具有非常重要的科学价值和实用意义。

基于3D-DIC的砂岩裂纹扩展及损伤监测试验研究

裂纹监测对岩石损伤演化的认识至关重要。为研究岩石裂纹扩展及损伤变形特性,开展了含不同倾角(0°~90°)预制裂隙的标准细黄砂岩样的单轴压缩试验。利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)获取岩样三维空间坐标下的应变分布,并结合声发射从光学与声学的角度监测了裂纹的扩展演化。由此提出了一种裂纹主应变的计算方法,定量表征岩石劣化的损伤变量D值。最后,探讨了由声发射与损伤变量D值确定岩样特征强度的影响因素。结论如下:(1)裂纹主应变反映了岩样受荷过程中同源裂纹在时间上的变化速率与空间上的扩展趋势,能较好地表征岩石的开裂行为;(2)声发射适用于确定岩样的起裂应力,不适用于损伤应力的确定,损伤变量D值所确定的起裂应力滞后于声发射,但适用于损伤应力特征值的确定;(3)结合声发射与DIC技术确定的归一化起裂应力范围为0.63~0.94、归一化损伤应力的范围为0.83~0.99;(4)预有裂隙会影响岩石的材料力学性能。随着倾角的增加,岩石的起裂应力、损伤应力及峰值应力呈增长的趋势,由于难以形成局部应变场聚集,裂纹的萌生与起裂更加困难。结果表明,3D-DIC技术的利用可以提高对岩石开裂行为的理解,对岩石的损伤监测与判识更有重要的意义。

基于数字图像相关和声发射的岩质锁固段破坏试验研究

针对突发性强、隐蔽性强、监测预警难的锁固段型岩质滑坡,开展了对该类滑坡稳定性起关键控制作用的“锁固段”物理模型试验研究。首先,构建“三段式”锁固段均质物理模型,采用声发射(acoustic emission,AE)和数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)捕获锁固段模型变形破坏全过程的微破裂事件AE信号和高清数字图像。其次,结合声发射b值统计分析和DIC数字图像微应变定量分析锁固段表面裂纹的萌生、扩展和演化,查明锁固段损伤破裂的时空演化规律。最后,采用高斯混合模型(gaussian mixture model,GMM)对锁固段微破裂模式进行非监督聚类分析,并采用支持向量机(support vector machines,SVM)建立微破裂模式分类依据。结果表明:锁固段变形破坏过程的声发射b值曲线具有明显的阶段性,且有明显的破坏前兆特征;内部微破裂的孕育发展到一定阶段出现大裂纹扩展,释放频率更低、幅度更大的高能量信号,可作为其破坏前兆;声发射信号蕴含破裂的丰富信息,GMM可实现微破裂机制(张拉和剪切)的分类,具备高RA(上升时间/振幅)和低AF(平均频率)特征的剪切破裂声发射信号的高频出现也可作为其破坏前兆。

基于临界慢化理论的细砂岩破坏前兆试验研究

为探究单轴荷载作用下含预制裂隙细砂岩的临界慢化特征与失稳前兆,利用MTS加载系统对不同预制裂隙角度的细砂岩开展单轴加载和同步声发射(Acoustic Emission,AE)探测试验,基于临界慢化理论方法对岩石试验损伤破坏过程的声发射特征参数(RA/AF、持续时间、上升时间)进行系统分析,研究结果表明:(1)在单轴加载条件下,当含预制裂隙的细砂岩石从损伤破裂相态转向失稳破坏相态时,会出现分散涨落现象,即呈现明显的临界慢化现象,表现为方差和自相关系数的骤然增大。(2)窗口长度和滞后步长对方差的前兆特征出现时间没有明显影响,而对自相关系数的波动性有较大影响,当窗口长度和滞后步长较小时,自相关系数波动较大;当窗口长度和滞后步长较大时,自相关系数波动较小。(3)声发射RA/AF值、持续时间、上升时间的方差和自相关系数前兆信号突变时间相同,波形起伏相似,且出现在新的微裂纹萌生的不可逆塑性变形阶段,故声发射RA/AF、持续时间、上升时间的方差和自相关系数增大可作为失稳前兆特征信息。(4)自相关系数相比方差而言波动较大,因此可将方差作为岩石损伤破坏向失稳破坏转变的主要判据,自相关系数作为辅助判据。研究成果可对滑坡、崩塌、采矿、隧道等突发性强、外部变形不明显的岩质脆性破坏的短临监测预警提供重要参考。