基于颗粒流GBM模型的花岗岩声发射相对平静期特征研究

为了研究不同晶体粒径大小对花岗岩声发射相对平静期的影响,基于颗粒流软件PFC2D构建花岗岩等效晶体模型GBM(Grain-based model,GBM)数值计算模型,通过室内试验结果对细观参数进行标定,模拟花岗岩试件单轴压缩声发射试验。分析了不同晶体粒径大小对试件应力—应变、峰值强度的影响规律,着重分析了试件破坏过程中裂纹、声发射时空演化特征及相对平静期的产生机理。同时,研究了试件声发射相对平静期前后能量变化特征及其与晶体粒径大小的关系。研究结果表明:(1)随着晶体粒径增大,试件的单轴抗压强度增大。试件破坏形式主要呈"X"型剪切和"V"型柱状劈裂。同时不同晶体粒径大小试件的微裂纹均以张拉破坏为主,且首先产生沿晶微裂纹,在声发射相对平静期起始点开始产生穿晶微裂纹。(2)试件在单轴压缩过程中,声发射在应力峰值前均出现不同程度的相对平静期,且在相对平静期前声发射产生的位置为沿晶体边界;在相对平静期起始点之后,将同时产生位于晶体内部和晶体边界的声发射。(3)声发射相对平静期内滑移能和阻尼能的变化量随着晶体粒径的增大逐渐减小。其中,由于在声发射相对平静期内声发射明显减少,岩石内部活动处于相对平静状态,因此释放的动能减少。

岩石受载破坏前兆特征--声发射平静研究

通过岩石加载室内试验方法,测试了不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到了岩石破坏全过程力学特性——岩石的全应力应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,研究了声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。研究着重讨论了一次性加载过程中非脆性破坏的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的耗时现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段。而对于脆性破坏岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的"耗时"现象,声发射的监测也没有声发射相对平静期现象。结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些问题进行了总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供了理论依据、方法和手段。

不同加载条件下岩石材料破裂过程的声发射特性研究

在刚性压力机上对岩石进行单轴全过程加载和加卸载试验,测试岩石材料在不同加载条件下受力变形过程的应力–应变、应力–时间–声发射事件累计值、应力–时间–声发射事件率关系曲线。在试验结果的基础上,分析了加载时岩石全过程声发射特性、加卸载时岩石在卸载和重复加载时的声发射特性。试验表明:在不同的应力水平进行人为卸载时在卸载过程中岩石都会产生明显的声发射;在应力水平低于峰值强度的50%时卸载后的重复加载过程中,在未达到前次加载应力水平之前时岩样的声发射事件数很少(事件率很小)或不产生声发射,即出现典型的Kaiser效应现象;而在超过60%峰值强度的应力水平卸载后的重复加载过程中则出现明显的声发射现象,即出现所谓的Felicity现象;在加载和加卸载试验中,岩石峰后破坏过程中都产生大量的声发射事件。试验还表明,对于具有中压突增型声发射特性的岩样,都有峰值前出现声发射相对平静期现象的特点。

基于裂纹损伤应力及声发射数的卸载点判断

岩爆倾向性指数Wet是广泛应用于评价岩石岩爆倾向性的指标。但是,由于试验过程中卸载点难以判断,使得试验结果往往存在较大偏差。目前,通常认为裂纹损伤应力和声发射相对平静期对应的初始应力均接近岩石的峰值强度,可以作为卸载点。但是哪种方法的效果更优尚不明确。通过对花岗岩进行单轴加载试验,在试验时同时监测岩样的应力-应变关系曲线及声发射数,发现裂纹损伤应力与声发射相对平静期对应的初始应力相接近,且二者均接近岩石的峰值强度。因而在试验机无法自动显示和监测裂纹损伤应力时,可以通过声发射监测,将声发射相对平静期对应的初始应力作为卸载点。同时,由工程实例表明,将声发射相对平静期对应的初始应力作为卸载点,其按岩爆倾向指数Wet计算所得的岩爆倾向性结论与现场实际监测所得的结论相符。

增量循环加卸载下岩石峰值强度前声发射特性试验研究

为了研究岩石峰值强度前声发射前兆特性、加卸载过程的声发射特性,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用,采用花岗闪长岩、角岩、矽卡岩、铜矿、钨钼矿和铅锌矿共6种岩石分别开展单轴压缩、增量循环加卸载和增量稳压循环加卸载3种不同加载方式的试验,主要对岩样峰值强度前声发射相对平静期、卸载过程的声发射特性、对2种不同循环加卸载方式下的Felicity比以及加卸载响应比的变化情况进行研究。试验结果表明,3种加载方式下部分岩样始终存在"相对平静期"现象,多种岩样的AE事件峰值频率在破坏前总是低频成分显著增加,且越接近破坏,大振幅AE事件就越多。在2种不同循环加卸载方式下,当应力水平达到峰值强度的50%～60%时,Kaiser效应逐渐消失,Felicity效应出现。Felicity比和加卸载响应比在低应力水平阶段均大于1,进入中等应力水平阶段后在1附近波动,但相对比较稳定;进入较高应力水平以后,岩石内部裂纹不稳定扩展,Felicity比逐渐减小,到0.64～0.89时,试样破坏。试验表明,相对平静期、Felicity比和加卸载响应比等可作为预测或判断岩石失稳破坏的参考依据。

不同体积非均质度类岩石材料声发射特征试验研究

为研究体积非均质度对类岩石材料声发射特性的影响,对4组不同粒径的类岩石材料进行了单轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的力学特性与声发射特征。试验分析表明:随着体积非均质度的增大,试样的单轴抗压强度逐渐减小;体积非均质度越小,试件加载初期产生的声发射振铃计数越多,峰值应力处出现的声发射累计振铃计数也越多。临界破坏时,4组试件中均出现明显的声发射相对平静期,利用这一现象能较好地对材料破坏前兆进行预判。