木材损伤断裂过程的声发射特性与Felicity效应

以2种针叶材、2种阔叶材为试材,研究无缺陷试件和含横纹裂纹试件在弯曲破坏过程中材料内部微结构演化的声发射特性,并利用声发射特征参数对几种损伤类型进行辨识。结果表明:1)无缺陷试件在加载初期声发射事件发展较为缓慢,且出现的主要是一些低振幅的AE信号,而大量高振幅AE信号出现在峰值载荷附近及韧性断裂阶段;2)利用声发射监测含裂纹试件在三点弯曲载荷下的损伤并断裂全过程,可以明显地识别裂纹尖端启裂和扩展的不同阶段;3)声发射信号的特征与损伤模式有关,胞壁断裂对应的AE特征为高幅值、高能量及长持续时间,而胞壁界面损伤与层裂损伤和细胞屈服与压溃损伤对应的AE特征为低幅度、低能量及短持续时间;4)木试件在低载荷水平下呈现Kaiser效应,而在高载荷水平下呈现Felicity效应,应用Felicity比能够较好地反映木结构的损伤程度。

等幅循环加载与分级循环加载下砂岩声发射Felicity效应试验研究

利用MTS815材料试验机和12 CHs PCI-2声发射信号采集系统,对砂岩在等幅循环加载和分级循环加载条件下损伤破坏全过程的声发射规律进行了研究,探讨了Kaiser效应与Felicity效应,以及Felicity效应声发射中"明显增多"的尺度界定问题。试验结果显示:砂岩在试验中的Kai-ser效应显著,但有一定的局限性;当加载达到或超过其峰值强度的70%后,砂岩应力记忆特性中Felicity效应表现显著,Felicity比的演化显示出3个阶段特征,且总体呈下降的趋势;只要声发射"明显增多"的尺度范围设定合理,则对Felicity比的演化趋势没有影响。

混凝土声发射Felicity效应实验验证与理论分析

通过对混凝土试块的循环加载声发射实验,验证了混凝土材料声发射特征的Kaiser效应和Kaiser效应记忆应力能力的Felicity效应。基于统计损伤力学理论,对Felicity效应产生的原因进行了理论分析,建立了引入声发射参量的脆性材料循环加载条件下的本构模型,本构方程曲线与实验曲线有较好吻合。理论分析和实验结果表明:混凝土在循环加载中声发射特征有明显的Felicity效应,而且应力水平越高,Felicity效应越显著;应变FR值比应力FR值更接近于1。

永川煤矿T_3xj^4砂岩声发射特性及Felicity效应研究

在单轴和循环加载条件下对永川煤矿砂岩损伤破坏全过程的声发射特性进行了系统研究,结果表明:砂岩声发射类型与MOGI-I相似,应力应变全过程曲线对应的Kaiser点、屈服点及峰值点处声发射信号明显;随着循环加载水平的增加,不同轴向应力和轴向应变阶段对应的Felicity效应比值越来越小,反映了岩石损伤程度的增加。

碳/环氧复合材料拉伸损伤声发射Felicity效应研究

为研究碳/环氧复合材料的Felicity效应,制定了碳/环氧复合材料[0]单向板拉伸试验方案,结合试验数据探讨了复合材料的Felicity比值变化规律。结果表明,复合材料的Felicity比值随损伤程度的增加呈下降趋势,说明利用Felicity比值可以较有效地评定复合材料损伤程度。

中央带裂缝混凝土循环拉伸断裂试验Felicity效应

混凝土的声发射特性是其在受载过程中的伴生现象,具有对应力或应变历史的记忆性,可以利用声发射记忆性评价混凝土结构损伤历史。通过中央带裂缝混凝土试件循环拉伸断裂试验,分析了不同声发射参量与循环荷载历程之间的关系,建立了循环拉伸状态下混凝土声发射损伤模式,揭示了初始裂缝宽度对Felicity比的影响规律。结果表明,动态轴向循环荷载作用下,随着初始预制裂缝宽度的增加,混凝土棱柱体试件Felicity比逐渐增大。主要试验成果为采用声发射记忆性来评判混凝土的损伤历史提供了一种新的方法。

砂岩在循环荷载作用下的Felicity效应研究

通过不同循环载荷水平作用下对砂岩变形特征的试验研究,探讨了砂岩在循环载荷作用下的状态参数、物性参数和声发射信息规律。试验结果表明:(1)砂岩在不同加、卸载阶段所产生的应变变化量不断增加,即随着加载水平的提高塑形变形加大;(2)砂岩在闭合阶段同样产生明显的声发射效应,而在卸载阶段未发现声发射现象;(3)砂岩在反复加、卸载过程中产生明显的Felicity效应;在每个应力水平下Felicity比不一样,应力水平越低,Felicity效应越明显,随着应力水平的增加,砂岩的各个物性和状态参数的Felicity效应有不断增大的趋势。

孔隙水压对分级循环加载灰岩声发射Felicity效应的影响

利用渗透-应力耦合试验装置不同孔隙水压下的灰岩试样进行了单轴压缩和分级循环加载试验,探讨了孔隙水压对分级循环加载的灰岩强度特征和Felicity效应的影响,并基于Felicity比变化路径分析了灰岩变形特征.结果表明,孔隙水压对应力-应变曲线有显著影响,软化作用导致压密阶段延长而弹性阶段相对缩短,其峰值应力呈指数衰减.随孔隙水压增加,平均循环峰值应力和循环寿命均为指数衰减,疲劳破坏“门槛值”为峰值应力的67.50%~78.75%,疲劳曲线近似线性减小.每级循环加载声发射的“活跃-平静”期的阶段分界点为上限应力.随孔隙水压增大,Felicity比的变化路径明显缩短且随循环次数近似线性减小,其变化系数与孔隙水压为二次函数关系.Felicity比的稳定阶段预示着发生疲劳破坏,最小Felicity比随孔隙水压呈线性减小.

基于Felicity效应的砂岩损伤特性的试验研究

通过对砂岩试样进行冻融循环试验和冻融作用后岩石的单轴循环加卸载下的声发射试验,获取了岩石的抗冻性指标以及在各次冻融循环作用后砂岩试件的加卸载荷载、振铃计数与时间的关系,分析了岩石的抗冻性特点,重点对比了砂岩试件的Felicity比与岩石损伤的关系。研究结果表明:经历不同冻融循环次数砂岩试样的强度和质量均有所减小,体现了岩石试件冻融损伤由表及里的过程。冻融损伤砂岩试样在加卸载阶段都有明显的振铃计数产生,具有明显的Felicity效应。不同冻融循环次数下砂岩试样的Felicity比均小于1,且Felicity比随冻融循环次数的增加呈现不断减小的趋势,表明冻融循环次数的增加使砂岩内部具有的原始损伤加剧,Felicity比越来越小。随着循环加载次数的不断增加,砂岩试样的Felicity比整体呈现下降趋势,说明Felicity比可以同时反映出冻融作用和疲劳荷载对砂岩产生的损伤,该成果可为寒区岩体工程稳定性监测分析提供试验依据。

反复加卸荷作用下两种岩石的变形与声发射特征研究

【目的】为了研究反复加卸荷作用下不同类型围岩在隧道施工及运营过程中的变形与破坏特征。【方法】选取花岗岩和砂岩试样进行等荷载反复加卸荷试验。【结果】研究结果表明:当应力水平低于裂缝损伤应力时,滞回曲线在循环过程中由疏至密;当应力水平高于裂缝损伤应力时,滞回曲线并不会表现出明显的密集特征;当应力水平低于裂缝损伤应力时,在第一次加卸载过程中损伤已基本形成,花岗岩发生的声发射事件有限,而砂岩声发射事件稀少,并在后续循环累积过程中损伤明显减少;当应力水平超过裂缝损伤应力时,两种岩石在循环加卸荷过程中会逐次产生明显的损伤,且应力水平超过裂缝损伤应力越高,损伤增长速度越快。【结论】循环荷载的增大会促进花岗岩内部裂纹的扩展,导致声发射事件变得活跃,而砂岩只有在应力水平提高至93%时,声发射事件才表现出明显间歇性增长规律。

加载路径和饱和度对砂岩电阻和声发射响应特征的影响

岩石破坏过程的声发射监测常存在信号平静期,给岩石的破坏失稳预警带来极大的困难。为了研究利用电阻监测声发射平静期内岩石损伤发展的可行性,本文对干燥和含水饱和度为40%、70%和100%的砂岩岩样分别开展单轴加载、分级加载和增幅循环加卸载试验,研究加载路径和饱和度对砂岩电阻和声发射响应特征的影响。结果表明,饱和度的增加不仅会显著降低砂岩的强度,还会削弱声发射信号的活跃度。随着饱和度的增加,声发射平静期也逐渐增加,在加载-卸载条件下尤为明显。此外,在含水砂岩的增幅循环加载-卸载试验中声发射出现了Felicity效应。电阻的变化与岩石内部损伤发展具有很好的对应关系,可以有效反映声发射平静期内干燥和含水砂岩内部亚临界裂纹随时间的发展。

不同应力路径下大理岩声发射特性试验研究

利用TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机和德国VallenAMSY-6声发射信号采集系统,对大理岩在单轴压缩、等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下损伤破坏全过程的声发射特性进行研究,并用快速傅里叶转换(FFT)对单轴压缩试验全过程的声发射信号、循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的声发射信号频谱特性进行了分析。试验结果表明:单轴压缩试验过程中,声发射主频带主要位于两个区域——低于200 kHz区间和300 kHz附近,并且随着加载应力的增加,主频由低频向高频转移,主频幅值总体呈下降趋势;提出一个新的反映声发射波形信息的指标——次主比α,并指出单轴压缩过程中次主比呈上升趋势。分级循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的主频变化不明显,Felicity点的次主比总体大于Kaiser点;采用第2次循环中与首循环峰值应力等值应力点的AE数作为Kaiser效应中"明显增多"的尺度能够观察到明显的Felicity效应。

花岗岩破裂过程中声波与声发射变化特征试验研究

采用声波、声发射一体化监测装置研究了单轴加载及循环荷载作用下花岗岩波速和声发射变化特征。研究结果表明:1加载初期,岩石内部微裂纹受力闭合,纵波、横波波速显著增加,而声发射事件数量极少;加载中期,岩石处于线弹性变形阶段,纵波、横波波速缓慢增加后保持稳定,声发射事件少量产生,约占声发射事件总量的9.44%;加载后期,岩石处于破裂损伤阶段,裂纹开始萌生,拓展,岩石纵波波速呈现略微下降趋势,而横波波速明显降低,声发射活动剧烈,约占声发射事件总量的50.63%。峰值应力之后,花岗岩横波波速开始急剧下降,而纵波波速缓慢降低,声发射活动依然活跃。2由于岩石的内部损伤需要积蓄一定能量才会形成,因此声发射活动呈现"相对平静、间隔突发"的规律,"相对平静期"最明显的时段位于峰值应力之前。3循环加卸载条件下,岩石的波速和声发射变化特征与应力状态表现出良好的一致性。统计分析声发射事件数量随应力的变化规律,论证了岩石的Felicity效应;比较分析加载过程中的Felicity比变化,证明了岩体的累积损伤。

三轴循环加卸载作用下煤样的声发射特征

利用RMT-150B岩石力学试验机对煤样进行常规三轴、三轴循环加卸载作用下声发射试验,对不同加载条件下煤样的声发射特征进行分析。分析结果表明:在常规三轴压缩过程中声发射能量、累计计数和累计能量随时间变化趋势基本一致,均能较好反映煤样内部的破坏过程;在煤样循环加卸载过程间隔出现声发射信息,其能量、计数和幅值变化趋势一致,与煤样所受应力相吻合;煤样在常规三轴和循环加卸载破坏过程中声发射突变点在峰值应力的85%左右,可以作为判定煤样破坏的前兆;在循环加卸载过程中Felicity效应较明显,Felicity比值FR远小于1,随着循环应力水平提高,FR值不断降低,表明循环加卸载过程中声发射记忆具有超前特征,Kaiser效应的记忆效果较差,Kaiser效应作为煤体稳定性指标需谨慎。

混凝土轴心受拉声发射Kaiser效应试验研究

通过对48个试件进行轴拉声发射试验,研究混凝土试件在往复循环拉伸加载条件下Kaiser效应的有效性及其应力范围,探讨混凝土材料中Kaiser效应与Felicity效应的关系,并就Kaiser效应的影响因素进行系统全面的分析。结果表明:混凝土在轴心受拉试验中存在明显的Kaiser效应,其存在的机理是混凝土材料损伤不可逆的结果。Kaiser效应存在的应力上限值约为极限抗拉强度的80%。Felicity比随着相对应力水平的提高而单调下降,当达到较高的应力水平后,Felicity比迅速下降,Kaiser效应衰退,出现Felicity效应。加载速率对混凝土轴拉声发射Kaiser效应基本没有影响;而加载制度、应力水平、卸载后放置的时间以及干湿条件等对混凝土轴拉声发射Kaiser效应产生较大的影响。研究结果为应用声发射技术探讨混凝土拉伸破坏机理奠定基础,同时也为Kaiser效应的工程实际应用提供参考。

大理岩单轴循环加卸载破坏声发射先兆信息研究

工程施工中岩体常常处于循环荷载作用下,对循环荷载作用下岩石破坏的预测研究具有重要现实意义。以云南白色大理岩为研究对象,设置了两种不同循环应力路径,研究了大理岩在循环加卸荷下的声发射特征,研究结果表明:大理岩在循环前期阶段卸载过程没有明显声发射产生,声发射出现了间歇期。两种应力路径下,声发射Felicity比值变化趋于一致,均随着循环的进行应力水平的提高而降低,恒定应力下限条件下的Felicity比值较恒定应力上下限差值方案要低,表明恒定应力下限条件加卸载对岩石的损伤更为严重。整个循环过程中大理岩的声发射b值可以为3个阶段,在应力水平较低时,声发射b值随着应力的提高而降低,之后b值在一定范围内波动变化,表明岩石内裂纹稳定发育,在岩石的破坏阶段,b值出现小幅度升高。岩石单个循环声发射b值呈现V形变化趋势,在岩石即将破坏时b值出现大幅度的波动变化。将Felicity比值、整个循环过程b值和单个循环声发射b值结合使用可以提高预测岩石破坏的准确性。

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。

岩石受载记忆的声发射实验研究

在刚性试验机上,对花岗岩试样进行了单轴循环加载试验,分析了试验过程中试样的状态参数、物性参数及声发射(AE)信息的变化规律,得到了四个不同循环加载阶段应力、应变及损伤因子与AE事件累计数的关系,并以Felicity比评判各参数对Kaiser效应值记忆的准确性和稳定性。结果表明:岩石试样的物性参数(应变、损伤因子)对Kaiser效应值记忆的准确程度和稳定程度均好于状态参数(应力),岩石材料在受压变形过程中产生的塑性变形是应力记忆能力出现Felicity效应的主要原因。

循环加卸载下花岗岩非均匀变形演化的声发射特征试验研究

为了研究岩石材料在循环加卸载过程中的声发射特征与非均匀变形的对应关系,开展了花岗岩试件单轴循环加卸载试验。利用声发射系统和CCD相机分别对试样变形破坏过程中的声发射信号和试件表面的变形图像进行采集,结合数字散斑相关方法,对试件非均匀变形演化过程中的声发射特性进行研究。研究结果发现:每次循环加载过程中,非均匀变形的最小点皆与应力卸载的最低点相对应。而自局部化带启动后,每次循环加载过程中的非均匀变形的最大点滞后于循环加载应力的顶点。非均匀变形演化与声发射信号存在较好的对应关系,循环加载过程中非均匀变形的首次转折增大点对应声发射信号增加的起点,非均匀变形的最大点对应声发射信号平静期的起点。随循环次数增加,非均匀变形程度与Felicity比呈负相关关系,即非均匀变形越大,损伤程度越大,Felicity比越小。

加载速率对不同岩性岩石Kaiser效应影响

选取3种不同岩性的岩石,进行2次不同加载速率的单轴循环加载试验,结合声发射技术,分析加载速率对Kaiser效应的影响。结果表明:若前期所承受过的最高应力水平超过损伤应力时,Kaiser效应失效,Felicity效应成立。Felicity比的变化趋势也能充分反映岩石损伤的演化过程。基于应力和其他物理力学参数的Felicity比均随着加载速率的增加呈增大趋势。加载速率对脆性岩石的Kaiser效应影响较小,对塑性软岩的Kaiser效应的影响显著。岩石内部矿物成分、含量、胶结方式和结构等差异,导致了各种岩石力学特性和声发射特征的不同。加载速率越大,岩石的峰值强度越高,累计振铃计数越小。