单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究_李庶林
不同含水率红砂岩单轴压缩试验声发射特征研究
不同含水率红砂岩单轴压缩试验声发射特征研究文圣勇，韩立军，宗义江，孟庆彬，张建（中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州）摘要：利用微机控制电液伺服岩石三轴试验机，分别对不同含水率砂岩进行常规单轴压缩试验，加载过程中同时进行声发射( AE)检测，得到４种不同含水率试样全应力-应变曲线、声发射振铃数和累计振铃数曲线。
结果表明：水对砂岩的力学特性和声发射特征有较大影响；峰值前不同含水率试样应力-应变曲线无明显屈服特征，而应力与声发射累计振铃数曲线有明显的台阶出现；岩样声发射振铃数在加载过程中基本呈递增趋势，越接近后期增加越明显，峰值处声发射振铃数达到最大，声发射累计振铃数以近乎直线方式增长；峰值后应力与声发射振铃数同时减小。
含水率越高，砂岩声发射振铃数越少且越滞后，但各种试样所得声发射累计振铃数曲线在形状上相似。
关键词:红砂岩;含水率;单轴试验;声发射;声发射振铃数0引言声发射(Acoustic Emission，AE)是通过察听受荷岩石内的发声来探测其内部状态和力学特性的一种方法。
当岩石受载荷产生变形时，岩石中原有的或新生的裂缝周围区域出现应力集中，应变能增高。
当载荷增大到一定数量级时，原有微裂纹尖端附近区域出现了微观变形或屈服，裂纹扩展，从而使得应力迟滞，岩石中所储藏能量的一部分以弹性波(声波)的形式释放出来，这就是声发射现象[1]。
声发射是研究脆性材料内部失稳破裂演化过程的一个常用工具，因为它能连续、实时地监测在载荷作用下脆性材料内部微裂纹的产生和扩展过程，并可对破坏位置进行定位，这是其他试验方法所不具有的特点，己被广泛应用于研究岩石、混凝土等材料的破裂失稳机理，并取得了很多成果[2-10]。
文献[10 ]在周期性循环载荷作用下，通过改变应力幅度和加载速率对细粒砂岩进行了声发射试验研究;Jansen 等[12]应用声发射技术研究了岩石破裂过程中，随时间变化的三维微裂纹分布，描述了岩石的损伤累积、裂纹成核以及宏观裂纹扩展的过程;赵兴东等回针对不同岩石声发射活动特性进行了研究，反映了岩石声发射与其自身属性的关系。
岩石声发射特性研究综述
岩石声发射特性研究综述岩石声发射（Acoustic Emission，AE）是指在材料受到外部应力作用时，产生的微小弹性波信号。
岩石声发射技术已经在地质工程、地震研究和岩石力学等领域得到广泛应用。
本文将综述岩石声发射特性的研究进展，包括岩石声发射监测技术、声发射源机制及其特性分析、声发射参数的计算和分析方法等。
岩石声发射监测技术是岩石声发射研究的基础，包括传感器选择和布置、信号处理以及数据记录等。
传感器的选择和布置对声发射信号的采集和分析至关重要。
一般来说，使用压电传感器作为接收器是常见的选择，其能够高效地接收声发射信号。
而传感器的布置则应尽可能均匀地覆盖监测区域。
此外，在声发射信号的采集过程中，还需要进行有效的信号处理和数据记录，以实现有效的数据分析和后续计算。
声发射源的机制及其特性分析是岩石声发射研究的核心内容之一、声发射源可以分为几类，包括裂纹扩展、颗粒破裂和岩石变形等。
裂纹扩展是最常见的声发射源，它通常是由于外部应力作用下岩石内部的微裂纹扩展导致的。
颗粒破裂通常发生在岩石或土壤中的颗粒间隙处，它可以被视为一种弹性波波导效应。
而岩石变形则是由于岩石的弹性和塑性变形引起的。
以上各类声发射源均有其特定的声发射信号特征，可以通过信号分析方法进行辨识和解析。
声发射参数的计算和分析方法是岩石声发射研究的重要内容。
声发射事件的分析通常包括声发射数量、声发射能量和声发射位置等参数的计算和分析。
声发射数量是指在一定时间内发生的声发射事件数目，它可以反映岩石的破裂活动程度。
声发射能量则是指声发射事件产生的能量，它可以分析岩石的破裂强度和能量释放模式。
而声发射位置则是指声发射事件产生的位置，它可以揭示岩石内部的破裂过程和扩展方向。
通过对这些参数的计算和分析，可以深入了解岩石的力学行为和破裂机制。
综上所述，岩石声发射特性研究涉及到岩石声发射监测技术、声发射源机制及其特性分析以及声发射参数的计算和分析方法等多个方面。
岩石常规三轴峰后加卸载变形破坏声发射规律研究
岩石常规三轴峰后加卸载变形破坏声发射规律研究岩石材料在发生断裂破坏过程中必然会产生声发射现象。
声发射现象是岩石内部裂纹形成、发展,直至岩石破坏的表征现象,对矿山地质灾害的发生过程具有指示作用。
目前,对岩石声发射研究主要集中在岩石单轴实验、常规三轴峰前试验等,而对岩石破坏进入峰后阶段的声发射特性研究较少。
然而,在实际工程中,采掘工作面周围岩体是经历构造运动产生破坏后重新形成的平衡状态,这种状态从工程的角度来看,类似于室内试验岩样峰后阶段,采掘过程对围岩体的力学作用就是一个加卸载过程。
因此,岩石峰后加卸载声发射特性试验研究对分析围压稳定、预防地质灾害具有重要意义。
本文重点研究岩石峰后加卸载围压条件下,岩石力学性质与声发射特征之间的内在关系,为建立基于岩体峰后声发射特性为基础的矿山地质灾害预报分析奠定基础。
此次试验主要的研究内容及结论如下:(1)在常规三轴压缩岩石变形破坏声发射试验过程中,试件在达到裂纹启裂强度后,出现相对较多的声发射现象,但在启裂强度前,声发射现象相对较少;在试件强度达到其损伤强度σcd后,声发射现象开始趋于活跃。
在达到峰值强度前,出现声发射平静期,标志着试件即将发生破坏。
在试件达到残余强度后,出现声发射现象相对减少,声发射累计振铃计数整体趋势下降,累计振铃计数曲线斜率趋近于零。
(2)在常规三轴残余阶段直接卸围压声发射试验过程中,卸围压之前(即残余阶段),声发射现象相对较少,但开始卸围压一段时间之后,声发射现象开始趋于活跃,所释放出来的振铃计数和能量大幅度增加,并且在卸围压的过程中,随着围压的减小,试件释放出来声发射信号就越多,累计振铃计数曲线斜率的越大。
(3)随着围压的增大,损伤强度σcd、峰值强度等力学参数以及幅值、最大振铃计数、能量计数率等声发射参数都有随之增大的趋势,并且围压越高,试件内部所储存的能量也就越大,在卸围压过程中所释放的能量也就越大。
(4)对于常规三轴残余阶段的加卸载试验中,无论是循环加卸载还是分级卸载一次加载,加载过程与卸载过程具有相似的声发射特征。
单轴加载下砂岩声发射特征的试验分析
白云岩单轴压缩试验声发射特性研究
ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｃ ｋ ｗ ｅ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ．Ｓ ｏ ｍｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｓ ｈ ｏ ｗ ｎ ： （ １ ）Ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ，
第 ９卷 第 １ ０期 ２ ０ １ ３年 １ ０月
中 国 安 全 生 产 科 学 技 术
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖｏ １ ． ９ Ｎｏ ． １ ０
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ ａ ｃ ｏ ｕｓ ｔ ｉ ｃ ｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｄｏ ｌ ｏ ｍｉ ｔ ｅ ｓ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｕ ｎｉ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｃ ｏ ｍ ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｓ ｔ
Ｏｅ ｔ ．２ ０１ ３
文章 编 号 ：１ ６ ７ ３—１ ９ ３ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） 一１ ０— ０ ０ １ ０— ０ ５
白云岩 单 轴压 缩试 验 声 发 射 特 性 研 究
黎 昕， 周 宗红 ， 金 小川 ， 章雅琦
（ 昆明理 工大学 国土资源工程学院 ， 云南 昆明 ６ ５ ０ ０ ９ ３ ）
岩石发生破坏直至彻底破坏 阶段 ， Ａ Ｅ现象明显增加 ， 这 个先 平静后剧增 的过程 可以作 为预报岩爆
发生 的一种警示信 号 ； （ ３ ） 大多数岩样都在 Ａ Ｅ能量达 到最大时发生彻底破坏 。
基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究
Series No.386 Augest 2008 金 属 矿 山MET AL M I N E总第386期2008年第8期3国家863计划专题课题(编号:2007AA06Z107),教育部新世纪优秀人才支持计划(编号:NCET-07-0163),中科院岩土力学重点实验室开放基金(编号:Z110607)。
张省军(1967—),男,东北大学资源与土木工程学院,博士研究生,110004沈阳市和平区文化路三巷11号东北大学265信箱。
・地质与测量・基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究3张省军1,2 刘建坡1,3 石长岩1 李元辉1 赵兴东1 杨宇江1(1.东北大学;2.济南钢城矿业有限公司;31中国科学院岩土力学重点实验室)摘 要 在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。
选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。
结果表明:在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。
这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。
关键词 岩石力学 声发射 岩石破坏 b值 能量释放率Study on Precursory Character isti cs of Rock Fa ilure Ba sed on Acousti c Em issi on Exper i m en tZhang Shengjun1,2 L iu J ianpo1,3 Shi Changyan1 L i Yuanhui1 Zhao Xingdong1 Yang Yujiang1(1.N ortheastern U niversity;2.J inan Gangcheng CopperM ine Co.;3.Keylaboratory of Rock and Soil M echanics,Chinese A cade m y of Scioence.)Abstract Experi m ents on acoustic e m issi on(AE)characteristics of comp lete r ock failure p r ocess are carried out un2 der uniaxial l oading.The stress2strain curve,the relati on bet w een AE characteristics and ti m e are obtained.The relati on of the ti m e with cu mulative AE events,AE energy release rate,and the b2value of the relati on bet w een the magnitude and fre2 quency are selected t o study the p recurs ory characteristics of r ock failure.The results show that during the initial l oading phase,AE events are very fe w and its cu mulative nu mber rap idly increases at the late phase of the r ock elastic defor mati on and at the p lastic phase;the AE energy keep s a l ow release rate f or a l ong ti m e during the r ock fracturing p r ocess but exhib2 its an evident release just bef ore the r ock failure.Before the r ock instability failure,b2value will dr op quickly,with that of most r ock samp les reaching the l owest value before the r ock failure,These p recurs ory characteristics are significant for the field app licati on of AE monit oring and forecasting technol ogy s o as t o i m p r ove the accuracy of in2situ r ock mass monit oring and f orecast.Keywords Rock mechanics,Acoustic e m issi on(AE),Rock failure,b2value,AE energy release rate 对于脆性岩石材料而言,岩石的破坏过程与其内部微裂纹演化过程是一致的,岩石破裂主要表现为其内部的微裂纹的初始、扩展。
岩石压缩破坏声发射时序特征研究
岩石压缩破 坏 过 程 中 的声 发射 特 性。试 验结 果 见 图
１ 图 ２ 图 ３ 、 及 。
岩石单 轴 压 缩 条 件 下 声 发 射 试 验 的加 载 采 用 Ｍ Ｓ １ ．３电液伺 服岩石试验 系统。加载过 程采 用位 Ｔ ８ ５０ 移控 制方 式 ， ０ １ ｍ／ 以 ．ｍ ｓ的速度 加载 直到试件 破坏 且
图 ２ 砂岩试样单轴压缩声发射试验结果
本 文采 用声 发射 能 量计数 率 （ 简称 能 率 ） 分析 来
３ 岩 石压 缩破 坏过 程的 声发 射特征 分析 ３ １ 岩 石压缩 变形破 坏 演 化过程 的声发 射分 析 ．
｝收稿 日期：０ ｉ一 ９－０ ２１ ０ ５
顺槽 顶板出现大量 裂缝 ， 因此 ， 在钙 长石含量较 高 的巷
５ 应 用 效 果
围岩 ， 防止其风化和遇水膨胀 ； 在不便于封 闭围岩 的工 作面顺槽 ， 采取措施增强顶板 的完整性 ， 大锚杆 和锚 增 索 的预应力 ， 由原先 １０ ｍ 提高 到 ２ ０ ｍ、 ０Ｎ ０ Ｎ 钢筋 网由
原直径 ４ ｍ提高 到 ６ ｍ等措施 。 ｍ ｍ （） ２ 直接顶板为 细砂岩 ， 有较 多钙长 石的巷 道 ， 含 容易发 生脆 断破坏 ， 而导致顺槽 顶板出现 大量 裂缝 ； 从
处于平稳 的残余 变形阶段 。 声发射仪 型号 为 Ａ ４ ０ Ｅ一 ０ Ｂ型 ， 发 射 探 头采 用 声 单分量检波 器 ， 中心谐 振 频率 １０ Ｈ ， 置 放 大器 增 ２ ｋ ｚ前 益为 ４ ｄ ， ０ ｂ 主放 大 器 增 益 为 ４ ｄ ， 整 阀值 电 压 为 ０ｂ 调
１０ 设置声发射事件 间隔 为 ３Ｉ 。 ． Ｖ， ｌ ｌ ｓ 采用济宁矿区某矿的煤 、 砂岩和灰 岩为研究 对象 ， 将煤岩加工成 直径 ５ ｒ 高 １０ ｍ 的 圆柱型 标 准试 ０ ｍ、 ０ ｍ ａ
含裂隙岩石受压破坏的声发射特性研究(精)
第18卷第4期地下空间Vol.18No.4 1998年12月UNDERGROUND SPACE Dec.1998含裂隙岩石受压破坏的声发射特性研究刘东燕朱可善胡本雄(重庆建筑大学建筑工程学院(深圳市水利规划设计院[摘要]用水泥砂浆模拟含裂隙岩石试样,在刚性压力机上进行单轴压缩试验,通过声发射测试技术,分析含裂隙岩石在受压力过程中新裂纹的萌生扩展断裂破坏全过程。
得到含中心斜裂纹试样受压破坏的声发射特征,揭示了含裂隙岩石压剪断裂破坏的内在机理。
[关键词]单轴压缩试验,水泥砂浆,模拟,裂隙岩石,声发射1研究的途径岩体受力后可能的破坏方式和强度能力,主要取决于岩体的结构特征。
工程实践和实验研究表明[1]:含裂隙岩体受力后的破坏是由于裂纹尖端的应力集中,导致岩石的脆性断裂;整体的破坏特征表现为原生裂隙和自裂纹尖端萌生的新生裂纹组成的复合破裂面的串通。
为了确定含裂隙岩石的强度,变形及破坏形式,分析评价其强度质量,有必要深入研究裂隙岩石受力后裂纹尖端的破裂机理。
目前,结合岩石断裂力学的理论研究,人们对含裂隙岩石承受拉剪断裂破坏的机理研究较多,取得了很多有价值的成果[2][3]。
然而工程岩体更多是处于压剪应力状态,由于裂纹受压闭合以及裂纹尖端应力场的不同,其压剪断裂破坏机理及裂纹扩展方式都不同于拉剪应力场状态。
为了深入研究岩石压剪断裂的内在机理,以验证压剪复合断裂的强度理论,我们从研究岩石破坏过程中声能的释放出发,从另一全新角度分析岩石材料裂纹尖端压剪断裂破坏现象。
岩石大多为脆性材料,其内在裂纹的扩展表现为应变能结聚后的突然释放,并伴有较强烈的发射现象。
声发射(AE是指材料在受荷载或发生变形后内部晶格错位或微裂纹扩展过程中不断发射出高频声波的现象。
声发射频率及振铃的大小,必然随材料应力及应变的大小不同而异,特别是微裂纹的延伸总是和声能的释放密切相关。
记录下声发射事件在给定时间段的数量,以及随外力增大的变化关系,用以分析裂纹扩展对其强度的影响,也反映了含裂纹材料的破坏机理。
岩石声发射特性研究综述
岩石声发射特性研究综述声发射试验主要在岩石力学试验中应用较广，国内外开展了大量的研究。
主要包括：单轴压缩，常规三轴试验下岩石、混凝土以及煤的声发射特征；探讨和研究了应力作用下，岩石的应力应变与声发射特征的关系，分析了岩石破坏工程中的声发射频率和振幅的分布规律；利用岩石声发射对矿山、隧道、大坝以及边坡进行检测，对建筑结构、桥梁和铁塔进行动态检测和完整性评价，并取得了丰硕的成果：陶纪南等对岩石声发射的试验研究表明，岩石临近破坏前声发射相对平静，甚至会多次出现，它是岩石逐次破坏、能量逐次释放过程中暂时平衡反映。
岩石声发射信号的事件频度历时累计曲线和岩石对应的位移历时曲线都具有指数函数规律。
提出岩石声发射特征参数应根据声发射脉冲和按频率展开的振幅谱都不连续的特点定义事件额度和声发射能率。
陈忠辉等采用统计损伤力学观点推导出在围压作用下岩石应力应变本构关系理论表达式, 并探求了岩样在快速增、卸围压时的本构特性, 在此基础上, 得到了岩样在快速增、卸围压时的声发射变化特征, 结果表明: 围压作用下的岩样快速卸围压, 促使声发射突增,而在一定范围内快速增围压, 声发射并不发生, 只有增加一定的轴压后, 才会有声发射。
唐春安根据统计细观损伤力学原理和岩石声发射原理，提出了岩石的声发射与岩石的损伤具有一致性假设，即N ∝D（N为岩石的声发射数，D为岩石损伤参量），并在解析解简单模拟岩石声发射规律的基础上，提出用有限元方法研究岩石声发射规律的基本思路：首先考虑岩石单元体参数的非均匀性，假定其服从某种统计分布特征，然后采用上述基本假设，在计算过程中对每个时刻的单元破坏数进行统计，并将它作为岩石声发射数的度量，最后借助数值计算方法来研究岩石的声发射规律。
赵洪宝等研究了含瓦斯煤的声发射特征，对含瓦斯煤岩的进行常规三轴试验，发现含瓦斯煤样破坏过程中没有特别明显的声发射事件密集区和稀疏区；而声发射事件振幅比较均一，且维持在一个较小的振幅水平附近，大振幅事件的出现呈现“三峰”特性；含瓦斯煤样破坏过程中的声发射事件能量随变形的增加而逐渐变大；屈服阶段至峰值强度处之间，声发射事件能量达到最大；之后含瓦斯煤岩破坏点；含瓦斯煤样破坏过程中的声发射事件的声发射计数、事件振幅和能量变化趋势与三轴压缩曲线呈滞后对应关系。
岩石疲劳破坏过程中的变形规律及声发射特性
第23卷 第11期岩石力学与工程学报 23(11)：1810～18142004年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June ，20042002年9月5日收到初稿，2002年10月24日收到修改稿。
* 国家自然科学基金(10172057)资助项目。
作者 蒋 宇 简介：男，27岁，硕士，2000年毕业于上海交通大学建筑工程与力学学院，现任工程师，主要从事工民建设计与研究工作。
E-mail ：hljlaopia@ 。
岩石疲劳破坏过程中的变形规律及声发射特性*蒋 宇 葛修润 任建喜(上海交通大学建筑工程与力学学院 上海 200240)摘要 利用RMT-150B 岩石力学试验系统和Locan 320声发射仪，研究了循环荷载作用下岩石疲劳破坏过程中的变形规律和声发射特征，揭示了两者之间的联系。
从宏观不可逆变形和微观损伤的角度对岩石疲劳破坏过程进行了初步分析，确定了轴向变形的3阶段规律和横向变形的2阶段规律，论述了选择轴向变形作为宏观损伤参量的合理性。
关键词 岩石力学，循环荷载，疲劳，声发射分类号 TU 45 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)11-1810-05DEFORMATION RULES AND ACOUSTIC EMISSION CHARACTERISTICSOF ROCKS IN PROCESS OF FATIGUE FAILUREJiang Yu ，Ge Xiurun ，Ren Jianxi(School of Civil Engineering and Mechanics ，Shanghai Jiaotong University ，Shanghai 200030 China )Abstract Deformation rules and acoustic emission characteristics of rocks in the process of fatigue failure are studied and the relation of them is revealed using the rock mechanics test equipment named RMT-150B and Locan320 acoustic emission instrument. The elementary analysis for the process of fatigue failure of rock is carried out from the points of macroscopical irreversible deformation and microcosmic damage. In addition ，three-stage laws of axial deformation and two-stage laws of radial deformation are established and the rationality to choose axial deformation as macroscopical damage parameter is also presented. Key words rock mechanics ，cyclic loading ，fatigue ，acoustic emission1 前 言在岩土工程中，经常会遇到循环荷载的作用。