三轴压缩条件下红砂岩特征强度点的声发射特征

发布时间：2020-04-12 02:04

【摘要】：赋存在复杂地质条件下的脆性岩石的变形和强度特性是研究岩石力学性质的重要基础,因此有必要深入研究岩石破坏全过程的变形和强度特性,从而揭示围压效应下的岩石破坏机制。目前,在静载条件下采用声发射∑N/∑E值和RA值来对围压效应下的岩石失稳破坏进行预测、预报方面的研究鲜有报道。研究三轴压缩下岩石完全破裂前的声发射平静期,从而对探寻岩石破裂前兆信息具有重要意义。本文以国家自然基金项目“渗透压力作用下岩石蠕变声发射震源主频特征及其能量机制”(No.5170040924)和江西省自然科学基金青年基金项目“基于矩张量分析的花岗岩蠕变声发射声源机制及其主频特征”(No.20171BAB216022)为依托,对红砂岩进行三轴压缩声发射试验。分析了红砂岩的变形和强度特性,探讨了力学参数与围压的关系;着重研究了红砂岩在围压效应下的各特征强度点的声发射特性。在此基础上,建立了岩石加载过程中的裂纹变化规律与声发射特性的关系。提出了基于声发射预测三轴压缩下红砂岩失稳破坏的方法;最后研究红砂岩围压效应下完全破裂前的声发射平静期,采用损伤变量定量分析声发射平静期,从而量化红砂岩破裂前兆信息,还讨论了岩石失稳破裂整个过程裂纹发育与声发射平静期的关系。研究结果表明:(1)采用Martin提出的裂纹体积应变法获得红砂岩三轴压缩特征强度点(σcc、σci、σcd)值,论证了围压对红砂岩的变形和强度特征具有较大影响,红砂岩的破裂角随着围压的增加而逐渐减小。(2)围压效应下红砂岩破坏声发射水平(事件数、振铃计数、能率)在加载初期到闭合应力σcc及闭合应力σcc到起裂强度σci区间段较小,然而在起裂强度σci到损伤强度σcd区间段声发射逐渐活跃,扩容应力(即损伤强度σcd)之后声发射水平明显提高,并且在临近破坏时出现突增,声发射特征参数达到最大值,累计声发射振铃计数的斜率k值达到最大。在围压效应下,声发射特征参数的时间分布特征和红砂岩试样的应力时间特征并没有完全同步,声发射特征参数最大值明显稍滞后于红砂岩宏观破坏时间。(3)红砂岩三轴压缩下声发射主频特征:随着外荷载的增加,声发射主频逐渐变宽,而且在岩石破裂前,存在300～400kHz,0～50kHz主频带,该主频特征可作为红砂岩三轴压缩失稳破坏的前兆特征。在整个红砂岩加载过程中,声发射r值表现为加载初期波动较大,随后减少并保持稳定,紧接着r值增大,在峰值强度前r值骤降的特征;而声发射b值整体上波动较大,在峰值强度前突然下降特征,以上声发射r值和b值的特征可作为预测红砂岩失稳破坏的方法。以最新提出的声发射RA值来分析红砂岩破坏过程中的裂纹发育,从不同围压下声发射RA值变化特征分析,在红砂岩三轴加载初期,声发射RA值在空间分布上是少量且随机的,低围压RA值以中高区出现,因此以张拉裂纹为主,高围压低RA值区域出现以剪切裂纹为主。随着外力的不断增加,当低围压时,岩石内部的张拉裂纹将会主要集中在剪切带上并伴随少量剪切裂纹,而在高围压时,会发现声发射在红砂岩内部以剪切裂纹占较大比重并呈弥散分布。(4)以损伤变量曲线斜率增大→减小→增大变化趋势来定量分析声发射平静期,将斜率减小历时段定义为声发射平静期,随着围压的增大,声发射平静期历时会延长,准平静期的耗时与加载至峰值历时的比值随着围压增大越大,通过分析建立起红砂岩破裂裂纹发育与声发射平静期的关系,在声发射平静期历时段红砂岩加载过程中的裂纹以剪切裂纹为主。
【图文】：

本论文的岩石试验试样为取自于赣南地区红砂岩，本次试验是对完整性岩石进行试逡逑验，因此选取试样是要避免有裂隙和节理的，并且要质地均匀，这样试验的效果会比较逡逑合理准确，为了了解本次试验试样的微观结构，把所取红砂岩试样（如图２．１）切割磨逡逑片，在高倍显微镜下观察，发现其属于微粒砂岩结构（如图２．２所示）。本试验所用的逡逑岩块经过如下实验室仪器（ＺＳ－２００型岩样钻取机（如图２．３）、．ＩＫＤＱ－１Ｔ型岩石切割机逡逑（如图２．４）、ＪＫＳＨＭ－２００型端面磨石机（如图２．５）严格按照国际岩石力学学会试验逡逑规程１５７１加工制备成岩样。逡逑ＨＡ逡逑图２．１试验岩样逦图２．２微粒砂岩电镜照片逡逑Ｍｉｔｅｌ邋ｉｌ邋ｖ邋ＪＨ逡逑图２．３邋ＺＳ－２００型岩样钻取机逦图２．４邋＿ＩＫＤＱ－１Ｔ型岩石切割机逡逑１０逡逑

本论文的岩石试验试样为取自于赣南地区红砂岩，本次试验是对完整性岩石进行试逡逑验，因此选取试样是要避免有裂隙和节理的，并且要质地均匀，这样试验的效果会比较逡逑合理准确，为了了解本次试验试样的微观结构，把所取红砂岩试样（如图２．１）切割磨逡逑片，，在高倍显微镜下观察，发现其属于微粒砂岩结构（如图２．２所示）。本试验所用的逡逑岩块经过如下实验室仪器（ＺＳ－２００型岩样钻取机（如图２．３）、．ＩＫＤＱ－１Ｔ型岩石切割机逡逑（如图２．４）、ＪＫＳＨＭ－２００型端面磨石机（如图２．５）严格按照国际岩石力学学会试验逡逑规程１５７１加工制备成岩样。逡逑ＨＡ逡逑图２．１试验岩样逦图２．２微粒砂岩电镜照片逡逑Ｍｉｔｅｌ邋ｉｌ邋ｖ邋ＪＨ逡逑图２．３邋ＺＳ－２００型岩样钻取机逦图２．４邋＿ＩＫＤＱ－１Ｔ型岩石切割机逡逑１０逡逑
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD315

【参考文献】

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5 纪洪广;卢翔;;常规三轴压缩下花岗岩声发射特征及其主破裂前兆信息研究[J];岩石力学与工程学报;2015年04期

6 何满潮;赵菲;张昱;杜帅;管磊;;瞬时应变型岩爆模拟试验中花岗岩主频特征演化规律分析[J];岩土力学;2015年01期

7 赵星光;马利科;苏锐;王驹;;北山深部花岗岩在压缩条件下的破裂演化与强度特性[J];岩石力学与工程学报;2014年S2期

8 李健;张艳博;刘祥鑫;田宝柱;;不同含水状态下花岗岩岩爆模拟声发射实验研究[J];金属矿山;2014年04期

9 周辉;孟凡震;卢景景;张传庆;杨凡杰;;硬岩裂纹起裂强度和损伤强度取值方法探讨[J];岩土力学;2014年04期

10 杨永杰;王德超;郭明福;李博;;基于三轴压缩声发射试验的岩石损伤特征研究[J];岩石力学与工程学报;2014年01期

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本文编号：2624136