黄砂岩单轴压缩三维破坏过程与声发射特征分析

发布时间：2020-05-09 04:27

【摘要】：岩石是地下工程所直接接触的对象,关于岩石受力变形与破坏的研究不仅是岩石力学的重要课题,对地下工程实际生产与施工过程中事故的预防、安全的保障也有着举足轻重的影响。本文以黄砂岩为研究对象,使用Disp声发射系统、DIC数字散斑系统进行了岩石单轴压缩破坏声发射监测实验以及数字散斑观测实验,并借助RFPA~(3D)数值模拟软件对岩石三维破坏过程进行了模拟,以综合研究黄砂岩三维破坏过程及声发射特征,具体分析了黄砂岩单轴压缩破坏过程声发射时域、频域参数的变化规律,声发射事件的数量、能量特征及三维分布特征,岩石破坏过程变形场的演化以及岩石的三维空间破坏过程,得出的主要结论如下:(1)黄砂岩单轴压缩变形破坏过程位移场与应变场是非均匀演化的,并会出现不同状态变形场的分区现象,随着加载的进行变形场分区的位置及面积会不断变化,当接近于岩石破坏时,位移场不同分区之间的交界处是岩石容易发生破裂的位置,而应变场的分区会逐渐转化为局部化带,应变场局部化带的位置往往是岩石发生破坏时的潜在破裂位置。位移场与应变场的非均匀演化是岩石材料非均匀性以及岩石受载时非线性破坏的反应。(2)黄砂岩单轴压缩破坏过程中在出现应力降的位置,声发射振铃计数与绝对能量大量出现,累计振铃计数及累计绝对能量会出现爆发式增长。值得注意的是在加载初始阶段振铃计数及绝对能量比较活跃,是因为岩石内部缺陷或弱区发生了较明显的破坏,应力曲线对应位置上也出现了应力降。黄砂岩在单轴压缩破坏过程始终存在数量较多45dB-55dB的幅值信号,信号的持续时间绝大部分在300μs以上,当岩石达到破坏前后高幅值信号数量会大幅增加,持续时间也会明显升高。(3)黄砂岩单轴压缩破坏过程主频有较明显的分段,主要集中在98KHz-102KHz,148KHz-150KHz,225KHz-250KHz,270KHz-280KHz,290KHz-320KHz这5个频段,其中98KHz-102KHz、225KHz-250KHz与290KHz-320KHz这3个频段的声发射信号在整个加载过程都比较多。随着应力的升高与加载过程的进行声发射高频段的主频信号占比会逐渐上升,不同频段主频信号数量及分布的变化与岩石内部破坏类型的不同,损伤的积累以及应力状态的变化有关。黄砂岩在受载破坏过程中随着应力的升高中心频率整体会逐渐增大,在岩石破坏前后平均频率及中心频率二者的分布范围会发生扩大。(4)黄砂岩单轴压缩破坏过程在出现应力降的位置声发射事件会出现爆发式增长,而声发射事件数在初始阶段出现的小增长高峰,对应于岩石内部原生结构或者弱区的破坏,应力0.2-0.4σc及0.4-0.6σc两个阶段岩石声发射事件数量少,增长速度很缓慢,是声发射事件的平静期。岩石裂纹的大量产生、发展与贯通会在对应的破损区域产生大量的声发射事件,高能量与中能量声发射事件对岩石内部的裂纹、弱区等能够引起岩石发生明显破坏的结构较为敏感,低能量声发射事件除对使岩石发生明显破坏的大裂纹较敏感外,也能较好的响应于岩石内部微裂纹的闭合与压密、材料颗粒间的摩擦等损伤,在整个应力增长的过程,低能量声发射事件始终存在,其分布不仅对应于岩石宏观裂纹的位置,在岩石内部及表面的其他位置也一直存在并有一定数量的分布。岩石在受载变形过程声发射事件的数量、能量特征以及三维分布特征对于岩石内部裂纹的时空发展以及岩石损伤的积累与评估有非常好的表征作用。(5)由岩石三维空间破坏过程的RFPA~(3D)数值模拟可知,岩石破坏是裂纹萌生、发展、汇集与贯通并最终形成宏观破坏的一个过程,裂纹的扩展与贯通是一个三维空间发展的过程,从岩石表面的裂纹很难判断岩石内部的裂纹发展,表面的裂纹可能从表面起裂逐渐向其他面或者岩石内部扩展,也有可能是岩石内部的损伤积累、内部裂隙的发展逐渐到达表面而产生。岩石破坏过程中有一条或者几条裂纹在破坏过程的发展中起主要作用,最终的宏观破裂由主要裂纹的发展所决定。岩石本身一些强度较低的颗粒、胶结物或者矿物成分最先破碎,这些破碎的单元往往容易成为裂纹的起裂位置。岩石的损伤会同时发生在表面与岩石内部,表面的裂纹会逐渐向内部扩展,内部的损伤也逐渐会与表面裂纹形成连接。(6)岩石破坏过程的声发射事件与裂纹萌生、发展、汇集以及岩石材料的损伤有着紧密的关系,声发射事件主要分布在岩石裂纹面及破损区域位置附近。压密阶段岩石内部微裂隙、孔隙等压密与闭合所产生的声发射事件能量较低,裂纹的萌生、发展及汇集与贯通会产生大量的声发射事件,且声发射事件的能量高于初期岩石内部原声裂纹闭合所产生声发射事件的能量,裂纹交汇处的声发射事件能量明显要高于其他位置,与裂纹交汇处岩石的破坏、损伤程度较高有关系,一般岩石内部较大的损伤与破坏对应的声发射事件能量也较高。岩石破坏过程声发射监测实验以及RFPA~(3D)数值模拟所得出的关于声发射事件的分布特征以及能量特征的结论有较好的一致性,二者在岩石破坏实验中可以作为相互的印证与补充。(7)岩石破坏过程最大主应力会出现集中并会随着加载的进行而逐渐变化,最大主应力为拉应力的集中及最小主应力集中对岩石裂纹的起裂影响较大。岩石破坏过程的损伤在加载初期随机出现在岩石表面以及内部,随着加载的进行裂纹会从损伤单元开始萌生与发展,当裂纹形成汇合与连接的时候,岩石损伤主要由裂纹处及附近单元所承担,远离裂纹位置的单元的损伤下降。裂纹发生交汇位置附近的单元会出现大量损伤,在岩石内部尤为明显,仅从表面裂纹的发展很难判断岩石内部的损伤状况。
【图文】：

技术路线图

A、B组试件Fig2-1TestpiecesforgroupsAandB通过压力机对S组试件进行试压，黄砂岩试件达到破坏时，，压力最大达到130KN，
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD315

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本文编号：2655594