岩石断裂的声发射信号特征与尺度增长预测

摘要

岩体的失稳预测和损伤机理是岩石力学研究的重要内容，而剪切和张拉是岩体失稳较为常见的形式。大量的理论和实验现象表明，岩石在外载作用下伴随着能量的耗散，声发射的产生与岩石内部的微破裂（损伤）直接相关，声发射特征参数与岩石损伤存在着“正比”关系，研究岩石在外载作用下声发射信号特征可为灾变演化预测提供有力依据。 本文采用试验和数值模拟相结合的研究方法，对岩石断裂过程的声发射信号特征进行分析。首先通过花岗岩的紧凑拉伸试验和砂岩变角（40o、50o、60o）剪切试验，对加载过程中的声发射进行同步检测，对拉伸和剪切条件下的声发射信号特征进行分析；然后根据拉伸和剪切的断裂机理，利用 Ansys 有限元程序对试验过程进行数值仿真模拟，得到外载作用下岩石断裂演化的基本规律和声发射信号特征。主要结论如下： （1）岩石断裂过程具有阶段性演化特征，即成核阶段和裂纹扩展阶段。与之相应，声发射信号特征也呈现阶段性变化特征。 （2）成核阶段，是微缺陷成核、聚集形成微裂纹的阶段。该阶段初期声发射信号在时间上呈现离散性、随机性分布，且相应的幅值等参数较小，临近成核信号强度呈快速上升直至宏观裂缝核形成，信号强度达到峰值；在随后的裂纹扩展阶段，声发射信号在时间上呈现紧密集中性分布，但幅值逐渐降低。 （3）在整个断裂过程中，声发射信号峰值出现的时间稍微滞后于外载荷峰值。 （4）紧凑拉伸破坏声发射信号以张拉源为主；剪切破坏声发射信号由张拉源和剪切源共同引起。 （5）采用Ansys软件模拟和试验相互论证，有助于全面完整地揭示断裂演化过程。由于试验加载过程的不可控，以至于峰值后的信息参数无法记录；而数值模拟在加载过程中是可控制的，其能完整呈现岩石损伤-断裂演化的整个过程。 最后，作为一种可能的应用途径，本文给出了基于声发射信号序列的岩石微裂纹尺度增长模型。

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