应力波作用下岩石电磁辐射与声发射特性研究

摘要

近年来，岩石破裂过程中产生的电磁辐射现象备受国内外学者们关注，而岩石破裂的声发射现象早已为人们所知，由于声发射与电磁辐射的产生被认为均与岩石受力过程中的变形破裂相关，有许多学者对两者进行同步研究，并取得了开创性的成果。目前对于电磁辐射的实验研究相对较多，而理论研究特别是关于其辐射机理的相关研究并不多见；对于声发射的实验研究基本限于静载情况，而对于动载和动静组合加载下的声发射研究严重不足。针对这些现状，本文作者在国家自然科学基金重大项目资助下，从应力波的角度入手，分别对完整及含节理岩石的电磁辐射与动静组合加载条件下岩石声发射特性进行了深入的理论和试验研究。论文的主要内容包括： (1)基于含石英岩体的压电特性，从压电体中的压电本构方程出发，研究岩体分别在静应力和应力波作用下产生的电磁辐射。研究结果表明：岩体在静应力作用下，电磁辐射随应力水平的提高而增大，加载速率越大，电磁辐射强度越大；在应力波作用下，考虑应力波在岩体中的衰减，给出了在不同形式应力波下电磁辐射强度与岩体弹性参数及传播距离之间的关系表达式。结果表明，岩体中产生的电磁辐射强度不但与岩石的弹性模量与强度有关，且与岩体初始损伤有关。已有的大量室内实验与现场观测结果也证实了上述理论研究成果。 (2)依据所得到的电磁波与入射应力波之间的关系及应力波在节理面处的透射解，获得垂直入射应力波作用下产生的电磁波在线性变形节理面前后的强度关系。结果表明，电磁辐射的强度随节理初始刚度增大而增大；随传播距离的增大高频电磁信号衰减比低频信号衰减要快得多。对于节理面两侧岩体性质不同的情形，从理论上来讲，电磁辐射强度随单个参数的变化是明确的，但在多种参数的综合影响下，电磁辐射强度变化情况相对比较复杂。 (3)基于前两项研究工作的成果，进一步研究了非线性法向变形节理对电磁辐射强度的影响。依据电磁波与入射应力波之间的关系及应力波在非线性节理面处的透反射解，获得应力波作用下产生的电磁波在非线性法向变形节理面前后的幅值关系。结果表明，电磁辐射的幅值随节理变形增大而增大；同样，随传播距离的增大高频电磁信号衰减比低频信号衰减要快。这一研究结果能够较好地解释地震和岩石动力破裂过程中的电磁扰动现象。 (4)基于岩石破裂电磁辐射是由岩石破裂时传播裂纹引起原子扰动产生的假说，通过断裂力学理论中小范围屈服条件下张开位移法计算岩石破裂时的裂纹宽度，研究电磁辐射频率和幅值与岩石属性参数之间的关系，电磁辐射频率随弹性模量增大而增大；随岩样尺寸和强度增大而减小；随泊松比的变化还与岩石弹模有关；随裂纹初始长度的变化受试件尺寸的影响。通过计算，得出几种常见岩石破裂时电磁辐射频率值均达到105量级。电磁辐射幅值随岩石弹性模量增大而增大：岩石破裂的电磁辐射与岩石的尺寸有关，且岩石尺寸因素大于岩性因素。理论研究结果与现有的实验结果是吻合的。 (5)基于动静组合加载岩石试验系统，研究了组合加载条件下不同轴向静载和冲击动载对花岗岩声发射参数的影响，得到了动静组合加载条件下声发射规律。在对实验数据进行全面分析的基础上，提出了动静组合加载条件下声发射能量的经验公式，拟合结果和实测结果相吻合；在对岩石破碎的分形特性进行研究的基础上，得到了声发射峰值能量与破碎分维值的关系，岩石破碎分维值D越大，声发射峰值能量越小。 (6)通过对动载下岩石电磁辐射和声发射的研究，我们发现两者均与加载的方式、材料的属性、材料的初始损伤等因素密切相关，呈现出与静载情况完全不同的规律。两者均能反映材料的损伤破坏问题，如何将两者有利地结合起来对材料的失稳及矿山的安全进行预测监测，扬长避短，互相验证更具有工程实践意义。 本文所做研究工作，立足于学科前沿，运用最新数学力学方法和先进的实验手段，对应力波下岩体电磁辐射和声发射特性进行了系统深入的研究，对更好地把电磁辐射和声发射技术应用到工程实践正确地评价岩体工程动力稳定性有着重大的理论和实践意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2岩石破裂电磁辐射研究现状

1.2.1岩石破裂电磁辐射的产生机制

1.2.2基于压电效应的电磁辐射研究

1.2.3节理对电磁辐射传播的影响

1.2.4岩石电磁辐射频率和强度特征

1.3声发射研究的历史和现状

1.3.1声发射频谱特征

1.3.2岩石变形的声发射特征

1.4研究内容

第二章应力波下岩石电磁辐射特征

2.1概述

2.2压电本构关系

2.2.1压电效应的一维模型

2.2.2压电本构关系

2.3静应力下岩石电磁辐射

2.4平面一维应力波下岩体压电响应

2.4.1平面一维应力波的描述

2.4.2纵波作用下岩石电磁辐射

2.4.3横波作用下岩石电磁辐射

2.5球面应力波下岩体压电响应

2.5.1球面应力波的描述

2.5.2纵波作用下岩石电磁辐射

2.5.3横波作用下岩石电磁辐射

2.6参数研究

2.7小结

第三章 节理对岩体电磁辐射的影响

3.1概述

3.2应力波与电磁波的耦合

3.2.1纵波和电磁波的耦合

3.2.2横波与电磁波的耦合

3.2.3不同晶系的耦合行为

3.3应力波在线性节理处的传播

3.3.1节理法向变形本构关系

3.3.2应力波在线性节理处的透反射解

3.4节理面前后电磁辐射强度的变化

3.4.1节理面两侧岩体性质相同

3.4.2节理面两侧岩体性质不同

3.5算例

3.6电磁波入射到自由面

3.7垂直纵波在非线性法向变形节理处的传播

3.7.1节理非线性法向变形本构关系

3.7.2垂直纵波在非线性节理处透射

3.8非线性节理面前后电磁辐射强度的变化

3.9参数研究

3.9.1节理变形对电磁辐射强度变化的影响

3.9.2频率对电磁辐射强度变化的影响

3.9.3本文计算结果与其他学者研究结果的比较

3.10结论

第四章岩石电磁辐射频率和幅值与岩石属性参数的关系

4.1概述

4.2电磁辐射频率与岩石参数的关系

4.2.1岩石破裂裂纹宽度

4.2.2电磁辐射频率与裂纹宽度的关系

4.2.3电磁辐射频率与岩石参数的关系

4.2.4参数研究

4.2.5理论模型的验证

4.3电磁辐射幅值与岩石参数的关系

4.3.1岩石破裂裂纹长度

4.3.2岩石破裂裂纹面积

4.3.3电磁辐射幅值与岩石参数的关系

4.3.4参数研究

4.4小结

第五章应力波作用下岩石破裂的声发射实验

5.1引言

5.2静载声发射实验

5.2.1静载声发射试验装置

5.2.2试样的制备

5.2.3单轴静载下声发射能量的变化

5.2.4单轴静载下声发射计数的变化

5.3动载声发射装置

5.4试验样的制备

5.5试验步骤

5.6动载下岩石声发射

5.6.1动载下花岗岩声发射能量的变化规律

5.6.2动载下花岗岩声发射计数和频率的变化

5.7 SHPB动静组合加载实验装置

5.8相同动载不同静载下花岗岩声发射

5.8.1相同动载不同静载下花岗岩声发射能量的变化

5.8.2相同动载不同静载下花岗岩声发射事件数的变化

5.9花岗岩在相同静载不同动载下的声发射规律

5.9.1声发射能量规律

5.9.2相同静载不同动载下声发射计数

5.10小结

第六章岩石破坏的声发射能量特征分析

6.1概述

6.2花岗岩在静载下声发射能量分析

6.2.1能量加速释放理论

6.2.2声发射能量释放分析

6.3动静组合加载下声发射能量完整数据的经验公式

6.4动静组合加载下声发射峰后能量衰减特性

6.5动静组合加载下声发射能量与破碎块度的关系

6.5.1岩石的破碎和分维

6.6电磁辐射和声发射技术的应用

6.7小结

第七章全文结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文及成果