变角剪切下岩石的声发射-红外特性及损伤演化规律

摘要

岩体失稳预测与损伤机制是岩石力学研究的重要课题,而剪切破坏是岩体失稳的常见形式之一。大量的实验和理论研究表明,岩石在加载作用下伴随着能量耗散或机械能与热能之间的转移,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量存在着“正比”关系;红外辐射反映了岩石表面温度场的分布特征。研究剪切载荷下岩石的声发射-红外特性及损伤演化可为岩体失稳灾害的监测和预警提供理论基础。
　　论文以花岗岩和砂岩为研究对象,进行了三种剪倾角(45?、60?、75?)下岩石声发射与红外辐射同步剪切实验,分析研究了岩石加载过程中的声发射时频特性与红外辐射特征,并基于岩石声发射-红外辐射特征参数,探讨了岩石变角剪切过程的损伤演化规律。主要研究结论如下:
　　1、分析得到了花岗岩与砂岩在不同剪倾角下的剪切强度和变形特征,同时统计得出剪切载荷下岩石的库伦屈服准则。
　　2、通过分析不同剪倾角下岩石声发射特征,归纳了岩石剪切过程中不同阶段的声发射振铃计数与能量的变化规律。在不同剪倾角下,试样均经历了压密闭合、弹性、塑性及破坏四个阶段,同一阶段的声发射活动表现基本一致;在显裂纹出现或破坏时,声发射振铃计数及能量大都出现激增;在岩样破坏前,声发射能量均出现一段“平静期”。随着剪倾角的增大,声发射能量比振铃计数更好地预测岩石的失稳破坏。
　　3、运用 Welch功率谱估计和经验模态分解,分析了不同剪倾角下岩石声发射信号的峰值频率、能比因子与EMD能量熵值随加载时间的演化特性。
　　4、基于岩石加载过程的红外辐射效应,分析了不同剪倾角下试样表面平均红外辐射温度(AIRT)与红外热像的变化情况,研究了 AIRT-时间曲线与轴向载荷、剪倾角的关系。随着剪倾角的增大,异常高温前兆越明显,吸热现象也越显著。
　　5、利用声发射振铃累计计数、红外温变点累计计数分别确定了岩石材料整体损伤变量与表面损伤变量,研究了不同剪倾角下花岗岩与砂岩的损伤特征以及极限剪切荷载与损伤变量的关系,揭示了岩石在剪切载荷中的整体损伤与表面损伤的内在联系。研究表明,整体损伤比表面损伤更具有明显的阶段性和更早的前兆性。

目录

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目录

第一章 绪 论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状与发展趋势

1.3 研究内容

1.4 技术路线

第二章 变角剪切力学实验

2.1 实验方案

2.2 力学性质

2.3 本章小结

第三章 变角剪切下岩石声发射时频特性

3.1 声发射简介

3.2 变角剪切下岩石声发射参数特性

3.3 变角剪切下岩石声发射频域特性

3.4 本章小结

第四章 变角剪切下岩石红外辐射特征

4.1 红外辐射理论

4.2 变角剪切下岩石表面AIRT变化特征

4.3 变角剪切下岩石红外热像变化特征

4.4 本章小结

第五章 岩石变角剪切过程损伤演化规律

5.1 损伤变量

5.2 统计损伤变量

5.3 花岗岩变角剪切过程损伤演化规律

5.4 砂岩变角剪切过程的损伤演化规律

5.5 极限剪切荷载与岩石损伤的关系

5.6 本章小结

第六章 结 论

6.1 主要结论

6.2 进一步的工作和展望

参 考 文 献

致谢

攻读学位期间的研究成果