岩体滑坡失稳破坏过程声电效应实验研究

摘要

岩体滑坡以其规模大、机理复杂、危害性、灾难性等特点著称于世，受到很多学者的关注。通过对地质灾害的监测、预报以达到防治减灾的目的已成为共识，岩体含有不同种类及大小的裂隙结构面，岩体破坏失稳是裂隙岩体裂纹扩展贯通的结果，同时含水率也是影响岩体破裂的主要因素。基于此，本文研究了不同倾角预制裂纹砂岩和不同含水率泥岩单轴压缩破坏过程中电磁辐射、声发射信号，在裂纹压密、稳定扩展、失稳破坏、宏观断裂等各个阶段的分布特征。并对电磁辐射和声发射变化规律和岩石试样变形破坏特征的关系进行分析。研究不同倾角预制裂纹砂岩和不同含水率泥岩单轴压缩破坏产生的表面电位特征及其云图分布规律；分析裂纹倾角对砂岩和水中浸泡时间对泥岩表面电位的影响；并利用R/S分析原理，对其表面电位信号进行处理。论文得到了如下主要成果： （1）不同角度预制裂纹砂岩和不同浸泡时间泥岩声发射和电磁辐射信号与裂纹扩展过程密切相关，具有明显的阶段分布特征。不同角度预制裂纹的最大破坏载荷不同。在裂纹压密阶段，声发射和电磁辐射主要由原始裂隙和微小裂隙的闭合产生，信号波动增长；在裂纹稳定扩展阶段，声发射和电磁辐射信号变化较小；进入裂纹失稳破坏阶段后，微裂纹不断扩展形成宏观裂纹，信号活跃，在载荷峰值附近信号波动极大；随后载荷下降，声发射和电磁辐射信号也随之下降。因此，岩石失稳破裂过程的声发射与电磁辐射信号变化规律，对预测岩体滑坡具有重要的意义。 （2）不同倾角预制裂纹变形破坏过程中声发射与电磁辐射信号变化存在差异，主要与岩石试样的变形破坏特征有关。试样以预制裂纹两端为起裂点形成裂纹。当裂纹倾角为30°时，试样发生剪切破坏；此时，微裂纹壁面的挤压、摩擦、滑移是产生声发射和电磁辐射的主要原因。当预制裂纹倾角为60°时，试样以张拉破坏为主，信号主要由张拉破坏引起的能量释放产生的。当预制裂纹倾角为45°时，试样压裂过程中同时受到剪切破坏和张拉破坏，故45°预制裂纹砂岩试样电磁辐射和发射信号，在裂纹失稳破坏阶段，产生波动时间较早，增长相对较快。 （3）分析不同浸泡时间泥岩变形破坏过程声发射与电磁辐射信号，结果表明，随着浸泡时间加长，声发射信号剧烈，持续时间变长。同时，泥岩的单轴抗压强度降低，更容易发生破裂。但随着浸泡时间的变长，电磁辐射信号反而波动较小，波动时间变短。可能是水使泥岩的力学性质弱化，并使泥岩试样构造更加紧密，导致电磁辐射信号产生较少。 （4）表面电位信号与载荷呈现出很好的同步性，能够较好的反映试样内部的应力状态、变形破裂过程。预制裂纹对表面电位云图的分布和运移影响明显。电位变化幅度大小和电位通道到裂纹的距离相关，距离裂纹越近，电位变化幅度就越大。因此，通过观测电位变化可以对裂纹发展程度进行预测。 （5）水对泥岩的物理力学性质影响极大，它使泥岩的强度和弹性模量降低，塑性加大，最终使受载泥岩产生的电位幅值减小。在水中浸泡时间越长，电位变化幅度就越小。因此通过观测不同通道电位的变化幅度，预测泥岩的含水率变化。 （6）利用R/S分析原理，对不同角度预制裂纹砂岩试样以及不同含水率泥岩试样加载破裂过程产生的电位信号进行处理，其Hurst指数均大于0.5，表明电位信号总体上呈现增加的趋势。随着浸泡时间的增加，泥岩破裂过程产生的电位信号Hurst指数在不断减小。当岩体完全破坏时，其Hurst指数有一定程度的降低。因此，可以将电位信号的Hurst指数快速增长至极大值作为岩石即将失稳的前兆，由此可以对岩体滑坡进行监测预警。

目录

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致谢

1.绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状综述

1.2.1 岩石裂隙研究现状

1.2.2 煤岩声发射研究现状

1.2.3 煤岩电磁辐射研究现状

1.2.4 表面电位研究现状

1.3 存在的问题及不足

1.4 主要研究内容及技术路线

1.4.1研究内容

1.4.2技术路线及方法

2岩体变形破坏过程声电效应实验系统

2.1.1实验系统

2.1.2 加载系统

2.1.3 煤岩声电数据采集系统

2.1.4电位数据采集系统

2.1.5 声电信号采集传感器

2.2 试样制备

2.3 实验内容及实验步骤

2.3.1 试验步骤

2.3.2 实验方案

2.4 本章小结

3 岩石变形破坏过程声发射和电磁辐射分析

3.1 岩石试样单轴压缩变形破坏特征

3.1.1预制裂纹砂岩试样单轴压缩变形破坏特征

3.1.2 岩石变形破坏裂纹扩展过程

3.2预制裂纹对砂岩试样强度的影响

3.3 预制裂纹岩体试样变形破坏过程声发射与电磁辐射规律

3.4 预制裂纹对声发射与电磁辐射的影响

3.5 不同含水率泥岩试样变形破坏过程声发射与电磁辐射规律

3.5.1 不同含水率泥岩试样变形破坏声发射与电磁辐射规律

3.5.2 含水率对泥岩试样强度的影响

3.6 含水率对泥岩试样声发射、电磁辐射信号的影响

3.7 本章小结

4 岩石变形破坏过程表面电位分析

4.1 预制裂纹砂岩表面电位实验结果

4.2预制裂纹角度对砂岩试样变形破坏过程表面电位的影响

4.3.1空间插值理论概述

4.3.2 克里金插值法原理

4.4 预制裂纹砂岩表面电位云图分布规律

4.5 不同浸泡时间泥岩表面电位实验结果

4.6 表面电位R/S分析

4.6.1R/S分析理论含义

4.6.2不同角度预制裂纹砂岩表面电位的R/S分析结果

4.6.3不同浸泡时间泥岩表面电位的R/S分析结果

4.7 本章小结

5全文总结

5.1全文总结

5.2 主要创新点

5.3展望

参考文献

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