两种岩石单轴压缩和蠕变声发射特性试验研究

摘要

岩石长期承载过程中内部损伤累积最终失稳破坏，研究并掌握失稳破坏的前兆信号并进行有效的预测预报十分重要。室内声发射试验研究作为动态无损检测的重要研究方法，对于掌握岩石失稳破坏的信号特性具有重要价值。本文对具有代表性的红砂岩和花岗岩进行了常规单轴压缩和蠕变试验声发射试验研究。采用LabVIEW语言及MATLAB程序语言编写数据后处理程序，研究了红砂岩和花岗岩常规单轴压缩和蠕变过程中不同时期的声发射信号频谱特征；基于单轴压缩过程中声发射振铃和事件数的信号特性，评估了红砂岩与花岗岩的脆性程度；研究了红砂岩蠕变三阶段的声发射特性，捕捉其破坏的前兆信号。
　　红砂岩及花岗岩单轴压缩过程中，损伤累积的声发射信号特征与几何变形趋势一致，体积扩容所对应的应力阈值下声发射突变信号大量产生。花岗岩在压缩试验的压密、弹性、屈服破坏的不同阶段，能量释放率、振铃计数和波形幅值等参量呈现不同的特征。屈服前夕振铃计数明显增加，信号增幅加大，且破坏之前信号强度变化尤为强烈，破坏前兆信号明显。而后期由于试样内部破坏导致功率与幅值变大，声发射的能量释放率逐渐增大。结果表明岩石在弹性阶段的内部损伤累积很小，而后期随着损伤累积的增大并形成主裂纹，声波出现了明显的折反射和衰减且波速变小。
　　单轴压缩过程中，纵波穿越花岗岩介质波速变化规律为：压密阶段内部结构趋于密实，声波穿越岩石两端沿着内部介质传播速度增大。弹性阶段主要是岩石内部骨架和晶粒的几乎趋近于各向同性的变形，内部损伤累积并不是很明显，声波波速变化不大。屈服阶段岩石内部损伤累积程度增大，主裂纹形成，声波发射了明显的折射反射和衰减，且内部裂纹对波形传播造成的影响导致声波传播速度变慢。根据声发射事件数研究红砂岩及花岗岩的脆性指标，花岗岩脆性系数m值为1.69，红砂岩脆性系数为0.67，花岗岩为典型脆性岩石。
　　单轴压缩条件下，红砂岩损伤应力阈值为其单轴压缩峰值强度的75％，在该应力水平下的试样单轴蠕变具有明显的蠕变三阶段。砂岩在完全破坏失稳前有明显的声发射前兆信号，声发射撞击信号明显增多，且出现非线性阶跃式变化。
　　红砂岩蠕变三阶段过程中声发射信号的频谱特性为：减速蠕变阶段，声波多低频信号且波动幅值较低，多为突发性信号；稳态蠕变阶段的高频信号增加，振幅也相应增大；在加速蠕变阶段，高频与低频信号同时增加，波动幅值减小。
　　本论文对花岗岩和红砂岩进行了单轴压缩和蠕变过程的声发射试验，通过分析声发射信号特征研究了这两种岩石的破坏和蠕变特性，从而掌握长期承载过程中的失稳破坏前兆信号。这对深入认识岩石损伤破坏的力学机理、矿井灾害的发生机制以及实时微震监测和工程分析具有一定的指导意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题的提出

1.2 研究方法和研究现状

1.3 研究内容和技术路线

2 岩石声发射特性研究方法及基础理论

2.1 声发射信号特征和系统参数

2.2 岩石声发射事件定位技术

2.3 岩石细观结构损伤机理

2.4 小结

3 声发射数据后处理程序编写与信号采集

3.1 数据后处理程序

3.2 傅里叶变换和频谱分析算法模块

3.3 全波形数据提取与后处理

3.4 声发射系统的设定和采集参数

3.5 小结

4 岩石常规单轴压缩声发射信号特性试验研究

4.1 试验系统

4.2 花岗岩常规单轴压缩声发射特性试验研究

4.3 红砂岩常规单轴压缩声发射特性试验研究

4.4 红砂岩与花岗岩声发射特性差异与脆性指标评估

4.5 常规单轴压缩过程中声波波速变化特征

4.6 小结

5 红砂岩蠕变声发射信号特性试验研究

5.1 蠕变试验方案

5.2 红砂岩的蠕变变形特征

5.3 红砂岩单轴压缩破坏形态

5.4 蠕变三阶段声发射信号特征

5.5 红砂岩蠕变声发射频谱特性

5.6 试验结果

5.7 小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 创新性工作

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要成果