花岗岩蠕变破坏声发射震源特征及其演化规律

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岩石蠕变是引发金属矿山地压活动主要原因之一,探索不同应力条件下岩石蠕变过程中的变形破坏机制及预测方法具有重要工程意义。本文对花岗岩进行了分级加载蠕变声发射震源定位试验,研究了花岗岩蠕变特征、声发射特征参数与加载应力的关系,提出改进的稳态蠕变速率法作为岩石长期强度估测方法。基于单纯形算法,分析了破坏蠕变声发射震源分布特征,研究了震源沿加载方向与垂直加载方向演化规律及其空间分形维数特征。在此基础上,以矩张量分析方法为主要研究手段,分析了蠕变破坏过程中对应于剪切型、张拉型与混合型声发射震源震级、绝对能量与主频特征,最后,建立了可表征花岗岩蠕变特征的颗粒流程序(PFC)数值模型,探索了不同蠕变应力条件下弹性应变能与耗散能特征,在一定程度上揭示了花岗岩蠕变破坏能量机制。得到以下主要结论:(1)相对单轴压缩试件,蠕变试件的破裂面倾角与最大主应力夹角减小,均值约为76°,蠕变试件主要以剪切型破坏为主;采用改进的稳态蠕变速率法确定花岗岩的长期强度约为61.1MPa,约占单轴抗压强度均值的81.5%。随着蠕变应力的不断增大,瞬时应变呈现先减小后稳定的趋势;蠕变破坏时蠕变速率曲线呈“U”型,呈现先减小然后基本不变最后突增的趋势。(2)相对而言,当蠕变应力小于长期强度,声发射平均事件数、平均能量随着蠕变应力的增大无显著变化,但声发射平均振幅出现减小的趋势,当蠕变应力大于长期强度,声发射平均事件数、平均能量、振幅显著增大。在一定程度上可将累计能量突增作为岩石即将步入加速蠕变阶段的前兆特征。(3)当蠕变应力接近长期强度,震源主要分布在试件上下两端,沿加载方向震源zi值范围位于42mm~58mm较少;垂直加载方向震源由侧壁逐渐向轴线靠拢,震源ir值在0mm~5mm范围内几乎不存在。当蠕变应力大于长期强度,在减速、等速蠕变阶段,沿加载方向震源zi值主要在0mm~42mm与58mm~100mm的范围内;垂直加载方向震源ir值主要位于范围为6mm~25mm的外核心圈。加速蠕变阶段沿加载方向上震源由端面向中部汇聚;垂直于加载方向震源由试件外壁迅速向轴心汇聚,贯穿试件。当蠕变应力接近长期强度时,剪切型震源聚集于试件中上部与中下部;张拉型震源向着试件中部靠拢;混合型震源在端部越来越多。当蠕变应力大于长期强度,剪切型、张拉型及混合型震源都密集的分布在试件内部。(4)在蠕变破坏过程中,剪切型震源数目最多,占总震源数目的67.3%~75.2%;张拉型震源数目次之,占总震源数目的15.5%~23.1%;混合型震源数目最少,占总震源数目的9.2%~17.8%。对震级而言,随着蠕变应力的增大,混合型、剪切型及张拉型震源震级都呈逐渐增大的趋势。当蠕变应力大于长期强度时,剪切型震源震级均值最大,混合型震源震级均值最小。(5)当蠕变应力小于长期强度,主频范围起初主要位于230k Hz~340k Hz,随着蠕变应力的增大,增加两条主频带,范围分别30k Hz~35k Hz、100k Hz~130k Hz。当蠕变应力大于长期强度时,减速阶段、等速蠕变阶段的主频带范围增大,分别位于25k Hz~45k Hz、90k Hz~145k Hz、215k Hz~350k Hz的范围。在加速蠕变阶段,主频带明显拓宽,可将主频带开始明显拓宽作为步入加速蠕变阶段的一种辨识方法。在蠕变破坏时,剪切型、张拉型震源主频带范围在减速、等速蠕变阶段相似,其主频带范围大于混合型震源主频带范围。(6)在蠕变过程中,弹性应变能、耗散能与蠕变应力呈指数函数关系。当蠕变应力大于长期强度时,在减速蠕变阶段与等速蠕变阶段,弹性应变能与耗散能逐渐增大,在加速蠕变阶段,耗散能突然增大,弹性应变能先短暂下降然后突然增大。其中,弹性应变能短暂下降这一特征预示着此时微裂纹发生了质的变化,大量裂纹开始汇聚、贯通,也可作为进入加速蠕变阶段的判断依据。
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