单轴压缩条件下岩石特征应力与声学信号关系试验研究

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对于硬脆性岩石而言,其受力损伤破坏通常经过压密、线弹性变形、裂纹稳定扩展、裂纹非稳定扩展及峰后破坏五个阶段,该五个变形破坏阶段的分界点被称为裂纹闭合应力σcc、裂纹闭合应力σci、损伤应力σcd、峰值应力σc。上述岩石受力损伤破坏过程通常伴随着内部微裂纹的孕育、扩展、合并及成核演化,该过程将引起岩石波速的变化。同时,岩石受损引起的微裂纹的演化过程伴随着声发射信号的变化。本文以红砂岩与花岗岩为例,开展单轴压缩条件下岩石声发射试验,研究不同特征应力区间内波速及声发射信号特征规律。通过比较波速与声发射参数,揭示岩石内部微裂纹的演化规律,探索波速与声发射信号在不同特征应力区间内的响应规律。主要研究内容与成果如下:(1)研究了岩石试件破坏过程中的波速演化规律,试验结果表明岩石的波速与特征应力具有一定的相关性,岩石波速在应力跌落时出现下降。不同岩性试件波速变化幅度具有显著差异,花岗岩波速增幅最高达到8%~11%,而红砂岩波速增幅最高达到29.5%~3 5%。(2)将波速变化率与波速最大值确定为划分波速异常点的依据,确定了四个波速异常点,分别为V1、V2、Vmax、V3,并根据波速异常点划分出迅速增长-平稳增长-波动-急速降低四个不同的波速变化阶段。对波速异常点与特征应力点两者之间的对应关系进行了研究,其中V2、V3与σci、σc十分接近,V1、Vmax则早于σcc与σcd。(3)采用了两种不同响应频带的声发射传感器,研究了红砂岩与花岗岩在不同特征应力区间内的声发射高低频信号变化特征。花岗岩试件声发射低频信号主要集中于压密阶段,声发射高频信号主要出现于弹性阶段末期;红砂岩试件声发射低频信号主要集中于压密阶段与弹性阶段前中期,声发射高频信号也主要出现于弹性阶段末期。(4)花岗岩试件与红砂岩试件声发射主频均主要集中在三个频带中,主要分布范围略有差异。花岗岩试件主频分布范围为100~150kHz、200~270kHz以及300~350kHz,红砂岩试件主频分布范围为100~150kHz、200~250kHz以及270~320kHz。整个应力过程中较低与较高主频频带占比在80%以上,在损伤应力点(σcd)附近占比开始大量增加,在峰值应力点(σc)处占比达到最大,且红砂岩高频带主频占比比花岗岩高频带主频占比更高。声发射主频频带的增加与变宽反映着岩石试件内部微裂纹的迅速扩展、贯通,能够作为岩石试件破坏的前兆特征。(5)比较了波速与声发射参数两种不同的岩石损伤表征模型在不同特征应力区间内的差异,其中以波速建立的损伤模型在起裂应力点(σcd)以后开始出现损伤累计,并在峰值应力点(σc)处出现损伤突增的现象;而在声发射特征参数建立的损伤模型中,花岗岩试件在损伤应力后出现明显损伤累积,而红砂岩试件则在弹性阶段内更早出现明显损伤累积,两者均在损伤点以后出现损伤陡增的现象。同时,不同声发射参数表征的岩石损伤具有不同的表现形式与响应程度。声发射事件数表征的岩石损伤变化较为平滑,而声发射振铃计数与能量表征的岩石损伤具有明显的突变性,且声发射事件数所表征的岩石损伤起始点早于以声发射振铃计数与能量所表征的岩石损伤点,对比可得,其中以能量定义的岩石损伤更能准确反映岩石试件的真实损伤。
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