不同粒径类岩石材料单轴压缩过程声发射参数及相对平静期特性研究

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岩石破坏前声发射相对平静期普遍被认为是岩石破坏的一个重要前兆特征,揭示岩石声发射相对平静期机理具有重要的理论价值和现实意义。为充分认识岩石材料破坏过程中声发射参数特性及相对平静期与其内部颗粒的关系,量化相对平静期特性,筛选出0.08~0.16mm、0.315~0.63mm、1~1.25mm及1.5~2mm等4种粒径高纯度石英砂作为骨料,以水泥为胶结剂制作岩石模拟材料(类岩石材料),对类岩石材料进行单轴压缩-声发射试验并结合数值模拟,就声发射参数及相对平静期与粒径的关系进行研究和探讨。试验研究所得主要结论如下:(1)各粒径试件应力-应变曲线都较为圆滑,表现出较强的延性,大粒径试件更为明显;其变形特征也随粒径的变化表现出较大差异。4种试件中,粒径0.315~0.63mm的试件弹性模量及单轴抗压强度最大;在0.315~2mm内粒径越大弹性模量及单轴抗压强度越小。(2)4种粒径试件声发射参数演化规律为:粒径越大,声发射活跃期越靠后。振幅分形与能量分形演化特性基本一致,在试件受压过程中虽然有波动但总体呈下降趋势。试件破坏分形临界判别点基本处于应力水平60%~90%范围内。初始压密阶段,粒径为1~1.25mm和1.5~2mm的试件比粒径为0.08~0.16mm和0.315~0.63mm的试件r(∑N/∑E)值下降的更为突然;峰值应力点处,大粒径试件r值出现一个小的突降。(3)粒径在0.08~2mm之间时,粒径越大类岩石材料声发射相对平静期现象越普遍;粒径在1~2mm范围内,粒径越大相对平静期历时越长。声发射相对平静期处低主频波动范围变窄且无较低主频出现,相对平静期后试件完全破坏或应力出现明显下降时,较低主频信号才会产生。110~120kHz为类岩石材料破裂过程的敏感频段,该频段出现率在峰值破坏前兆相对平静期处明显降低。(4)大粒径试件声发射高主频信号比小粒径试件多,且最高主频值也更大;在峰值应力点处4种粒径类岩石材料存在较低主频与最高主频共存的的现象。(5)数值模拟中,峰值应力点处微裂纹累计数随着粒径的增大而减少。粒径为1.5~2mm的试件,峰值应力前应力百分比90.37%~97.14%范围内几乎无微裂纹产生,与声发射相对平静期规律一致。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
第一章 绪论第10-19页
    1.1 课题来源第10页
    1.2 研究目的与意义第10-11页
    1.3 国内外研究现状第11-17页
        1.3.1 矿物颗粒与力学性质关系研究第11-12页
        1.3.2 声发射技术研究第12-13页
        1.3.3 岩石破坏声发射前兆特征研究第13-14页
        1.3.4 岩石声发射相对平静期研究第14-16页
        1.3.5 岩石矿物颗粒与声发射特性关系研究第16-17页
    1.4 研究内容与方法第17-19页
        1.4.1 研究内容第17-18页
        1.4.2 研究方法和技术路线第18-19页
第二章 不同粒径类岩石材料单轴压缩声发射试验第19-32页
    2.1 石英砂材料特性第19页
    2.2 试件制备第19-23页
    2.3 试验设备第23-24页
        2.3.1 加载设备第23页
        2.3.2 声发射信号采集设备第23-24页
    2.4 试验过程第24-25页
    2.5 试验结果第25-31页
        2.5.1 变形特征第26-28页
        2.5.2 破坏形式第28-29页
        2.5.3 强度特征第29-31页
    2.6 本章小结第31-32页
第三章 声发射参数特性研究第32-61页
    3.1 基本参数第32-40页
        3.1.1 基本参数的选取依据第32-33页
        3.1.2 振铃计数率和能率分析第33-40页
    3.2 分形特征第40-55页
        3.2.1 分形维数的计算第41-42页
        3.2.2 m值的选取及分形的判定第42-44页
        3.2.3 结果分析第44-55页
    3.3 声发射∑N/∑E值第55-60页
        3.3.1 ∑N/∑E计算第55页
        3.3.2 结果分析第55-60页
    3.4 本章小结第60-61页
第四章 声发射相对平静期特性研究第61-83页
    4.1 声发射相对平静期现象分析第61-69页
        4.1.1 相对平静期现象第61-62页
        4.1.2 损伤变量的计算第62-63页
        4.1.3 相对平静期分析第63-69页
    4.2 声发射相对平静期主频特性第69-82页
        4.2.1 主频分布特性第69-77页
        4.2.2 敏感频段出现率演化特性第77-82页
    4.3 本章小结第82-83页
第五章 破坏过程数值模拟研究第83-88页
    5.1 PFC颗粒流模拟分析第83-87页
        5.1.1 细观力学响应参数第83-85页
        5.1.2 微裂纹累计数第85-87页
    5.2 本章小结第87-88页
第六章 结论与展望第88-90页
    6.1 结论第88-89页
    6.2 展望第89-90页
参考文献第90-95页
致谢第95-96页
攻读学位期间的研究成果第96-97页
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