三轴压缩条件下红砂岩特征强度点的声发射特征

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赋存在复杂地质条件下的脆性岩石的变形和强度特性是研究岩石力学性质的重要基础,因此有必要深入研究岩石破坏全过程的变形和强度特性,从而揭示围压效应下的岩石破坏机制。目前,在静载条件下采用声发射∑N/∑E值和RA值来对围压效应下的岩石失稳破坏进行预测、预报方面的研究鲜有报道。研究三轴压缩下岩石完全破裂前的声发射平静期,从而对探寻岩石破裂前兆信息具有重要意义。本文以国家自然基金项目“渗透压力作用下岩石蠕变声发射震源主频特征及其能量机制”(No.5170040924)和江西省自然科学基金青年基金项目“基于矩张量分析的花岗岩蠕变声发射声源机制及其主频特征”(No.20171BAB216022)为依托,对红砂岩进行三轴压缩声发射试验。分析了红砂岩的变形和强度特性,探讨了力学参数与围压的关系;着重研究了红砂岩在围压效应下的各特征强度点的声发射特性。在此基础上,建立了岩石加载过程中的裂纹变化规律与声发射特性的关系。提出了基于声发射预测三轴压缩下红砂岩失稳破坏的方法;最后研究红砂岩围压效应下完全破裂前的声发射平静期,采用损伤变量定量分析声发射平静期,从而量化红砂岩破裂前兆信息,还讨论了岩石失稳破裂整个过程裂纹发育与声发射平静期的关系。研究结果表明:(1)采用Martin提出的裂纹体积应变法获得红砂岩三轴压缩特征强度点(σcc、σci、σcd)值,论证了围压对红砂岩的变形和强度特征具有较大影响,红砂岩的破裂角随着围压的增加而逐渐减小。(2)围压效应下红砂岩破坏声发射水平(事件数、振铃计数、能率)在加载初期到闭合应力σcc及闭合应力σcc到起裂强度σci区间段较小,然而在起裂强度σci到损伤强度σcd区间段声发射逐渐活跃,扩容应力(即损伤强度σcd)之后声发射水平明显提高,并且在临近破坏时出现突增,声发射特征参数达到最大值,累计声发射振铃计数的斜率k值达到最大。在围压效应下,声发射特征参数的时间分布特征和红砂岩试样的应力时间特征并没有完全同步,声发射特征参数最大值明显稍滞后于红砂岩宏观破坏时间。(3)红砂岩三轴压缩下声发射主频特征:随着外荷载的增加,声发射主频逐渐变宽,而且在岩石破裂前,存在300~400kHz,0~50kHz主频带,该主频特征可作为红砂岩三轴压缩失稳破坏的前兆特征。在整个红砂岩加载过程中,声发射r值表现为加载初期波动较大,随后减少并保持稳定,紧接着r值增大,在峰值强度前r值骤降的特征;而声发射b值整体上波动较大,在峰值强度前突然下降特征,以上声发射r值和b值的特征可作为预测红砂岩失稳破坏的方法。以最新提出的声发射RA值来分析红砂岩破坏过程中的裂纹发育,从不同围压下声发射RA值变化特征分析,在红砂岩三轴加载初期,声发射RA值在空间分布上是少量且随机的,低围压RA值以中高区出现,因此以张拉裂纹为主,高围压低RA值区域出现以剪切裂纹为主。随着外力的不断增加,当低围压时,岩石内部的张拉裂纹将会主要集中在剪切带上并伴随少量剪切裂纹,而在高围压时,会发现声发射在红砂岩内部以剪切裂纹占较大比重并呈弥散分布。(4)以损伤变量曲线斜率增大→减小→增大变化趋势来定量分析声发射平静期,将斜率减小历时段定义为声发射平静期,随着围压的增大,声发射平静期历时会延长,准平静期的耗时与加载至峰值历时的比值随着围压增大越大,通过分析建立起红砂岩破裂裂纹发育与声发射平静期的关系,在声发射平静期历时段红砂岩加载过程中的裂纹以剪切裂纹为主。
摘要第4-6页
Abstract第6-8页
第一章 绪论第11-20页
    1.1 课题来源第11-12页
    1.2 研究目的与意义第12-13页
    1.3 国内外研究现状第13-17页
        1.3.1 岩石破坏声发射预测方法第13-14页
        1.3.2 岩石渐进破坏过程及损伤演化特征第14-15页
        1.3.3 声发射平静期第15-17页
    1.4 主要研究内容第17-18页
    1.5 研究方法和技术路线第18-20页
        1.5.1 研究方法第18-19页
        1.5.2 技术路线图第19-20页
第二章 红砂岩三轴压缩声发射试验第20-31页
    2.1 试验方案第20-27页
        2.1.1 试件制备第20-22页
        2.1.2 试验方法第22-24页
        2.1.3 试验步骤第24-27页
    2.2 试验系统第27-29页
    2.3 试验结果第29-30页
    2.4 本章总结第30-31页
第三章 试验结果力学特性与破裂角分析第31-43页
    引言第31页
    3.1 红砂岩特征强度分析第31-35页
        3.1.1 特征强度确定方法第31-33页
        3.1.2 红砂岩特征强度确定第33-35页
    3.2 力学参数分析第35-37页
    3.3 红砂岩变形特征分析第37-39页
    3.4 红砂岩强度特征分析第39-41页
    3.5 红砂岩破裂角分析第41页
    3.6 本章总结第41-43页
第四章 红砂岩特征强度点的声发射特征第43-65页
    引言第43页
    4.1 声发射参数第43-44页
    4.2 红砂岩声发射振铃计数和能率与及事件数特征分析第44-52页
    4.3 红砂岩声发射主频特征第52-55页
    4.4 红砂岩声发射∑N/∑E值及b值特征第55-60页
    4.5 红砂岩声发射RA值分布及破坏机制第60-63页
    4.6 本章总结第63-65页
第五章 红砂岩声发射损伤特征及声发射平静期分析第65-78页
    引言第65页
    5.1 损伤模型第65-67页
    5.2 损伤演化分析第67-70页
    5.3 声发射平静期特征分析第70-74页
    5.4 红砂岩裂纹发育与声发射平静期的关系第74-76页
    5.5 本章总结第76-78页
第六章 结论与展望第78-81页
    6.1 结论第78-80页
    6.2 创新点第80页
    6.3 展望第80-81页
致谢第81-82页
攻读学位期间的研究成果第82-83页
参考文献第83-87页
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