GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2021/3954097 3954097 研究文章 研究的力学行为和花岗岩三轴压缩下的声发射特性 https://orcid.org/0000 - 0002 - 0093 - 7923 郭 嘉奇 1 https://orcid.org/0000 - 0003 - 4078 - 0374 刘 Pengfei 1 https://orcid.org/0000 - 0001 - 9755 - 2642 风扇 琪 2 张 恒远 1 刘 Richeng 1 土木工程学院 河南理工大学 焦作454000 中国 hpu.edu.cn 2 国防工程研究所中国解放军军事科学院 洛阳471023年 中国 2021年 21 9 2021年 2021年 8 8 2021年 26 8 2021年 21 9 2021年 2021年 版权©2021年嘉郭et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

研究花岗岩的岩石力学行为和破坏过程机制样本在三轴应力下,进行常规三轴压缩试验在rmt - 150 b岩石力学试验机,声发射探测器。试验结果表明,花岗岩样品具有良好的强度与围压的线性关系,内聚力<我nline-formula> c 花岗岩的样品是29.37 MPa,内摩擦角是54.23°通过计算基于莫尔-库仑强度准则。岩石样品的初始围压越大,裂纹萌生越大压力(<我nline-formula> σ ci )和膨胀压力(<我nline-formula> σ cd )的花岗岩标本,能源值越大裂纹起始点和膨胀点,和更大的峰值能量存储和能量释放率的失败。一个小的初始围压,AE铃流数和累计AE振铃计数增加到最大的瞬间峰值压力点,和样品的损伤发展迅速。初始围压高时,声发射振铃计数和花岗岩标本的累积声发射振铃计数增加均匀,变形破坏的花岗岩标本是缓慢的。在裂纹萌生,AE信号主要是低能耗和低频摩擦型AE事件,而扩张后,AE信号的样本主要是高频和高能量骨折类型AE事件。花岗岩样品的失效模式判断通过声发射参数的分布特征的值AE参数RA和房颤与现实一致。AE<我nline-formula> b 花岗岩样品价值大围压较低时,会突然下降,下降时间较晚,而且降低率很大。同一应力水平下,围压越大,越大损伤变量<我nline-formula> D 是多少。

 中国博士后科学基金会 2018年m631114 中国国家自然科学基金 51778215 1。介绍

围岩在高压力的区域的应力集中引起的能量储存在岩体释放暴地下工程建设的过程中,最终,围岩将骨折放松,剥落,排出甚至破裂的岩石和其他地质灾害发生( 1- - - - - - 3]。这类地质灾害严重威胁安全,进度,和地下工程施工成本 4, 5]。同时,研究深埋的力学行为和破坏机制下的坚硬的岩石三轴压力具有重要意义,揭示地下工程地质灾害工程稳定控制,合理的制定预防和控制措施 6, 7]。

大量的论文研究深入、系统地研究岩石材料的力学性能和能量演化特征在三轴压缩。马丁和钱德勒( 8)获得一个完整的应力-应变曲线和坚硬的岩石的失效模式大量脆性岩石的负载测试使用刚性试验机。宗庆后et al。 9)获得了法律,峰值强度、弹性模量、变形模量与围压增加线性分析砂岩的应力-应变特征和强度变形特性。加载岩石的失败的本质是能量积累和释放,所以它是有意义的学习法律进化的能量在不同机械载荷环境揭示岩石的破坏机理( 10- - - - - - 12]。在此基础上,谢et al。 13, 14]分析了能量进化机制和能量对岩石强度的影响在不同的机械状态下岩石的破坏过程,内部岩石能量耗散与释放之间的关系,和岩石强度,建立了失败的过程。田和Yu ( 15]对石灰石样品进行了三轴压缩试验,揭示了岩石的能量转换方法在压缩过程的每个阶段。张,高 16]分析了花岗岩的能量特征和压力之间的关系,应变,围压三轴压缩试验。上述研究结果极大地促进了能源研究的发展演变规律的过程中加载失败的坚硬的岩石,但上述研究没有关联的能量与岩石的断裂破坏过程演化。

声发射监测技术研究裂纹扩展具有重要意义和内部损伤复杂应力下脆性材料的断裂行为 17- - - - - - 19]。爱伯哈et al。 20.]研究花岗岩的破坏过程声发射监测,发现重要的开始AE活动对应于新裂纹的萌生。Ganne et al。 21]提出了四个阶段的声发射能量积累在岩石断裂过程通过AE测试技术对应微裂隙的发生、传播积累、聚合和最终失败;材料将显示明显的加速能量释放之前失败的特征。Cai et al。 22]提出的声发射频率谱图与裂缝的大小有关。新方法叫做累积AE冲击方法已开发目标的确定裂纹应力被赵转发et al。 23]。Zhang et al。 24研究了声发射的变化规律<我nline-formula> b 煤岩和显示的价值<我nline-formula> b 价值将下降迅速岩石时失败。唐,徐 25),爱伯哈et al。 26,刘等人。 27)使用AE事件和振铃的损伤特征岩石和岩石的损伤演化规律进行了研究。从上面可以看出,声发射技术起着重要的作用在岩石的失败和不稳定机制 28- - - - - - 30.]。然而,研究主要集中在单轴压缩和实际岩体在三轴应力比单轴压力。因此,研究不同围压下的坚硬的岩石声发射特征不够深入和系统。

建立AE参数之间的关系和坚硬的岩石的破坏机理,并进一步研究三轴应力下的坚硬岩石的损伤演化规律,在本文中,不同围压下的常规三轴压缩测试(5 MPa, 10 MPa, 15 MPa, 20 MPa)花岗岩标本进行了。花岗岩的力学性能和能量进化机制标本在不同围压下进行了研究。裂纹萌生的压力(<我nline-formula> σ ci )和膨胀压力(<我nline-formula> σ cd )的硬摇滚是基于线性能量耗散定律决定的。根据AE监测的结果,声损伤的特点在坚硬的岩石变形和断裂的过程中在不同初始围压进行了研究。花岗岩试样裂纹扩展的类型在不同加载时间被判断澄清了声发射信号的类型。声发射的演化规律<我nline-formula> b 研究了不同围压下的价值。损伤模型<我nline-formula> D 本文建立了花岗岩。本文的研究成果有意义的正确理解力学性能和断裂机制下的坚硬的岩石三轴压力和提供一个理论依据岩体力学参数的选择、工程设计计算和选择方案在地下工程的支持。

 2。实验调查 2.1。实验仪器和样品

常规三轴压缩本文开展了rmt - 150 b岩石力学试验机(如图 1(一))。仪器可以应用最多50 MPa的围压和最大轴向应力是1000 kN。在这项研究中,花岗岩的AE事件监视DS-5举办过程中样本加载,显示在图 1 (b)。与此同时,为了避免声波信号的衰减,黄油被用作偶联剂和传感器之间的样本,如图 1 (c),和适当的强化力量被用来确保良好的传感器和花岗岩样品之间的联系。采样频率是3兆赫,阈值设置为50,放大系数设置为40 dB,声发射传感器的频率RS-2A期间设置为150 kHz的声发射信号。

实验仪器和岩石标本。

rmt - 150 b岩石力学测试系统

DS-5 AE系统

声发射探头

岩石标本

岩体是相对完整的,没有明显的缺陷,和岩石的表面看起来光滑。最初的岩石是加工成一个圆柱体,直径50毫米和100毫米的高度,如图 1 (d)。花岗岩样品的加工精度是ISRM严格依照标准。花岗岩的密度是2.63克/厘米<年代up>3( 31日]。XRD分析被广泛用于测试岩体的矿物成分( 32]。因此,在这项研究中,XRD测试力量的花岗岩粉末进行了x射线衍射仪,如图 2。石英和钠长石是很难和化学稳定性;因此,含量越高,岩石的强度就越大。石英和钠长石花岗岩样品的内容占71%,66%,石英钠长石的是5%。在示例中,浊沸石占25%,浊沸石占4%。

岩石样品的x射线衍射模式。

 2.2。卸载方案

岩石样本用乳胶套在装货前;然后,刚性垫块直径50毫米和25毫米的高度,分别放置在上部和下部的花岗岩岩石样本;最后,岩石样本放入缸加载的压力。岩石样本加载到预定的围压在静水压力下,四组的初始围压(5 MPa, 10 MPa, 15 MPa, 20 MPa)被设置在这篇文章中,轴向应力的加载速率为1.00 kN / s,和围压的加载速率为0.500 MPa /年代应用于静水压力。然后,轴向压缩应用以恒定位移荷载率(0.005 mm / s),直到岩石样本被毁。

 3所示。实验分析花岗岩的力学性能 3.1。花岗岩的应力-应变曲线

完整的花岗岩样品在不同初始围压下的应力-应变曲线如图所示 3。

花岗岩的应力-应变曲线。

从图可以看出 3花岗岩样品的应力-应变曲线在不同初始围压都经历了压实阶段(OA)、线性弹性变形阶段(AB),塑性变形阶段(BC), postpeak破坏阶段(CD)。压实阶段(OA),原来的内孔和裂缝岩石样本被压实,应力-应变曲线显示明显的concaveness。当样品进入线弹性阶段(AB),在图 3弹性模量(<我nline-formula> E 1 )的花岗岩样品50.70绩点,和弹性模量(<我nline-formula> E 4 )花岗岩是69.54的绩点,这表明花岗岩样品展览显著压缩硬化。在塑性变形阶段(BC),样品的应力-应变曲线变得凹向上;围压越大,越明显prepeak屈服现象和塑性变形的样本,标本是逐渐从脆性转化为韧性。随着轴向压力的进一步应用,样品达到峰值点(C),峰值应力和峰值应变的花岗岩标本都随着围压的增加而增加。

 3.2。花岗岩的强度特征

岩石强度理论旨在表达产量和失败法在复杂应力条件下的岩石,这一直是岩土工程领域的一个重要问题。莫尔-库仑强度准则是最权威的强度理论( 33其表达式如下公式所示: (1) σ 1 = ξ σ 3 + σ c 。

的公式,<我nline-formula> ξ 是一个常数,<我nline-formula> σ c 单轴抗压强度(MPa)。根据公式( 1),拟合结果如图 4。

封闭压力和峰值应力之间的关系。

从图可以看出 4的相关系数<我nline-formula> R 2 三轴压缩试验结果的拟合为0.999,具有良好的线性关系。的参数<我nline-formula> ξ 和<我nline-formula> σ c 在方程( 1)都可以表示试样的强度参数,凝聚力(<我nline-formula> φ ),而内摩擦角(<我nline-formula> c ),其表达式如方程所示( 2)和( 3)如下: (2) ξ = 1 + 罪 φ 1 − 罪 φ , (3) σ c = 2 c 因为 φ 1 − 罪 φ ,

在哪里<我talic> φ是岩石的内摩擦样本(°),<我nline-formula> c 是岩石的内聚力样本(MPa)。基于拟合结果图 4与方程( 2)和( 3),凝聚力<我nline-formula> c 花岗岩的标本被计算为29.37 MPa和内摩擦角<我talic> φ为54.23°。

 3.3。花岗岩在不同围压下的故障特征

花岗岩是一个microdrum形状,导致一个明显的沿横向扩张的断裂过程中常规三轴加载。花岗岩试样的裂纹的声音清楚地听到当失败时,它反映了坚硬的岩石失败的特征。花岗岩的断裂特征的照片样品如图 5。

花岗岩样品在不同围压下的断裂特征。

σ 3 = 5 MPa

σ 3 = 10 MPa

σ 3 = 15 MPa

σ 3 = 20. MPa

从图可以看出 5接近尾声的样本,有部分断裂表面两侧的主要断裂表面;结束的岩石样本是更严重的破碎硬度计压头之间的摩擦效应引起的测试机和岩石样本的结束。花岗岩的主要形式的损伤标本在三轴压缩拉伸和剪切破坏。如图 5(一个),两个轴向拉伸断裂表面出现在岩石样本,这表明,试样的破坏compression-induced拉伸开裂,并拉伸裂纹的扩展在示例中起主导作用的损伤初始围压较低时花岗岩标本。当初始围压范围从10到20 MPa,岩石的失败样本以宏观剪切表面的形成。如图 4(b),大量的花岗岩标本骨折分裂在轴向裂纹;如图 4(c),岩石样本显示了典型的引水系统共轭剪切破坏;,如图 4(d),岩石断裂模式趋向于简化,和复杂的断裂模式主要由拉伸断裂逐渐转换成一个单一的剪切破坏模式。因为岩石样本内的矿物颗粒相互连着,配合紧密在高压下,导致增加凝聚力的花岗岩样品,是不容易拉伸断裂,最终,发生剪切破坏。显示在图 4(d),岩石样品的断裂角为73°,这是接近预测的理论断裂72.3°角莫尔-库仑强度准则(<我nline-formula> θ = 45 ° + φ / 2 )。

 4所示。能量进化不同围压下的花岗岩 4.1。能量分析原理

岩石加载失败是一个伴随着能量吸收的过程,存储和耗散( 34, 35]。假设所产生的热能不考虑外部温度变化,岩石上的外力做的功系统部分是存储为弹性应变能,和其他人都消散的形式耗散能量( 36, 37(见公式( 4)和图 6)。岩石将被摧毁时,弹性应变能达到能量存储极限,储存的弹性应变能的一部分转化为表面能生成新的裂缝,和多余的能量用于岩石动能,声能,热能,和各种各样的辐射向外界发布在其他形式( 14, 35]。 (4) W = U = U e + U d ,

耗散能量和能释放的应变能之间的关系

在哪里<我nline-formula> U 总能量的密度(MJ / m<年代up>3),<我nline-formula> U e 弹性应变能密度(MJ / m<年代up>3),<我nline-formula> U d 是耗散能量的密度(MJ / m<年代up>3)。原理图的弹性应变能之间的关系<我nline-formula> U e 如图 6。

进行常规三轴压缩试验,因此,可以得出结论<我nline-formula> σ 2 = σ 3 公式( 5)给了总能量的计算方法<我nline-formula> U 如下: (5) U = ∫ 0 ε 1 σ 1 d ε 1 + ∫ 0 ε 2 σ 2 d ε 2 + ∫ 0 ε 3 σ 3 d ε 3 = ∫ 0 ε 1 σ 1 d ε 1 + 2 ∫ 0 ε 3 σ 3 d ε 3 , (6) U e = 1 2 E 我 σ 1 2 + σ 2 2 + σ 3 2 − 2 μ σ 1 σ 2 + σ 2 σ 3 + σ 1 σ 3 ≈ 1 2 E 0 σ 1 2 + 2 σ 3 2 − 2 μ σ 1 σ 3 + 2 σ 3 2 , (7) U d = U − U e ,

在哪里<我nline-formula> E 我 是在卸载弹性模量;它可以取代弹性模量<我nline-formula> E 0 在计算 14]。

 4.2。能量演化过程不同围压下

根据公式( 5),( 6)和( 7),总能量的演化规律<我nline-formula> U ,弹性应变能<我nline-formula> U e 和耗散能量<我nline-formula> U d 花岗岩试样在加载和损害了常规三轴应力路径下使用起源软件,如图 7。基于样品的常规三轴应力-应变特征,应力-应变曲线可以分为初始压缩阶段(OA),弹性变形阶段(AB),骨折的稳定增长阶段(BC),骨折不稳定增长阶段(CD)和破坏阶段(DE)。

初始压缩阶段(OA):岩石样本基本上是吸收的能量转化为耗散能量<我nline-formula> U d 导致岩石内部微裂隙的关闭和摩擦滑动,此时基本上没有在样品储存能量。

弹性变形阶段(AB):样品的原始裂缝压实;没有能量耗散现象在岩石样本。储存的弹性应变能增加与弹性变形的发生,和弹性应变能的增加是恒定的。在这个阶段,围压越高,弹性应变能的存储率越高。

骨折的稳定增长阶段(公元前):在此阶段,能量仍不断输入样本,和输入能量主要是存储在可释放应变能的形式。样本中有大量微裂隙的启动和发展,但是样品中微裂隙的初始速度是稳定的,所以样品内部耗散能量的增加线性在这个阶段。样品的裂纹萌生的压力和膨胀压力可以由线性能量耗散定律(显示在图 7)。数据显示 7(一)和 7 (b)的裂纹萌生的压力和膨胀压力花岗岩样品随着围压的增加而增加。

不稳定骨折生长阶段(CD):内部的微裂隙岩石样本开始加速扩张和渗透。弹性能量的增长率大幅下降,和耗散能量的增长速度逐渐增加。结束的时候不稳定骨折增长阶段,弹性应变能达到标本的能源存储限制,和耗散能量显著增加。

破坏阶段(反):样本仍然可以从外界吸收能量后,轴向应力达到峰值应力。然而,这个时候,弹性应变急剧下降,由于塑性变形和耗散能量迅速增加,宏观裂缝渗透,和滑移位错的宏观裂缝消除大量的能量。最后,整个岩石结构的强度,和岩石被摧毁。在这个阶段,围压越大,越快的能量释放率花岗岩样品。在图 7(一),能量释放率的花岗岩样品377.69 MJ / m<年代up>3,在图 7 (d),能量释放率的花岗岩样品904.92 MJ / m<年代up>3。

能源不同围压下的花岗岩演化特征。

σ 3 = 5 MPa

σ 3 = 10 MPa

σ 3 = 15 MPa

σ 3 = 20. MPa

4.3。分析在特征点的能量

阈值压力的花岗岩样品依法确定线性能量耗散的部分 3.2,样品的围压之间的关系,总能量,弹性应变能和耗散能量得到阈值应力和峰值应力,如图 8。

围压和能源之间的关系在不同的特征点。

裂纹萌生点

膨胀点

峰值应力的观点

根据图 8不同时间下,每个标本的能量与围压高度相关。(1)裂纹萌生的时候,围压对总能量的影响更大<我nline-formula> U 和弹性应变能<我nline-formula> U e 花岗岩标本。能量吸收和存储的样本线性增加,及其增长率为0.011 (MJ / m<年代up>3)/ MPa,吸收和储存能量的变化趋势与围压是陡峭的,只有0.023 (MJ / m<年代up>3)/ MPa,当围压大于15 MPa。在裂纹萌生点耗散能量的变化并不显著,和耗散能量的值是0.039 MJ / m<年代up>3。(2)在扩张点,当围压小于10 MPa,总能量的变化趋势和弹性应变能的花岗岩样品是缓慢的,和能源增长率0.002 (MJ / m<年代up>3)/ MPa和0.005 (MJ / m<年代up>3分别)/ MPa。然而,总能量的增长率和弹性应变能是0.027 (MJ / m<年代up>3)/ MPa和0.022 (MJ / m<年代up>3分别)/ MPa,当围压大。在这个时候,耗散能量的变化仍不显著;耗散能量0.039 MJ / m<年代up>3。(3)峰值点,整体的总能量的线性法,弹性应变能,和围压的花岗岩样品更重要;当围压大于15 MPa,样品的耗散能量显著增加。如数据所示 8 (b)和 8 (c),围压越大,能量耗散的花岗岩样品损失和失败的过程,和样品的损伤变形相对就足够了。大量的能量被吸收围压高时岩石标本。这时,岩石样本的限制储能能力降低。因此,示例将释放大量的能量,所以具有巨大的能量释放率当它坏了。这一现象已被证实在岩石破裂等动力灾害在高地应力环境的地下工程建设。

 5。损伤分析的坚硬的岩石AE参数

岩石声发射是一种弹性波传播发布的原始裂缝和岩石材料和缺陷形成,起始,进化,扩张,新的微裂隙的断裂过程中加载( 38, 39]。岩石的声发射的进化信息包含在岩石破裂过程,和岩石将显示不同的声发射信号和裂纹扩展特征在不同压力水平。分析声发射信号之间的关系,并在此过程中裂纹扩展的特点的岩石断裂的研究有助于内部三维应力路径下的岩石断裂机理,具有重要意义进一步预测和预防的岩体灾害( 40, 41]。

5.1。定性损失分析的坚硬的岩石AE参数 5.1.1。AE环数花岗岩的特征

声发射技术是具有重要意义的研究材料损伤与断裂过程。振铃计数是一个参数,可以更好地反映材料的损伤与断裂过程的变化在许多声发射参数,因为它成正比,应变能释放的位错运动,包容和第二相粒子剥落、断裂和裂纹扩展的岩石材料( 18, 19]。图 9显示声发射振铃计数和累计振铃计数花岗岩样品的变形与破坏过程。

声发射振铃计数花岗岩标本的特征。

σ 3 = 5 MPa

σ 3 = 10 MPa

σ 3 = 15 MPa

σ 3 = 20. MPa

从图可以看出 9,在初始加载阶段,有少量的AE事件花岗岩试样在压缩阶段由于样本内的原始裂缝开始关闭,粗糙裂纹表面的摩擦效应发生。连续加载,样品进入弹性变形阶段;这时,声发射事件仍然是罕见的,因为压力在花岗岩标本是不够的产品新裂缝,和一代的声发射事件是由封闭的微裂纹表面之间的错位和谷物滑。当样品进入稳定微裂纹增长阶段,示例中的裂缝发起、分叉、稳定和发展,也老裂缝进入稳定发展的状态。声发射事件的示例开始增加,线性和累计振铃数增加。轴向载荷的进一步应用,内部微裂隙的样本加速扩展,聚合和渗透;样品的声发射事件变得活跃;和累计振铃数曲线是凹的。在峰值应力,AE事件极度活跃,声发射振铃计数达到最大值,累计振铃计数突然增加。

当围压很小(见图 9(一个)),prepeak阶段声发射振铃计数很小,和累计振铃数只<我nline-formula> 0.46 × 10 6 。累积环数急剧增加<我nline-formula> 0.46 × 10 6 来<我nline-formula> 6.27 × 10 6 从峰值点故障样本的过程。当围压大(见图 9 (d)),样品的AE活动相对活跃的骨折之前,和其累计振铃数已经达到了<我nline-formula> 2.24 × 10 6 。在低围压的情况下,花岗岩标本发生脆性破坏时的轴向应力达到材料强度;因此,声发射振铃计数增加其最大值瞬间破坏阶段;相反,轴向应力达到岩石材料的强度和塑性变形发生。然而,岩石材料的强度大大增强,由于围压效应。此时,样品仍然有很强的承载力,样品的内部损伤不断发展,和样品的承载力逐渐降低而变形逐渐增加。最后,标本在峰值应力达到极限承载力和延性故障;声发射振铃计数在这个过程中变得更加均匀。

 5.1.2中。声发射类型在不同围压下和时刻

声发射振铃计数可以定性地反映样品的内部损伤的程度在常规三轴加载失败过程中,声发射信号的类型可以根据声发射信号的频率和能量,从而进一步研究损伤标本内的类型。有两种类型的AE事件过程中岩石变形和破坏压力下( 42]。第一个是摩擦型声发射事件关闭造成的原始裂纹和材料颗粒之间的摩擦,低频和弱的能量。另一个是裂缝型声发射事件引起的新裂缝的扩张,和这种声发射相对较高的频率和能量。两种类型的AE事件对应于摩擦和断裂机制,分别。图 10显示峰值频率之间的关系和试样的声发射能量压实阶段结束时(点),裂纹萌生点(B点),肥大点(C点),峰值应力点(D)和故障点(点E)初始围压下5 MPa和20 MPa。

峰值频率和能量之间的关系在不同的时刻。

一个时刻

时刻B

时刻C

时刻D

时刻E

根据图 10,声发射信号的峰值频率和能量在不同时间同一围压有很大的差异。在数据 10(a1) 10(d1),应用轴向载荷,声发射信号的能量价值不断增加。最大的声发射能量的时刻是28 mV·女士,声发射能量的最大值是420 mV·女士目前的C, E和最大的声发射能量的时刻高达4610 mV·女士,这是171.79倍,目前的A。与此同时,随着loading-applied AE高频信号点的增加,声发射信号的频率的样品都集中在8.8 ~ 23.4 kHz的范围目前A和B(见图 10 ()和 10 (b)),它是由低频和低能摩擦型声发射事件。在C,少量的高频信号点样本中出现,这意味着在裂纹萌生,AE事件主要是诱导裂纹闭合和花岗岩样品中颗粒间的摩擦。时刻D和E(见图 10 (d)和 10 (e)),大量的高频信号点出现。这个时候,声发射模型逐步改变从低频和高频低能摩擦型AE事件和高能量骨折类型AE事件,和上面的过程是一致的样本三轴荷载作用下的变形与破坏过程。花岗岩样品的AE信号逐渐发展为高频和高能区域在低围压下。当围压高,数据 10 (d),高频和高能区域点的密度是最大的,而在图 10 (e),高频和高能信号点的数量明显减少,和更多的中频信号出现,这表明,高围压抑制张力裂缝的产生。

 5.1.3。RA和房颤参数与故障模式之间的关系

根据研究,RA的值和平均频率(AF)声发射参数可以反映岩石材料的失效类型,在RA可获得的价值上升时间除以声发射的振幅值和平均频率房颤是通过振铃计数和持续时间的比率。一般来说,AE信号AF值和高RA值很低,当剪切裂缝发起样本;否则,如果拉伸裂纹开始,AE事件AF高价值和低RA值( 43),如图 11。

RA值和房颤值之间的关系。

RA值和房颤的花岗岩样本计算和绘制散点图分布,如图 12。

AE参数RA与房颤的分布。

σ 3 = 5 MPa

σ 3 = 10 MPa

σ 3 = 15 MPa

σ 3 = 20. MPa

我们可以看到在图分布的点 12随着围压的增加,分布地区倾向于水平轴。在图 12(一个)点覆盖整个纵轴,主要集中在间隔<我nline-formula> 10 < 房颤 < 80年 。这时,AE信号RA价值和更高的AF价值较低,这表明样品的拉伸裂纹,当围压<我nline-formula> 0 < 类风湿性关节炎 < 40 。这时,声发射信号房颤和RA的区别很小,和拉伸和剪切裂缝裂缝相对发达的样本;当围压是15 MPa,点主要集中在水平轴和密度相对的间隔(0,40);标本失败产生的裂缝主要是剪切裂缝。在图 12 (d),这些点都是在整个水平轴,房颤的最大值降低从100年到70年,声发射信号的和RA值远远大于房颤的值。在这个时候,样品的剪切裂纹相对发达,和最终的性能是典型的剪切破坏。不同围压下岩石样本的失效模式的决定与实际情况一致。

 5.1.4。的特点AE < inline-formula > < mml:数学xmlns: mml = " http://www.w3.org/1998/Math/MathML " id = " M64 " > < mml: mi > b < / mml: mi > < / mml:数学> < / inline-formula >值在不同围压下

声发射现象所监测的声波在岩石变形和破坏应变能的释放。因此,声发射事件可以被视为一种微震的活动( 44, 45]。古登堡和里克特( 46)提出了统计地震震级和频率分布之间的关系: (8) lg N = 一个 − b 米 ,

在哪里<我nline-formula> 一个 和<我nline-formula> b 是常数相关的地震活动特征;<我nline-formula> N 是地震的数量和大小的范围<我nline-formula> Δ 米 ,它可以被认为是声发射事件样本;和<我nline-formula> 米 地震的大小,可以更换的声发射幅度(dB)除以20;公式( 8)可以写成 (9) lg N = 一个 − b 一个 dB 20. ,

在哪里<我nline-formula> 一个 dB (dB)声发射信号的振幅,<我nline-formula> N AE事件的数量,<我nline-formula> 一个 和<我nline-formula> b 是常数。的<我nline-formula> b 声发射的值是衡量裂纹发展的变化,和整体价值的变化趋势<我nline-formula> b 价值的岩石内部裂纹发展密切相关。当<我nline-formula> b 声发射的价值很大,这说明小事件的数量增加,和岩石内部裂纹的发展是一个渐进的和稳定的传播。时的值<我nline-formula> b 很小,这意味着AE小事件的比例减少,而大事件的数量增加,这表明样本内的裂缝发展显著,和岩石可能受损。为了避免大错误计算,本文选择100 AE信号作为一个群体的数据来计算<我nline-formula> b AE的价值通过使用最小二乘法;的变化<我nline-formula> b 在常规三轴加载值的样本图所示 13。

时间和之间的关系<我nline-formula> b 不同围压下的价值。

σ 3 = 5 MPa

σ 3 = 10 MPa

σ 3 = 15 MPa

σ 3 = 20. MPa

从图可以看出 13在加载的早期阶段,<我nline-formula> b 样本在不同围压下的值很低,通常和AE振幅高10 - 20分贝左右。低<我nline-formula> b 值和高振幅是由于原来的孔和裂缝岩石样本中被压实。在弹性变形阶段,AE振幅较低,低于10分贝。的<我nline-formula> b 声发射的突然增加到最大值,最大值附近略有波动。这表明小AE事件的数量越来越多,大型和小型活动的比例变化在这个阶段,岩石内部裂纹的发展是缓慢的,和原始裂缝和再生的发展与不同尺度裂缝相对稳定。随着荷载继续增加,<我nline-formula> b 声发射的价值开始下降,峰值应力达到最小值。在这个过程中,AE重大事件的比例不断增加,样品的内部裂缝加速扩张,和大型裂缝的数量逐渐增加,最后,发生故障。

可以看到图 (13日)的最大价值<我nline-formula> b 值是0.44,<我nline-formula> b 声发射的价值大幅下降79%<我nline-formula> σ c ,然后,下降的速率<我nline-formula> 3.65 × 10 − 3 年代 − 1 。可以看到图 13 (d)的最大价值<我nline-formula> b 值为0.28,开始减少为59.3%<我nline-formula> σ c ,但还原速度<我nline-formula> 9.46 × 10 − 4 年代 − 1 。上面的现象主要是由于试样的变形和损伤的发展不足小围压下,它显示了脆性破坏的特征。因此,在变形和破坏过程中,<我nline-formula> b 价值更大,<我nline-formula> b 值将下降突然而迅速减少。在大围压的情况下,由于围压和高应力水平的限制,标本的裂缝完全开发和展览延性变形和破坏过程。此时,<我nline-formula> b 值小,减少时间<我nline-formula> b 值是早期,减少的速度是慢。

 5.2。三轴应力下的损伤模型的花岗岩

从以上的研究中,很明显,声发射参数可以定性地描述材料在一定程度上的伤害和失败( 47, 48]。概率密度函数<我nline-formula> f V 本文引入[ 2)建立声发射事件和相应的应力水平之间的关系量化,如图所示: (10) f V d V = d N N 0 ,

在哪里<我nline-formula> V 是压力;它可以获得在某些时刻的应力除以花岗岩试样的强度对应的围压下,<我nline-formula> N 累积事件的数量,<我nline-formula> N 0 是总累积事件的数量。之间的关系<我nline-formula> V 和<我nline-formula> N (以下公式所示 49]: (11) V = 一个 + c ln 1 + 问 N 。

基于方程( 11)、常规三轴压缩试验数据样本的拟合,并拟合结果如图 14。

之间的关系<我nline-formula> N 和<我nline-formula> V 。

从表可以看出 1的相关系数<我nline-formula> R 2 拟合结果分布在0.966和0.992之间,所有这些都大于0.950。它表明,压力水平<我nline-formula> V 和累积事件的数量<我nline-formula> N 在不同围压下有良好的对数关系,和的值<我nline-formula> 一个 ,<我nline-formula> c ,<我nline-formula> 问 方程( 11)在不同围压下通过拟合获得的。我们的替代品( 11)到公式( 10),通过积分操作,如图所示: (12) f V = 1 N 0 1 + 问 N 一个 + c 问 + 一个 问 N 。

拟合的结果<我nline-formula> V 和<我nline-formula> N 。

围压(MPa) 一个 c 问 R 2
5 0.0127 0.224 27.822 0.982
10 0.0170 0.224 33.846 0.992
15 0.0307 0.248 14.712 0.966
20. 0.0384 0.214 37.594 0.976

从方程( 12)和拟合结果如图 13之间的关系,<我nline-formula> f V 和<我nline-formula> V 可以得到如图 15。

之间的关系<我nline-formula> f V 和<我nline-formula> V 不同围压下。

为了研究损伤变量<我nline-formula> D postpeak花岗岩的阶段,应力水平postpeak阶段定义如下: (13) V = 1 + σ 马克斯 − σ σ 马克斯 ,

在哪里<我nline-formula> σ 马克斯 的峰值应力对应的初始围压下的花岗岩标本(MPa)。<我talic> σ是花岗岩标本的压力在某种程度上在postpeak阶段(MPa)。

损伤变量<我nline-formula> D 花岗岩的标本可以获得通过集成概率密度函数<我nline-formula> f V 如图所示: (14) D = ∫ 0 V f V d V 。

不同围压下花岗岩的破坏曲线可以获得使用起源软件集成<我nline-formula> f V 量 V 曲线,如图 16和公式( 15)。 (15) σ 3 = 5 MPa : D = 1.350 V 3 − 1.570 V 2 + 0.494 V − 0.023 , R 2 = 0.997 , σ 3 = 10 MPa : D = 0.712 V 3 − 0.573 V 2 + 0.167 V − 0.005 , R 2 = 0.999 , σ 3 = 15 MPa : D = 0.761 V 3 − 0.369 V 2 + 0.119 V − 0.001 , R 2 = 0.998 , σ 3 = 20. MPa : D = 0.783 V 3 − 0.313 V 2 + 0.088 V − 0.001 , R 2 = 0.999 。

损伤曲线的花岗岩样品在不同围压下。

从图可以看出 16和公式( 15),有一个积极的比例之间的线性关系<我nline-formula> D 和三次多项式<我nline-formula> V ;拟合得到的相关系数都大于0.99。从图可以看出 16,初始围压越大,越大的岩石损伤参数<我nline-formula> D 是同一应力水平下,造成的岩石,将出现粘滑运动现象在高围压下。应力水平大于1.1时,试样的损伤变量在5 MPa大于10 MPa。

 6。结论

不同围压下的常规三轴压缩试验进行了论述。通过测试结果获得以下主要结果:

花岗岩样品的弹性模量和塑性变形很小,和脆性特征重要当样品的围压较低;相反,花岗岩样品有明显的压缩硬度和韧性的特点。花岗岩试样的峰值应力和应变的增加线性增加围压的样本。根据莫尔-库仑强度准则,花岗岩样品29.37 MPa的凝聚力和内摩擦角是54.23°

裂纹萌生(<我nline-formula> σ ci )压力和膨胀压力(<我nline-formula> σ cd )的硬摇滚测定线性能量耗散的律法的基础上,得出的结论<我nline-formula> σ ci 和<我nline-formula> σ cd 花岗岩标本随着围压的增加而增加。围压有显著促进作用的能量储存能力花岗岩样品。在裂纹萌生和扩展点,样品的总能量和弹性应变能随着围压的增加而增加,但耗散能量是不受围压的影响。每个能量样本的值与初始围压的增加显著增加,峰值应力。围压越高,能量释放越快的样本是在破坏阶段

振铃计数和累计振铃数迅速增加到最大值附近的峰值应力,而围压很小,和标本突然失败在很短的时间。相反,当振铃计数和累积环数增加更平稳,声发射信号变得活跃在扩张点的变形损伤样本是充分发展。在裂纹萌生,AE信号主要是低能耗和低频摩擦型AE事件,而扩张后,AE信号的样本主要是高频和高能量骨折类型AE事件,以及声发射信号有更大的能量,当围压大

典型的拉伸断裂断裂发生在花岗岩样品在低围压下,和tension-shear复合故障或典型的剪切破坏是花岗岩样品中发现在高围压下,这是符合花岗岩样品的失效模式判断通过声发射参数的分布特征的值AE参数RA和房颤。在低围压的情况下,声发射<我nline-formula> b 花岗岩样品价值很大,将会有一个突然的下降,下降时间较晚,而且降低率很大。在相同的应力水平,初始围压越大,越大损伤变量<我nline-formula> D 是

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(51778215)和中国博士后科学基金资助项目(2018号m631114)。作者非常感谢金融机构的支持。

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