调查动态频率的影响在Preflawed岩石断裂演化下的多级循环加载:洞察力从声发射监测

文摘

本研究旨在揭示动态加载频率的影响在断裂演化行为preflawed多级循环加载条件下岩石样本。使用应力-应变断裂演化特征进行了描述和原位声发射技术。结果表明,岩石强度、变形、AE模式,和疲劳寿命是强烈应用动态加载频率的影响。岩石疲劳强度和寿命随着动态加载频率的增加而增加。声发射计数和能量输出增加应用加载频率的增加。六种开裂模式揭示了AE光谱频率分析。结果表明,大型裂缝很容易形成岩石受到高频负载,反映与high-frequency-high-amplitude AE信号的死亡信号特性。建议应用动态加载频率对裂纹合并有明显的影响在石头桥。测试结果都有利于增进认知的动态频率对裂纹传播行为的影响,可以将预测岩体结构的稳定岩体承受疲劳载荷。

1。介绍

许多类型的负载应用于岩体是循环本质上,包括人为工程荷载和环境负荷。循环岩石力学行为涉及多种岩石工程,采矿工程、油气田开发工程、地下开挖工程、抽水蓄能水电工程和石油和天然气存储工程(1]。压力扰动对岩石损伤积累,扰动负载通常相当于循环/疲劳载荷。相当大的努力一直在调查循环荷载进行岩石力学性能。在这些研究中,循环荷载对岩石结构恶化的影响被广泛研究[2- - - - - -6]。人类活动之间的相互作用和岩石工程建设突出研究岩石的循环行为的重要性。当岩石经历循环特别是疲劳载荷,几种不同的动态灾难(如岩石爆破,崩溃,和山体滑坡)现象发生扰动,影响岩石结构的长期稳定性和岩石工程(2]。因此,岩石的地质属性的调查受到循环和疲劳载荷总是重要的,以确保长期的采矿和土木工程中的岩石结构的可靠性。

岩石疲劳特性已经被许多学者发现在实验室里。至于疲劳岩体的动态行为,应力幅值和加载频率总是主要的研究检查(6- - - - - -11]。辛格(12,13]对花岗岩进行了系统的疲劳测试,发现疲劳寿命随应力幅值增大而减小。通用电气(14和通用电气等。15]发现,疲劳阈值存在的岩石,岩石会损伤和应力幅值超过阈值时失败。他们还发现,疲劳阈值接近裂纹损伤强调静态应力-应变曲线。Bagde和Petroš9]测试完整的砂岩样品从煤矿循环载荷作用下,发现加载频率和振幅对岩石动态行为有很大的影响。他们还指出,加载波形有强烈影响循环加载条件下的损伤累积。Fuenkajorn和Phueakphum16)进行了三轴循环试验,建立了岩石强度和循环荷载之间的关系。此外,他们发现弹性模量几乎保持不变,直到试样失败了。刘和他(10]研究了围压对循环的影响力学性能完整的岩石样本,提出了残余应变的方法来描述初始疲劳损伤和损伤扩展。王等人。17]研究花岗岩三轴压缩下的疲劳行为,发现使用轴向残余应变可以描述岩石的疲劳行为。罗伯茨et al。18]研究了岩盐的蠕变和膨胀行为在疲劳载荷下,揭示盐岩石的变形特征。塔等。19]对褐煤进行了循环荷载试验,发现褐煤的机械性能没有显著影响循环荷载和累积不可逆转的轴向应变。风扇等。20.)进行不连续对盐和循环荷载测试揭示了微分疲劳寿命的盐相比,连续循环荷载试验。彭et al。21]研究了加载频率对砂岩的机理,发现增加频率可以提高岩石的强度。王等人。3)揭示了各向异性层间的大理石的疲劳行为受到恒定应力振幅装载情况;他们发现,层间的结构影响最终的断裂形态的岩石。王等人。4)进行了三轴疲劳cyclic-confining压力卸荷试验大理石;岩石内部结构的影响在能源演化和断裂模式已被调查。

文献回顾后,岩石的动态频率对疲劳力学行为的影响是有限的恒定应力振幅加载条件。然而,在实际的岩石工程,尤其是在矿业或土木工程,岩石受到频繁的压力扰动变量应力振幅(17,18]。例如,在地下采矿,爆破产生的交变载荷也产生多层次对某种岩石结构的影响;在露天采矿、连续岩石边坡的开挖,应用应力幅值是不同的,而不是常数(22,23),也就是说,岩石累计损伤所引起的增加振幅循环应力条件改变了岩石结构,岩体的最终失败;水电站,循环加载产生的水位的上升和下降是多层次;铁路或公路,循环荷载产生的增加与减少负载能力和汽车的数量也是多层次的。结果,探讨岩石疲劳行为在不同应力幅值在整个压裂过程是必要的。此外,岩石的破坏形态后疲劳载荷实验只能观察到从岩石表面,内部裂纹模式,也很难发现和介观失败机制还不是很清楚。此外,由于远场爆炸振动和车辆荷载的影响,动态频率是在岩石上是不同的,而不是常数。因此,调查动态频率岩石受到的影响增加振幅循环荷载和关键在岩石工程是必要的。

在这个工作中,一系列增加振幅循环荷载试验不同的动态频率对花岗岩样品执行,包含两个缺陷。角的两个缺陷的方法是设计为50°根据岩石在露天边坡桥梁结构。花岗岩的断裂演化由声发射(AE)监控,而且,最后裂纹合并模式是可视化的三维CT扫描技术。这项工作重点是揭示动态加载频率的影响在压裂的花岗岩演化受到增加振幅循环荷载路径;结果有助于了解岩体应力扰动条件下的退化机制。

2。材料和方法

2.1。岩石材料和样品制备

某露天矿边坡岩体岩石材料来自新疆Hejing北展铁矿,位于新疆,中国的西北。从岩体的观察,三组关节在露天边坡存在;一个典型的锁定类型结构(即。,rock bridge structure) can be observed from the outcrop. The coalescence of the locking segment has a strong effect on the stability of the rock slope. After field investigation, a dominant joint having an approach angle of 50° to the rock stratum was observed. According to the method recommended by ISRM, the rock mass obtained from the open pit slope was prepared into a cylinder with a diameter ( )50毫米的高度 )的100毫米。样品的两端是抛光,确保不均匀性误差小于0.05毫米和并行度小于0.1毫米。

为了模拟岩体的岩桥结构,圆柱形岩石核心有两个无法匹敌的缺陷是准备使用水射流系统(图1(一))。高压水与石榴石磨料喷射混合从一个0.75毫米直径1毫米的孔喷嘴产生缺陷(2]。详细的方法来产生两个缺陷可以在王等。2]。double-flawed样本的几何缺陷的组合水平缺陷长度( )和上斜缺陷( )16毫米。倾斜的缺陷有方法角度( )50°水平的缺陷。岩桥的长度( )(即。,rock bridge length) as defined in Figure1 (b)被设置为20毫米以允许裂纹在锁定部分聚结。

2.2。测试程序

这项工作中所使用的测试装置包括一个生殖芽细胞肿瘤RTR 2000岩石力学试验机和PAC声发射(AE)装置由物理声学股份有限公司、美国,如图2。岩石力学机的动态加载频率为0 ~ 10赫兹。PAC AE系统用于监控整个破解过程。AE的详细描述系统可以在文献中找到王et al。2]。AE波形、AE计数、能量、频率,振幅,上升时间,等等,记录在样品变形。

的花岗岩样品有两个先前存在的缺陷,进行了两种测试类型,即。,(1)conventional uniaxial static compression test and (2) uniaxial increasing-amplitude stress-cycling tests. For the static loading test, a constant strain rate of 0.06 mm/min (i.e., 年代⁻¹)是应用于花岗岩样品。动态增加振幅应力循环实验,从爆炸的监测数据变化和循环加载电车,动态频率是不同的,而不是常数;四种动态频率应用到有缺陷的花岗岩样品,即。,0.04,0.1,0.5和1.0赫兹。首先,样本加载5 MPa的压力以恒定应变率0.06毫米/分钟(也就是, 年代⁻¹);然后,循环动态加载与一定的加载频率(即加载。,0.04,0.1,0.5,和1.0赫兹)。在疲劳加载过程中,第一循环动态加载阶段,stress-controlled正弦循环荷载的应力幅值10 MPa应用。在每个后续循环荷载阶段,应力幅值也增加了10 MPa,由正弦交变载荷控制类型。压力循环继续以这种方式直到样品最终失败了。对于每一个动态循环加载阶段,30压力循环应用于花岗岩样品。两组样品进行测试;在我组,他们经历了单调的单轴加载;在第二组中,它们受到增长幅度应力循环条件下,表中列出1。

3所示。结果分析

3.1。典型的循环应力-应变响应

样品在不同动态加载频率、加载路径和相关的应力-应变曲线绘制在图完成3。数据3(一个),3 (c),3 (e),3 (g)表明不同疲劳载荷阶段进行样本;他们是5、6、6、7阶段,分别。它还表明,载荷循环的数量是不同的四个样品由于加载频率的差异。四个测试样本的总载荷循环数是150,162,177,和190年,分别。载荷循环数动态加载频率的增大而增大,这表明频率影响强度、变形、和相关的压裂的特点。轴向应力-应变曲线表现出明显的脆性破坏发生在应力峰值点;样品的应变小于0.5%不同的动态加载频率。塑性变形发生在岩石样本的增加实验时间;它可以表明,加载与卸载曲线曲线不重叠;因此,磁滞回线形式。 In order to well describe the impact of axial and lateral deformation on the sample volumetric changes, volumetric strain ( )根据轴向应变(计算 )和横向应变( )作为 。体积应变反映了组合轴向和侧向变形对变形的影响。从体积应变曲线(蓝色图3),变形特性在不同的加载阶段明显可以表达。磁滞回线的形态变化在不同的加载时间。样品失败之前,磁滞回线显示稀疏模式,然后,它改变了密集模式在每个疲劳加载阶段。磁滞回线的稀疏的形态是由于相对较大的塑性变形产生的应力幅值的增加。加载压力增加后,已经形成裂缝的形态被关闭,磁滞回线密度的变化。在最后疲劳加载阶段,磁滞回线的变化不同于之前最后加载阶段。磁滞回线变得较稀少,稀疏的,直到失败的样本。每个疲劳载荷的磁滞回线的形态反映了岩石的内部mesostructural变化阶段,这是与裂纹的传播行为密切相关。

3.2。样品变形特性

岩石变形特性在整个实验期间图所示4。从数据4(一)- - - - - -4 (c)可以看出,轴向,横向,和体积应变很小低载荷循环数;一定的载荷循环数后,增长率为轴向,横向,和体积应变的速度越来越快,直到失败。数据4 (d)- - - - - -4 (f)显示变形和疲劳载荷之间的关系。他们还表明,变形的应变增长率变大的增加加载阶段。在最终的疲劳加载阶段,轴向,横向,和体积应变随动态加载频率的增加而急剧增加。这个结果表明,失败的故障程度和不同加载频率下样品的形态是不同的。实际上,加载速率加载频率直接相关;结果表明,加载速率可能会影响最终的失败形态学岩石样本。

3.3。AE数/样品变形过程中能量特征

应力-应变曲线反映了宏观破碎花岗岩样品的演化特征。AE活动记录在样品变形为我们提供了解岩石的细观的压裂过程(24- - - - - -26]。AE输出四个实验,绘制与压力和实验时间如图5。AE数或AE能量变化反映了压裂演化特征。AE数的变化的数据5(一个)- - - - - -5 (d),明显的AE数在疲劳载荷的发病阶段跳过。这表明岩石样本内的裂缝的进一步传播和轴向应力的增加。在一个疲劳加载阶段,AE活动相对较少的头几个加载周期;然而,AE活动增长速度在加载阶段接近样品失败。AE数代的人物5(一个)- - - - - -5 (d)显示内部的损伤中构造的岩石样本,和伤害逐渐提高加载周期。累计AE数曲线的模式提出了一步的形状,说明AE事件的突然增加在每个疲劳加载阶段。AE累积曲线,可以看出,AE事件增加率变得越来越大,表明累计损伤岩石样本,裂纹萌生,传播和联合行为发生在整个加载过程。AE数曲线还表明,生成的AE活动是受加载频率的影响。岩石样本加载0.04和0.1赫兹的频率,这说明AE数相对较弱的响应,并生成的AE事件较少。然而,对于样品装载0.5和1.0赫兹的频率,可以看出,大量的AE事件产生,特别是在加载阶段接近样品失败。

AE能量的变化对压力和实验时间数据所示5 (e)- - - - - -5 (h),还可以得出类似的结论。AE能量的突然增加的增量累积损伤。AE能量曲线在疲劳载荷的发病阶段跳过。在各加载阶段,释放AE能量不断增加和增加的趋势变得越来越明显。AE累计能量曲线表明,加载频率的影响样品变形过程中释放的能量。

进一步揭示加载频率的影响在AE活动图6情节累计AE数/能源之间的关系和实验时间。可以看出,AE活动增加与增加的增量加载的阶段。此外,加载频率对AE事件的生成有明显的影响,受到高加载频率和样品有较大的AE活动比受加载频率相对较低。

3.4。AE光谱频率的分析

以上部分的重点是观察AE活动通过计算事件率(或累计数字)和观察AE能量(或累积能量);这些分析都是基于AE事件参数。AE信号的各种频率成分,和波形的频率和幅值是不同的对于不同的AE源(27- - - - - -31日]。波形特征可以反映裂缝的类型,数量,和规模;因此,频谱(频率)信息可以反映岩石的断裂演化。一些学者还发现,AE主要频率特性能更好地反映岩石的微裂缝,和更敏感的AE数(29日,30.]。发射的频率特征的调查事件,我们的注意力会集中在这一节中,可以显著,并承诺作为一种描述动态加载频率的影响在岩石的裂缝桥。提取的离散时域信号可以转移到连续频域信号使用快速傅里叶变换(FFT)算法变换(30.]。用FFT分析,频率分布如图7。三个频带范围的低、中、高可分为,表中列出2。

散射的主要频率点,它可以发现频率分布密度在每个疲劳载荷的开始阶段。这个结果符合AE数/能量分析的结果。密集的特性意味着大量压裂的事件的发生。此外,低频信号的数量在每个疲劳荷载阶段的开始。中期和高频信号逐渐生成的最后几个加载阶段,及其分布加载频率的影响。高频信号的规模随加载频率的增加而增加。这一结果表明,样本时释放的能量高接近失败状态。

AE振幅与释放的能量有一定的校正和谱频率特性,AE主要分工的振幅可以让我们更好的进行动态加载频率对样本压裂的影响机制。考试的AE振幅分布可以监控脆性岩石的不稳定(32- - - - - -34];已经证明,断裂能量和AE振幅有相关性。光谱数据的最大振幅值被定义为主要频率振幅值,用于声发射事件的强度特征,对应于主振幅和频率被定义为主要的频率。动态加载频率的影响主要在AE振幅(对应于一个AE事件)的主要频率分布如图8。可以看出,规范化振幅可分为两部分:一部分是超过0.5,另一部分是小于0.5。结果表明,AE主要频率的分布在AE事件应该介绍AE主要振幅的影响阐明失效机理。

考虑到AE主要主要频率和振幅分布特征数据7和8,AE信号分为6种类型:的low-frequency-low-amplitude (LF-LA)信号,该medium-frequency-low-amplitude (MF-LA)信号的high-frequency-low-amplitude (HF-LA)信号的low-frequency-high-amplitude (LF-HA)信号的high-frequency-medium-amplitude (HF-MA)信号,和high-frequency-high-amplitude (HF-HA)信号。AE岩石材料的断裂过程的研究已经表明压力波的声发射(AE)信号可以洞察能量耗散的过程和排放以应对裂纹的萌生和扩展。图9块6类型的光谱频率和轴向应力与轴向应变。在初始加载阶段,AE信号的类型主要是low-frequency-low振幅和high-frequency-low-amplitude信号。在初始加载阶段,AE信号的类型主要是low-frequency-low-amplitude和high-frequency-low-amplitude信号。在裂纹萌生和不稳定传播阶段,六种信号共存,和AE信号进入中间频段;这表明宏观裂缝的发生。此外,low-frequency-low-amplitude和low-frequency-high-amplitude信号的数量逐渐增加,裂纹不稳定传播阶段。此外,新兴low-frequency-high-amplitude信号逐渐减少裂纹合并阶段。在图的频率分布特征9可以得出,主要结论如下:(1)low-frequency-low-amplitude信号通过整个压裂过程存在;他们对应的晶间裂纹初始加载阶段和压裂过程中微裂隙。(2)medium-frequency-low-amplitude AE信号生成整个压裂过程中;它们对应于样品压裂过程中微裂隙。(3)low-frequency-high-amplitude信号发生在最后几疲劳加载阶段;他们对应的大裂缝的发生。(4)medium-frequency-high-amplitude信号发生在过去的几个加载阶段;他们对应于不稳定传播的裂缝和压裂的滑动平面。(5)high-frequency-high-amplitude信号对应于中等规模的裂缝和穿晶压裂裂缝。

之间存在反比关系的AE频率和裂纹大小,一般来说,大型裂缝对应于低频信号,和小型裂缝对应于高频信号。主要的频率分布在图9表明high-frequency-high-amplitude信号不存在样品受到0.5和1.0加载频率。这一结果表明,小型裂缝的数量减少的频率相对较高的加载下岩石样本。的影响,以更好地反映动态加载频率的比例低、中、高AE信号,统计结果列在表中3。

4所示。讨论

广泛调查的循环和疲劳载荷条件下的岩石力学行为执行(5- - - - - -10]。然而,大多数的加载条件恒定应力幅;此外,他们主要关注完整岩石的宏观开裂过程,特别是裂纹合并模式描述的完整岩石后测试。此外,循环加载下岩石破碎行为不同于静态加载条件(24,35- - - - - -38]。实际上,在岩石工程中,振幅扰动压力是不同的,而不是常数。累积损伤造成岩石应力幅值的增加发生在大多数的岩石工程。通过执行疲劳载荷实验花岗岩样品包含两个先前存在的缺陷,对整个压裂动态加载频率的影响进化是深入调查。动态加载应力-应变响应频率影响,AE反应,和相关的最终裂纹合并模式。加载频率对岩石力学行为的影响实际上是加载速率的影响在磐石上。岩石的强度、变形和破坏形态与加载频率。我们的实验结果也发现,疲劳载荷循环数增加随着加载频率的增加。AE活动随加载频率的增加而增加,发病时的轴向压力的突然增加每个疲劳载荷阶段导致相对较大的岩石损伤积累。由于微分加载频率,AE计数,和AE能量,主要的振幅分布和频谱特征存在明显的差异。 As is known, AE events are the external reflection of the energy dissipation and release during rock deformation; the velocity of energy release is positively related to the loading rate. For rock subjected to high loading frequency, the associated energy release velocity is relatively high, and the AE counts/energy (or accumulative number) is larger than rock subjected to low loading frequency. As the frequency and amplitude of AE events are much more sensitive, frequency spectrum analysis further reveals the crack propagation and rock bridge fracturing characteristics; cracks generated from the fracture process are classified into six kinds. The experimental results show that the high-frequency–high-amplitude signals do not exist for samples subjected to high loading frequency. Because the high-amplitude–high-frequency signals correspond to the formation of small-scaled cracks, this result indicates that the number of small-scaled cracks decreases for the rock sample under relatively high loading frequency. This result implies that the rock structure is easily degraded when subjected to high-stress disturbance frequency.

5。结论

在这项工作中,一个声发射监测技术被用来研究动态加载频率的影响在岩石上桥压裂preflawed花岗岩样品。从上面的分析,可以得出以下结论:(1)变形、强度和疲劳寿命的preflawed花岗岩是应用动态加载频率的影响。体积变形监测在石头桥区域表明突然破裂发生在最后一个循环荷载阶段和体积应变是最大的岩石受到高频载荷条件(2)AE参数提取声发射波形深受应用动态频率。AE数的增加率在每个加载阶段和AE能量会随着循环加载阶段增加更快。累计AE数和能量都随着动态加载频率的增加而增加(3)AE光谱分析揭示了不同的压裂机制所影响的动态频率。建议的数量high-frequency-high-amplitude信号降低岩石受加载频率高,表明大型裂缝的发生。早期预警的主要频率是一个很好的指标不稳定的预测岩石地质不连续

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究由中国地质调查局项目(不支持。DD20190318),北京科技项目(Z191100001419015),中央大学和基础研究基金(润扬悬索桥- tp - 20 - 004 - a2)。

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