声发射监测和故障前兆的砂岩样品在不同加载和卸载路径

文摘

探讨硬摇滚的失败的前兆,一系列三轴加载和卸载实验进行砂岩样品使用声发射系统。极点对称模态分解法(ESMD方法)被用来消除干扰和重建AE数据。AE静默期在Scheme中我变得更加明显与围压增加,这可以被看作是失败的前兆信息样本在常规三轴压缩。与计划,我没有明显的前兆特征在第二和第三方案失败之前,和计数率达到最大峰值点。当应力比范围从0.8到1.0,声发射的分形值可以用来调查样本的故障前兆围压较低。比大于0.8的时候在高围压下,卸载路径下的砂岩样品的分形值迅速降低,可以用来预测岩石破裂在高围压。

1。介绍

岩石材料特性、不同应力路径和围岩条件复杂和多样化,严重限制了研究岩石材料的失败的前兆。岩石的变形和破坏行为内部微裂纹萌生的过程中,传播和聚结1- - - - - -5]。在这个过程中,释放的应变能不断在弹性波的形式,即称为声发射(AE)。它有助于研究岩石材料的破坏机理研究AE特征在失败过程中,AE参数之间的关系和岩石断裂(6- - - - - -11]。

Chmel和Shcherbakov12]对压缩的AE特征进行了实验研究和动态断裂在花岗岩,导致在非平衡条件下评估事件发生之间的关系。基于双轴压缩测试,Baddari et al。13]采用电磁辐射与声发射研究大型岩石样本的破裂过程和结果可以提供一个分析平台动态预测灾难。三对花岗岩三轴压缩测试样本由汤普森et al。14),新的观察裂缝提出了成核的AE监测。结果表明,断裂成核完整岩石和动态不稳定的成核粘着滑动测试有相似之处。矽卡岩的强度变化和AE特征进行了徐et al。15通过单轴循环加载和卸载测试)。结果表明,有一个明显的相对安静的AE信号故障前阶段。Zhang et al。16)进行单轴加载研究岩石破裂过程的声发射特征,和AE参数如累积AE事件,AE能量释放率,和值被用来研究岩石破裂的前兆信息。

现有AE的研究主要集中在应力或应变之间的关系和AE参数单一应力路径条件下如压缩、张力、剪切。相比之下,很少有研究AE活动的理论研究复杂应力路径下。在我们的论文中,一系列三轴加载和卸载实验砂岩样品在不同压力条件下进行。极点对称模态分解法(ESMD方法)被用来消除干扰和重建AE数据,和砂岩的AE特征样本在不同应力路径下。基于分形理论,对AE卸载路径特征的影响量化,可用于探索岩石的失败的前兆,并提供一个理论依据评估和预防应激硬摇滚的稳定。

2。测试方法和样品制备

2.1。样品制备

在我们的研究中使用的砂岩是安徽省淮南煤矿收集的中国。x射线衍射(XRD)的结果表明,砂岩的矿物石英12.1%,10.9%钾长石、斜长石38.7%,13.4%的方解石,白云石12.7%,2.8%赤铁矿,粘土矿物的9.4%。连接的砂岩的孔隙度和体积密度7.02%和2613公斤/米³,分别。所有砂岩样品从同一块空心材料的实际直径50毫米和100毫米的长度,如图1。最终平面度的允许误差0.05毫米,直径误差小于0.3毫米,端面与轴线之间的最大偏差不超过0.25°。所有样品的加工精度符合技术规范的要求。

2.2。测试设备和程序

所有实验使用MTS 815伺服控制岩石力学试验系统。实验的整体刚性框架是11.0×10⁹N / m,最大轴向力是4600 KN,最大侧压力是140 MPa,伺服阀的敏感性是290赫兹。整个实验过程由计算机控制,允许自动数据采集和处理。声学排放监测的16通道PCI-II系统。共振频率和操作频率范围是500千赫和200 ~ 750 kHz,分别和前置放大器的放大和阈值设定在55分贝提高信噪比。采样频率和采样长度被固定在500千赫到8192年,分别。为了确保三维定位精度,6个传感器固定在三轴压敏元件作为传感器矩阵。传感器的类型是Nano30,的工作频率是100 - 400千赫。传感器被涂上一层凡士林,偶联剂,固定在样品表面的塑料磁带。确保耦合效应的AE传感器与样品,铅笔芯休息(拉钮)应该在测试开始之前(图执行2)。

不同应力路径下的详细测试方案如下所示。

((1)常规三轴加载测试计划我)。不同围压下的常规三轴试验进行了10、20、40、50 MPa。首先,围压加载到设计值以恒定速率为0.1 MPa / s,和样本放入均匀流体静应力状态。第二,围压保持不变,轴向应力加载到砂岩样品在一个恒定的轴向位移0.001 mm / s的速度,直到失败,确保完整的应力-应变曲线将获得。峰值强度通过常规三轴试验确定可以提供一个基础卸围压卸载点的测试。

(2)增加轴向压力和围压卸载测试(方案二)。首先,围压加载到设计值(10、20、40和50 MPa)。第二,围压保持不变,轴向应力加载到80%的峰值强度获得常规三轴试验。然后,轴向应力加载以恒定速率为0.3 MPa / s,同时,围压卸载以恒定速率为0.5 MPa / s直到失败。

(3)恒定轴向压力和围压卸载测试(方案3)。首先,围压加载到设计值(10、20、40和50 MPa)。第二,围压保持不变,轴向应力加载到80%的峰值强度获得常规三轴试验。然后,轴向应力保持不变,同时,围压卸载以恒定速率为0.5 MPa / s直到失败。

3所示。极点对称模态分解法(ESMD方法)

3.1。方法介绍

背景噪音不可避免地混合到AE信号数据采集过程。即使实验是在相对封闭的实验室,进行伺服阀调整也会产生机械噪声。噪音信号可以干涉实验数据的分析;因此,noise-suppressed AE信号的处理的前提是准确的岩石破裂过程的定量分析。在这项研究中,ESMD方法被用来消除干扰和重建AE数据。

本方法提出改善简要地变换(HHT)基于四种前景:筛选过程是由几个内插值曲线,而这些方法分为ESMD我ESMD II, ESMD三世,等等;最后剩余的定义是拥有一定数量的最优曲线极端点,而不是总趋势最多一个极端点,它允许最优筛选时间和分解;应用极点对称而不是信封的对称性;开发的基于数据的直接插值方法计算瞬时频率和振幅。ESMD方法的一个优点是确定一个最佳的全球平均曲线的自适应方法比普通最小二乘法和滑动平均的方法;另一个是确定的瞬时频率和振幅以直接的方式比Hilbert-spectrum方法。这些将改善自适应分析的数据从许多领域17]。

3.2。AE信号的去噪过程

基于ESMD AE信号的数据分解可以在三个步骤进行:数据文件命名Variance_II。南加州爱迪生公司的定义根据数据文件规定,然后AE信号数据量和时间间隔等输入数据文件;在第一步建立的文件通过Scilab平台操作,使用最小二乘法优化剩余模式,给出了最佳筛查频率的数据,并确定最佳的全球平均曲线以自适应的方式;自主研发的文件(ESMD_II.sce)操作,这不仅可以给极端点的数量,而且AE数据的获取丰富的信息,包括趋势图表,能量图和谱图。

4所示。砂岩样品在不同应力路径下的声发射特征

4.1。样品在加载条件下的声发射特征

图3给出了轴向应力差和振铃计数率曲线砂岩失败过程中随着时间的推移,在不同围压下方案即在加载初期阶段,AE活动相对活跃,这来自关闭初始裂缝和孔洞。当进入塑性阶段,振铃计数率逐渐增加,表明新裂缝开始启动样品。样品由于膨胀的体积膨胀效应出现在到达扩张压力,和AE信号显著增强。当样本内的相对较大的裂缝发生,裂缝的建议产生应力重分布,它伴随能量耗散。在这个过程中,能量释放速度逐渐减慢,和AE参数如振铃计数率减少,也就是说,AE静默期。如表所示1和图3,AE平静的时期变得更加明显与围压的增加,因为新裂缝的数量相对较少的限制高围压。静默期持续的时间从20年代到57 s与围压增加从10 MPa 50 MPa和裂纹扩展过程凌日世代面向面向聚结的小裂缝。

砂岩样品的压力和AE特征在变形过程中在不同的压力体现在以下方面:的剪切破坏是主要的失效模式样本在常规三轴压缩下,具有较高的残余力量;压力下降后变得不那么明显的峰值与围压的增加,残余力量逐渐增加,来自高围压的更明显的抑制效果的样品;AE信号几乎存在在整个过程中,它作为一个整体更强;与围压的增加,峰值的振铃计数率从59次每秒145次每秒,表明砂岩样品之前积累更多的能量失败和释放更多的能量由于高围压;振铃计数率的最大值出现在峰的峰位置,也增加围压增加。原因是样品有较大的承载能力在由于围压峰值位置约束,和断块的明显的摩擦滑移发生只有当压力下降到残余应力。这是与裂纹扩展的特征一致,合并过程中岩石破坏模拟(18]。

静默期可以被看作是失败的前兆信息样本在常规三轴压缩。围压改变样品的应力状态,延长了裂纹扩展过程中,延迟断裂的时刻,并增加了声发射振铃计数率,从而确定故障点提供了依据。

4.2。AE卸载条件下样品的特征

数据4和5显示了轴向应力差和计数率曲线在砂岩破裂过程在不同围压方案二和方案三,分别。方案二,如图4(一)卸货点之前,响率逐渐增加。结果表明,存在一个明显的转折点在卸货点的应力-应变曲线和计数率的突然增加。砂岩样品突然摧毁10 s后卸货点,和计数率的最大值131次/秒为74.9。如表所示2的计数率峰值从131次/秒增加到296次/秒的围压增加10 MPa 50 MPa,表明样品被破坏与围压增加更强烈。如图4 (b),统计产量-时间曲线出现卸载前的静默期30年代。没有新的裂缝发起的样本,所以他们不能被视为样品失败的前兆信息。样品开始被卸载时,计数率的突然增加,表明新裂缝发生在样品。计数率持续增加与卸载到轴向应力差峰值上升到148.03 MPa。

第三次计划的计数率具有相同的变化规律,方案二。不像我,没有明显的前兆特征在第二和第三方案失败之前,和计数率达到最大的失败。

5。声发射失败的前身砂岩在不同加载和卸载路径

5.1。分形维数的计算

进一步调查失败的前身砂岩样品在不同的应力路径下,需要量化的特点,整个破坏过程中声发射(19- - - - - -22]。声发射计数率的时间序列分析的分形特征。delay-coordinate方法采用相空间重构,充分揭示了时间序列中包含的信息。假设维度之间的关系delay-coordinate和维的序列是 ,计算过程基于G - P算法如下:声发射的强度序列的样本测试研究的过程中,它对应于一组序列的能力。

采取并列的数字序列中的第一个向量维空间,

移动并列的数字在一个位置,以另一种形式并列的数字序列中的第二个向量维空间,

然后, 向量形成。根据塔肯斯原理,计算序列的关联维数。维度的相关性是累积分布函数 ,也就是说,两个点的距离的概率小于在空间。 在哪里是亥维赛函数。

之间的距离是和 ,和测量尺度。斜率的直线拟合可以得到基于数据点 :

这是分形特性的测量尺度内的声发射强度序列。线的斜率逐渐收敛于一个稳定的价值维度增加;否则,序列集是一个随机序列。当声发射的强度序列是常数,分形维数越小,分布越窄的强度序列,和强度值接近。

5.2。分形维数的变化与应力比

项目是由计算声发射分形维的砂岩样品在失败的过程中。岩石样本通常失败加载应力的峰值抗压强度。因此,使用峰值应力差异作为基准,应力比的定义是轴向应力的比值差异和峰值应力差异。的最大应力比是1。

表3给出了分形值的AE砂岩样品在不同应力比,和图6显示了曲线的分形值。如数据所示6(一)和6 (b),当应力比范围从0.2到0.4,砂岩样品的阶段转移从最初的压缩弹性变形。围压的影响下,分形值的增长速度很慢,甚至显示下降。当应力比范围从0.4到0.8,样品常规三轴荷载作用下的裂缝测试传播缓慢,和分形值先增加然后减少。样品在卸荷条件下进入塑性变形阶段的弹性变形阶段;因此,裂纹扩展率增加明显,分形值先降低,然后增加。当应力比范围从0.8到1.0,样品的压力接近峰值,样本中的裂缝扩大和交流到剪切带。剪切带的形成导致的脆性破坏样品,和分形值在不同应力路径下迅速减少。这个阶段的声发射可以用来调查故障前兆的样品在不同的应力路径。相比之下,方案二的分形值的下降率是最高的,其次是第三方案。计划我的下降率是最低的。

当围压增加,如图6 (c)和6 (d)砂岩样品的分形值显示,不同的变化趋势。随着应力比范围从0.4到0.8,起始、传播、和聚结的裂缝砂岩样品受到高围压时慢下来。样品的分形值的变化趋势在卸荷条件下常规三轴加载条件下相似;也就是说,他们先增加然后减少。当应力比范围从0.8到1.0,围压的增加不仅减少了AE特征之间的差异不同的应力比,但也改变了递减规律的分形值样本之前失败。因此,AE特征和应力比之间的关系不明显,当围压(40 MPa或50 MPa)高。

5.3。分形维数的变化的时间比率

以没时间为基准,时间比设计作为装运时间和故障时间。最大的时间比例是1。表4给出了分形值的AE砂岩样品在不同时间比率,和图7显示了曲线的分形值。数据显示7(一)和7 (b),它是发现,当比率范围从0.4到0.8的时候,样品的分形值在不同应力路径下先降低,然后增加。AE特征的变化趋势不明显,当时间比大于0.8。如数据所示7 (c)和7 (d)砂岩样品的分形值方案我在不同的时间比率变化不大。时间比大于0.8时,卸载路径下的砂岩样品的分形值迅速降低,这表明分形值随时间变化比率可以用来预测岩石破裂在高围压。

岩体是一个能量耗散过程的失败,和实验室样品的分形规律与工程岩体。从理论上讲,声发射的分形维数是评价岩体稳定性的有效指标,分形维数的最低水平意味着岩石工程灾害存在很大的可能性。在工程应用中,微震的(MS)可以建立监控系统进行实时监测岩体的变形和破坏,从女士获得和AE信号监测可以用来预测岩体的不稳定性。此外,AE信号的关键价值有待进一步的研究。

6。结论

本文的一系列砂岩的三轴加载和卸载测试样本在不同压力条件下进行。砂岩样品在不同应力路径下的声发射特征进行了调查。基于分形理论,装卸的影响路径在AE特征量化。从实验结果可以提供一个理论依据评估应激硬摇滚的稳定。

(1)AE静默期在Scheme中我变得更加明显与围压的增加,因为新裂缝的数量相对较少的限制高围压。静默期持续的时间从20年代到57 s与围压增加从10 MPa 50 MPa和裂纹扩展过程凌日世代面向面向聚结的小裂缝。AE静默期可以被看作是失败的前兆信息样本在常规三轴压缩。振铃计数率的最大值出现在峰的峰位置,也增加围压增加。原因是样品有较大的承载能力在由于围压峰值位置约束,和断块的明显的摩擦滑移发生只有当压力下降到残余应力。

(2)方案三世的振铃计数率具有相同的变化规律,方案二。与计划,我没有明显的前兆特征在第二和第三方案失败之前,和振铃计数率达到最大峰值点。

(3)当应力比范围从0.8到1.0在低围压下,剪切带的形成引起的脆性破坏样品,和分形值在不同应力路径下迅速下降。在这个阶段声发射的分形值可以用来调查样本在不同应力路径下的故障前兆。相比之下,方案二的分形值的下降率是最高的,其次是第三方案,和减少的计划我是最低的。然而,AE特征和应力比之间的关系并不明显的高围压时(40 MPa或50 MPa)。

(4)时间比大于0.8时在高围压下,卸载路径下的砂岩样品的分形值迅速减少,这表明,分形值随时间变化比率可以用来预测岩石破裂在高围压。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持中国博士后科学基金会(批准号2017 m611676),江苏省博士后科研资助计划(批准号1701091 b),中国国家自然科学基金(批准号41630638),中国国家重点基础研究计划(“973”计划)(批准号2015 cb057901)。

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