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不同围压下砂岩的力学特性与声发射特征

更新时间:2009-03-28

0 引 言

声发射(Acoustic emission,AE)是材料内部局部应变能释放产生的弹性波,源于材料内部的形变和损伤,脆性岩石破裂时产生的裂纹与裂纹发展同样也会产生大量的声发射信号[1]。应用声发射技术监测岩石加载过程,可提供岩石破坏过程的诸多信息,声发射参数可以反映岩石的破坏路径及受载状态。研究不同应力路径下岩石力学行为特征和声发射特征参数之间的关系,对研究深部复杂应力条件下的岩石破坏机理具有重要意义。

2.3 治疗情况 94例患儿中,吸氧29例,持续气道正压通气治疗27例,机械通气治疗24例,胸腔引流54例。机械通气过程中并发气胸5例,预后差4例(放弃治疗或转院)。

岩石受载过程中声发射实验研究方面已经有大量研究成果,学者们通过不同的加载方式与加载路径模拟工程岩体的受力情况。王恩元、许江等[2-3]开展了单轴压缩路径下煤岩破坏声发射特征研究,分析了声发射特征参数与岩石加载破坏过程的关系。Carpinteri A等[4]通过大量的岩石声发射实验得出声发射在撞击数、频率、幅值等特征上表现出异常的变化特征。纪洪广等[5-6]开展了不同围压下岩石破坏过程声发射实验,得出声发射振铃计数、能量累计数与岩石破坏过程表现出较好的对应关系。赵星光等[7]基于岩石破裂过程声发射实验,分析了应力-应变曲线及其与声发射事件的时空分布关系。杨永杰等[8]通过煤岩三轴压缩声发射实验,建立了基于声发射特征参数的煤岩损伤演化模型,分析了煤岩三轴压缩条件下的损伤演化特征。张黎明等[9-10]开展了岩石常规三轴声发射实验,获得了大理岩破坏过程声发射频率、b 值变化特征,对比分析了加卸载路径下岩石破坏过程声发射特性的差异性。何俊等[11]通过常规三轴、三轴循环加卸载下煤岩声发射实验, 分析了不同加载路径下煤样的声发射特征,得出煤岩力学特性与声发射特征参数变化趋势基本一致,循环加卸载过程中声发射记忆效应具有超前特征。

当前岩石破坏过程中声发射研究大多为加载过程中力学参数与声发射特征参数的分析,关于单轴加载、常规三轴加载过程的声发射特征,以及岩石破坏模式对比分析的研究有待进一步开展。因此,笔者研究不同加载路径下岩石试样破坏过程中的声发射特性,通过CT扫描和三维图像重构分析其宏观破坏形态,为进一步认识岩石材料的破裂机理提供依据。

1 实验方案

按照国际岩石力学实验要求,加工直径φ50 mm、高100 mm的圆柱体岩样。利用Sonic Viewer-SX超声波速测试系统对岩样进行声波检测筛选,选取波速 2 000 m /s左右的岩样进行实验,尽量减少岩样的离散性。

实验加载采用法国TOP INDUSTRIE Rock 600-50型,温度-应力-渗流耦合岩石全自动伺服流变仪,见图1。该系统由轴压、围压和孔隙流体压力伺服装置构成,可施加最大轴向偏应力375 MPa,最大围压60 MPa,最大孔隙流体压力50 MPa。岩石加载过程中采用SH-II型声发射系统同步监测声发射信息,在三轴室外部上、下加载端、室壁外侧各布置2个声发射探头,采样频率为2.5 MHz,增益为40 dB,门槛值为30 dB。

  

图1 TOP INDUSTRIE Rock 600-50型岩石伺服流变仪Fig. 1 Rock servo-controlled rheology testing machine No.TOP INDUSTRIE Rock 600-50

对砂岩岩样分别进行常规单轴压缩、常规三轴压缩2种应力路径加载。常规三轴加载,首先以0.05 MPa/s的加载速率施加到静水压力条件,然后以0.1 mm/min的轴向加载速率至试样完全破坏。围压分别取5、10、15和20 MPa,每组条件下重复进行3个岩样实验,编号分别为S5-1、S5-2、S5-3、S10-1、S10-2、S10-3、S15-1、S15-2、S15-3、S20-1、S20-2和S20-3

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综上可知,中尺度WRF模式能较好的模拟出此次平流雾天气过程的生消演变。模拟资料可靠,可进一步用于平流雾的成因分析。

2 不同围压下砂岩变形与强度特征

(3)砂岩岩样常规三轴路径下以剪切破坏为主,围压作用抑制了微裂纹的萌生与扩展,低围压下岩样破坏产生的宏观裂纹明显多于高围压应力状态,较好地解释了前文声发射能量参数在高围压下存在减弱的现象。

表1 岩样不同应力路径下的实验结果

Table 1 Experiment results of rock specimens underdifferent stress path

  

岩样ρ/g·cm¨3初始围压/MPa破坏围压/MPa加载方式偏应力/MPaD0-22.1000单轴62.6S5-22.1055121.6S10-12.101010常规三轴145.6S15-32.091515178.5S20-32.122020202.4

  

图2 岩样加载全程应力-应变关系Fig. 2 Complete stress-strain curves of rock samples

由图2可以看出,应力-应变曲线表现出明显的初始压密、弹性变形、塑性变形、峰后破坏四个阶段。与单轴压缩实验相比(σ3=0),三轴压缩条件下,岩样在静水压力状态下,内部原始裂纹被压密,压密阶段不明显。屈服阶段以前应力-应变曲线线性关系较明显,表现出明显的线弹性特征,弹性阶段显著,持续时间较长,并且这种特征随着围压的增大越加明显。常规三轴加载路径下,岩样破坏具有明显的峰值点,脆性破坏明显。

砂岩岩样单轴压缩实验的时间-应力-能量计数曲线,见图3。岩样单轴压缩路径下,加载初期的压密阶段出现一定的声发射活动,产生大量尺度较小的声发射事件,声发射能量较低。随载荷增加,进入弹性阶段,声发射能量逐渐减小,弹性阶段对应为声发射的平静期。随轴向载荷的进一步增加,岩样加载进入到塑性变形阶段,声发射能量计数逐渐增大,单轴压缩路径下主破裂萌生、扩展阶段对应为声发射能量计数峰值集中的活跃阶段,可视为岩样即将出现应力峰值。岩样应力峰值点处发生脆性破坏,破坏后岩石试样突然失去承载能力,声发射事件突然沉寂。

岩石宏观破裂后,仍然具有一定的承载能力,加载实验采用变形控制,破坏后阶段形成残余应力平台。围压5、10、15、20 MPa条件下砂岩岩样残余强度分别为55、96、110和120 MPa,围压增大限制了岩石瞬时破坏,岩石塑性变形特性有所增强,破坏形式逐渐转变为渐进破坏。

3 声发射特征与破裂形态

声发射特征参数能够较好地反映岩石损伤破裂过程,与岩石内部裂纹演化密切相关[12]。基于声发射实验,利用能量参数分析岩样加载过程的声发射特征分析。

3.1 能量计数

围压增大岩样抗压强度、弹性极限显著增大,岩样的破坏形式与围压的大小有关,单轴压缩加载峰值抗压强度较低,破坏形式属于突发失稳。随围压的增大,峰值破坏点的应变增大,塑性增加。

  

图3 单轴压缩能量计数实验结果Fig. 3 Test results of AE energy counts under unaxial compression

不同围压下常规三轴实验的时间-应力-能量计数曲线,见图4。与单轴加载相比,常规三轴加载初期声发射活动较弱,这是由于在施加静水压力过程中,岩石内部大量的原生孔隙、裂隙已经被压密闭合,增加了岩石的整体性及刚度,岩石经过短暂的压密阶段后随即进入到弹性阶段。三轴加载初始压密与弹性阶段为能量活动的平静阶段,该阶段声发射能量零星分布,且数值很小,声发射信号很微弱,围压越大,岩样的平静阶段持续时间越长。

随着轴向应力的进一步加大,经过弹性阶段进入塑性阶段,出现较大尺度新生裂纹,并且裂纹扩展速度加快,集聚的弹性能释放加速,声发射活动增强,声发射信号处于处于相对活跃阶段。常规三轴加载路径下,由于围压的限制作用,塑性变形阶段的声发射能量活跃程度,较单轴压缩加载路径下衰减较大,这种现象随着围压的增大越加明显。

  

图4 三轴加载声发射能量计数结果Fig. 4 Test results of AE energy counts under different confining pressure

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塑性变形阶段后期,随着轴向应力的继续增大,微裂纹开始成核、伸展和融合,形成宏观破裂面,声发射能量计数较大,与单轴压缩条件下不同,主破裂形成阶段前并无明显的能量计数峰值活跃阶段,主要是由于围压作用限制了主破裂形成时期岩石颗粒的破碎和裂隙的滑移错动,提高了其抗剪切破坏强度。岩样在压力峰值出现主破裂,应力急剧下降,伴随产生声发射能量计数峰值。

峰后加载阶段,与单轴压缩路径下有较大不同,破坏后阶段声发射事件并没有随着岩样的破坏而消失,峰值点后岩样仍具有一定的残余强度,岩石主破裂形成后,岩石内部微裂缝继续萌生,裂缝持续扩展,该阶段声发射现象较为活跃。峰后加载过程中岩石内部仍产生一些次生裂纹及扩展,每一次较大裂纹的生成、扩展,产生明显的应力降,并伴随出现声发射能量计数的突然增大,声发射能量计数峰值与明显的应力降低有较好的对应关系。对比不同围压峰后加载阶段,围压越大峰后声发射活跃阶段持续时间越短,声发射现象越少,主要是由于高围压作用一定程度上限制了裂纹的萌生及裂缝的扩展。

3.2 能量累计

声发射能量累计数体现岩石在破坏过程中累积损伤变化情况。图5、图6为砂岩岩样的时间-应力-能量累计数曲线。

  

图5 单轴加载能量累计数结果Fig. 5 Test results of AE accumulative energy under unaxial compression

单轴压缩路径下,声发射能量累计数曲线分为初始增长、稳定增长、快速增长3个阶段,整个受载过程中无明显的平静期。

  

图6 三轴加载能量累计数的实验结果Fig. 6 Test results of AE accumulative energy under different confining pressure

常规三轴加载路径下,声发射能量累计数曲线受载全过程,可以分为3个阶段:平静阶段、突增阶段、峰后不稳定阶段。由于围压的作用,常规三轴受载过程中,声发射能量累计数曲线存在明显的平静期,并且随着围压的增大平静期持续的时间越长。岩样宏观破坏阶段,声发射能量累计数突然增大,围压越大突增现象越显著,主要是由于高围压作用使岩石受载过程中能量集聚更显现,岩石破坏能量释放更为集中。与单轴压缩路径不同,三轴压缩路径下岩样破坏后,裂隙完全贯通,围压作用使岩样依然有一定的承载能力,裂纹持续扩展和破裂面摩擦依然产生声发射事件,能量累计数出现较大的增长。

不同围压加载条件下,峰后阶段主要为不稳定裂纹的萌生、扩展及贯通,声发射能量累计数曲线存在一定的差异性,总体来看,不同围压下的峰后阶段每次明显的应力降,都会伴随出现能量累计数的突增。从不同围压下声发射能量累计数数值可以看出,低围压下累计数值明显大于高围压下累计数值,主要是由于高围压作用在一定程度上限制了裂纹的萌生、扩展,也可能与岩样的破坏形态有关。

3.3 破裂形态

[3] 许 江, 李树春, 唐晓军, 等.基于声发射的岩石疲劳损伤演化[J]. 北京科技大学学报, 2009, 31(1) : 19-24.

  

图7 三轴压缩路径下岩样破坏模式Fig. 7 Failure modes of rock samples under triaxial compression

4 结 论

(1)岩石单轴加载路径下,加载初期的压密阶段出现一定的声发射活动,产生大量尺度较小的声发射事件,声发射能量较低。单轴压缩路径下主破裂萌生、扩展阶段对应为声发射能量计数峰值集中的活跃阶段,可视为岩样即将出现应力峰值。岩样应力峰值点处发生脆性破坏,破坏后岩石试样突然失去承载能力,声发射事件突然沉寂。

(2)与单轴压缩实验相比,三轴压缩条件下,岩样在静水压力状态下,内部原始裂纹被压密,压密阶段不明显。屈服阶段以前应力-应变曲线线性关系较明显,表现出明显的线弹性特征,弹性阶段显著,持续时间较长,并且这种特征随着围压的增大越加明显。常规三轴加载路径下,岩样破坏具有明显的峰值点,脆性破坏明显。常规三轴路径下,高围压作用限制了裂纹的萌生、扩展,塑性变形阶段的能量参数突增现象减弱。

选取接近该状态下平均强度的岩样进行分析,单轴压缩实验取D0-2,三轴压缩实验取S5-2、S10-1、S15-3和S20-3,实验结果见表1。不同围压下岩样加载应力-应变曲线,见图2。其中i、ii、iii、iv、v分别对应20、15、10、5和0 MPa。

参考文献:

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经过护理后,所有患者均对护理表示满意,而且所有患者的焦虑自评量表评分有了明显的改善,差异有统计学意义(P<0.05)。见表1。

[2] 王恩元, 何学秋, 刘贞堂, 等. 煤体破裂声发射的频谱特征研究[J]. 煤炭学报, 2004, 29(3): 289-292.

通过微焦点显微镜CT检测系统,对不同围压下岩石破坏后的形态进行了CT扫描,利用三维重建以及可视化建模软件,完成了破坏后岩样的三维重建,不同围压下砂岩岩样三维破坏形态,见图7。常规三轴压缩路径下砂岩破裂主要以剪切破坏为主。对比图7中不同围压下三轴压缩破坏形态可以看出,在低围压下(图7a、7b)岩样破坏伴随着更多的宏观裂纹产生,而高围压下(图7c、7d)中宏观裂纹明显减少,可见围压明显抑制了微裂纹的发展。较好地解释了前文声发射的能量参数在高围压下存在减弱的现象。

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[7] 赵星光, 马利科, 苏 锐, 等.北山深部花岗岩在压缩条件下的破裂演化与强度特性[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(S2): 3665-3675.

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以3 459 nm波长的中红外激光作为探针光辐照薄膜,得到了在不同探针光功率下,40 nm薄膜对探针光的透过率、反射率随泵浦光辐照薄膜时间的变化情况,如图6.

[8] 杨永杰, 王德超, 李 博, 等. 煤岩三轴压缩损伤破坏声发射特征[J]. 应用基础与工程科学学报, 2015, 23(1): 127-135.

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3.提出了要更加关注民生。提出要努力办好人民满意的教育,推动实现更高质量的就业,千方百计增加居民收入,统筹推进城乡社会保障体系建设,提高人民健康水平。

[11] 何 俊, 潘结南, 王安虎. 三轴循环加卸载作用下煤样的声发射特征[J]. 煤炭学报, 2014, 39(1): 84-90.

[12] 秦 涛, 张俊文, 刘 刚, 等. 岩石加载过程中表面变形场的演化机制[J]. 黑龙江科技大学学报, 2017, 37(1): 39-45.

(1)系统为存储应用程序中的所有数据访问提供实时审核。我们使用电子数据文件作为数据单元,对数据对象的所有操作进行审计,并使用区块链进行记录。通过这种方式,可以收集和监测控制所有电子数据访问情况。

 
秦涛,孙洪茹,刘恒,刘刚
《黑龙江科技大学学报》2018年第02期文献

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