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基于声发射监测的含水岩石动态损伤演化过程试验研究*

更新时间:2016-07-05

0 引 言

AE是指材料或结构在外部载荷作用下,以弹性波的形式释放应变能的现象[1]。AE技术可实时动态监测岩石材料内部微裂纹萌生、扩展,揭示其损伤演化过程[2]。通过对材料受载过程中AE事件动态演分析,有助于揭示岩石损伤破坏过程的动态演化规律[3]。国内外诸多学者对岩石损伤破坏过程中AE定位开展了广泛而深入的研究,20世纪60年代晚期,K. Mogi[4]应用AE定位技术,对花岗岩板在弯曲变形条件下的二维定位进行了研究,其后,C. H. Scholz[5]采用6个AE探头,应用最小二乘法获得了单轴压缩条件下AE事件的空间位置,开创了多通道拟合AE源定位算法。D. P. Janson[6]等应用AE监测技术,对岩石损伤演化过程中裂纹累积、成核及宏观扩展规律进行了研究;裴建良等[7]应用AE及其定位技术,对单轴加载条件下大理岩岩样破裂过程中内部不同空间组合类型自然裂隙的空间动态演化过程进行了研究,实现了自然裂隙及其扩展过程的精确定位;左建平等[8]采用AE监测系统对煤、岩和煤岩组合体损伤破坏过程中的力学行为和AE行为进行了实时监测,获得了其AE三维空间分布规律;张鹏海等[9]对蚀变花岗岩破坏过程中AE事件的演化规律开展了试验研究,研究结果为预测岩石的破坏提供试验依据;刘建坡等[10]采用单纯形定位算法,对预制孔岩石试件损伤破坏过程中的AE时空演化特征进行了研究。

更多的时候因为“传统”发酵,引来了许多盗墓贼或梁上君子,我也不例外,剥离了传统与现代与生活,模糊了审美的视线,使美的发现愈来愈难。于是,困惑中我在画外追问:前人的生活与现代人的生活?我的灵魂因此而漂泊,在漂泊中发现,生活带来最初的冲动是源于心动,是无法抵御和抑制的激情奔腾。我的画是从这里开始,以验证着一个为个性化的漂泊灵魂寻找归宿和充满着执着与真正的人生的追恋。

上述研究成果极大地提高了人们对岩石破裂失稳过程中AE时空演化规律的认识,但这些研究多针对于干燥岩石,很少涉及天然与饱水状态岩石损伤破坏过程中AE的时空演化规律,而大多数的岩体工程多处于含水或饱水状态。针对这一问题,采用基于最小二乘法的AE组合定位算法[11],对中关铁矿干燥、天然及饱水状态下的闪长岩在单轴加载条件下的动态损伤演化过程进行研究,研究成果有助于进一步认识岩体失稳破坏机制,为提高含水岩体失稳监测精度提供试验依据。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样制备

将从中关铁矿地下约600 m深处取回的闪长岩岩块加工成高径比为2∶1的圆柱体岩样,岩样直径约为48 mm,加工精度符合相关试验规程。根据试验要求,干燥、天然及饱水岩样分别为3个,各岩样的具体尺寸和纵波波速见表1。

3) 知识型员工人格特质的各维度与工作绩效存在显著正相关。人格特征既可以预测员工的关系绩效,又可以预测其任务绩效,但对任务绩效的预测力要低于对关系绩效的预测力。知识型员工的成就需要可以有效地预测工作绩效及其各个维度,是知识型员工工作绩效的预测源,知识员工成就需要与工作绩效显著相关。无论是成就需要、控制源,还是自我效能感人格预测变量,对人际关系的预测均高于对任务绩效和工作奉献的预测。自我效能感对工作绩效预测作用相对来说较小。

1.2 试验方法

试验采用加载速率为10 kN/min的单轴应力加载方式。试验设备由TAW-3000微机控制电液伺服试验机和PCI-Ⅱ监测系统组成,AE传感器型号为Nano30,试验装置和传感器位置示意图见图1。

表1 岩样尺寸及纵波波速

含水状态试件编号试件尺寸/mm纵波波速/(m·s-1)干燥岩样S-448.04×100.084511S-548.06×100.084467S-648.00×99.984578天然岩样S-748.08×99.924043S-848.06×99.964032S-948.04×99.964055饱水岩样S-148.02×100.064898S-248.00×99.984809S-348.04×99.964962

图1 试验系统和传感器位置

AE监测系统具体参数设置为:前置增益40 dB,传感器频率为125~750 kHz,门槛值和主放分别为45 dB和40 dB,采样频率为1 MHz。传感器距试件端面距离20 mm,试验时,在试件与传感器接触部位涂抹黄油进行耦合。

2 试验结果及分析

2.1 声发射定位精度的验证

根据实际断铅位置与定位结果对比分析可知,天然、干燥及饱水岩样的定位误差的平均值分别为4.44, 4.04 mm和2.44 mm。

图2 闪长岩断铅试验定位结果

试验前为检验定位算法的精度,采用0.5 mm的HB铅笔芯断铅试验模拟源进行传感器响应和定位误差的测算。本次所有断铅试验的试验点均选在1、5传感器连线的中点处,每组试验重复10次。干燥、天然及饱水岩样的定位结果如图2所示。

[5]Laufer,B.,&Z.,Goldstein.(2004).Testing Vocabulary Knowledge:Size,Strength and Computer Adaptiveness,Language Learning,54(3).399-436.

2.2 干燥岩样的AE定位结果与分析

由图6、图7可见,在OA和AB段,AE能率和能量累积数几乎为零,这两个阶段分别处于岩样的压密与弹性变形阶段。BD段,该阶段的应力区间为(0.43~1.0)σc,其中C点的应力为0.73σc,在BC段,AE能率和能量累积数均有小幅增大,CD段,AE能率出现阶跃变化,能量累积数急剧增大。

[1]LOCKNER D A. The role of acoustic emission in the study of rock fracture[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics,1993,30(7):883-899.

图3 干燥状态岩样应力-应变-AE能率曲线

图4 干燥状态岩样应力-应变-AE能量累积数曲线

图5 干燥状态岩样不同应力水平声发射时空演化规律

根据图3中AE能率与应力之间的关系,将应力-应变-AE能率曲线划分为初始压密阶段、弹性变形阶段、损伤演化阶段和失稳破裂阶段,各阶段对应于图3中的OA段、AB段、BD段和D点以后阶段,其中C点为岩石受扰动容易破裂失稳的分界点。

由图3、图4可见,在OA和AB段,岩样内部几乎没有AE能量释放,在BD段,随轴向应力的增大,岩样内部有大量的AE能量释放,在该阶段,AE能率增大并呈阶跃变化,AE能量累积数快速增多,D点以后,几乎没有AE能量释放。

由图5可见,干燥岩样在低于0.5σc(σc为峰值应力)时,岩样内部累计产生的AE事件数约为其破裂失稳时AE事件总数的12.5%,AE事件主要集中于岩样的端部,这是因为在这一过程中,岩样端部产生了损伤裂纹。当应力由0.5σc增大到0.6σc这一过程中,新增AE事件数约为其总数的8.5%,新增AE事件有向岩样内部发展的趋势,且主要出现于岩样最终破裂面附近;当应力由0.6σc增大到0.7σc这一过程中,新增AE事件数约为其总数的5%,从图3也可以看出,该阶段AE能率相对较小,新增AE事件主要出现在岩样的中部;当应力由0.7σc增大到0.8σc这一过程中,AE能率出现了一次大的阶跃变化,新增AE事件数约为其总数的11.5%;当应力由0.8σc增大到0.9σc这一过程中,这一阶段AE能率相对较小,但该阶段岩样释放的能量相对较多,新增AE事件数约为其总数的12.5%;当应力超过0.9σc时,岩样处于失稳破裂前夕,该阶段AE能率、AE能率累积数及AE事件数急剧增大,新增AE事件数约为总数的50%,该阶段破坏裂纹贯通,岩样发生宏观破坏。在上述各应力阶段,AE事件均有向岩样最终破裂面附近集群的趋势,且主要分布于最终破裂面两侧。

2.3 天然岩样的AE定位结果与分析

天然状态下典型岩样的轴向应力-应变-AE能率曲线及轴向应力-应变-AE能量累积数曲线分别如图6、图7所示,不同应力水平时累积AE事件在空间中的分布如图8所示。

AE事件实时动态显示是研究岩石动态损伤演化过程的前提。本文按照AE事件产生的时间顺序和能级大小进行三维动态显示,AE事件能量的大小由球的直径决定,能量与球的直径成正比。

图6 天然岩样应力-应变-AE能率曲线

图7 天然岩样应力-应变-AE能量累积数曲线

图8 天然岩样不同应力水平声发射时空演化规律

由图8可见,天然岩样在低于0.5σc时,岩样内部有少量AE事件产生,且产生的AE事件分布随机;当应力由0.5σc增大到0.8σc这一过程中,新增AE事件数约为其总数的17.6%,新增AE事件主要出现于岩样最终破裂面附近,但分布依旧较为分散;当应力由0.8σc增大到0.9σc这一过程中,岩样处于损伤演化阶段后期,新增AE事件数约为其总数的10.8%,通过对比该阶段AE定位结果与岩样最终破裂面位置关系发现,AE事件主要集中于最终破裂面;当岩样所受压力接近其峰值强度时,AE能率、AE能量累积数及AE事件数快速增加,岩样达到峰值强度时,岩样失稳破坏,此时,AE事件数不再增多,该阶段新增AE事件数约为其总数的60.9%,该阶段新增AE事件绝大多数集中于岩样最终破裂面附近,少数呈离散状分布。

经过治疗1~4次的治疗后,疣体面积减少小于50%的患者占比为41%、45%、43%、49%,当中疣体面积治愈百分之百的占比为10%、26%、24%、35%。面积减少小于50%的疣体占比为57%、52%、58%、56%,除此之外,疣体面积增大的百分比为27%、29%、28%和59%。

2.4 饱水岩样的AE定位结果与分析

饱水状态下典型闪长岩岩样的轴向应力-应变-AE能率关系曲线及轴向应力-应变-AE能量累积数关系曲线如图9、图10所示,不同应力水平时累积AE事件在空间中的分布如图11所示。

由图9、图10可见,在OA和AB段,AE能率和AE能量累积数几乎为零。BD段所处的应力区间为0.76~1.0σc,其中C点的应力为0.90σc,BC段,AE能率和能量累积数均有小幅增大,CD段,AE能率出现阶跃变化,AE能量累积数急剧增大。

由图11可见,饱水岩样在(0~0.5)σc应力区间,岩样内有少量AE事件产生。当应力由0.5σc增大到0.9σc这一过程中,新增AE事件数约为其总数的28.56%,新增AE事件主要集中于最终破裂面附近,且接近于最终破裂面,当应力超过0.9σc直至岩样最终破裂这一过程中,新增AE事件数约为其总数的62.9%,并有向最终破裂面附近集群的趋势。

对比分析上述3种含水状态岩样损伤演化过程AE事件动态变化规律,可以发现:在低应力(应力<0.5σc)阶段,干燥岩样内部有少量AE事件产生,而天然与饱水岩样内部几乎没有AE事件产生;在0.5~0.9σc应力区间内,各岩样内部均有一定数量的AE事件产生,且饱水岩样产生的AE事件最接近于最终破裂面;在失稳破裂阶段,干燥、天然、饱水岩样内部AE事件所占各岩样AE事件的比例依次递增,且干燥与饱水岩样AE事件集中出现在岩样失稳前的一段时间内,而饱水岩样的AE事件集中出现于岩样失稳破裂前的一瞬间。

图9 饱水状态岩样应力-应变-AE能率曲线

图10 饱水状态岩样应力-应变-AE能量累积数曲线

图11 饱水状态岩样不同应力水平时累积AE试件空间分布

4 结 论

(1) 含水状态对岩样AE事件的精度和事件数均有显著影响,干燥、天然及饱水闪长岩的定位误差分别为3.46,4.44 mm和2.44 mm。天然、饱水岩样的声发射事件数分别为干燥岩样的37.2%和17.6%。

(2) 在低应力阶段,干燥岩样内部产生的AE事件多于天然与饱水岩样;在0.5~0.9σc应力区间内,各岩样内部均有一定数量的AE事件产生;在失稳破裂阶段,干燥、天然、饱水岩样内部AE事件所占各岩样AE事件的比例依次递增。

车子一路向前,野葵和蒲公英一路跟着。终于,我们远远望见了几幢房子,青砖青瓦连在一起,坐落在一块开阔之地。开车的师傅说:“到了。”父亲像突然被谁猛击了一掌似的,愣愣地,不相信地问:“到了?”一看表,快上午 10点了。他急了,说:“也不知能不能见着。”因为这家戒毒所规定,上午10时之后,一律不允许探视。

干燥状态典型岩样的应力-应变-AE能率曲线、应力-应变-AE能量累积数曲线及AE事件的动态演化规律分别如图3~图5所示。

参考文献

[2]TSUYOSHI I,TADASHI K,YUJI K. Source distribution of acoustic emissions during an in-situ direct shear test:implications for an analog model of seismogenic faulting in an inhomogeneous rock mass[J]. Engineering Geology,2010,110(3/4):66-76.

(2)集料。粗集料选用玄武岩,表观密度为2.929g/cm³,压碎值为12.1%,磨耗值为13.6%,磨光值为42BPN,吸水率为0.8%,针片状含量为12.7%。细集料选用机制砂,表观密度为2.869g/cm³,表观相对密度为2.877g/cm³,砂当量为83.1%。矿粉选用石灰岩矿粉,表观密度为2.665g/cm³,表观相对密度为2.67g/cm³,含水量为0.1%,亲水系数为0.7。

[4]MOGI K. Source location of elastic shocks in the fracturing process in rock[J]. Bulletin of Earthquake Research Institute,Tokyo Imperial University,1968,46(8):1103-1125.

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[5]SCHOLZ C H. Experimental study of the fracturing in brittle rock[J]. Journal of Geophysical Research,1968,74(4):1447-1454.

(六)王罕岭里湾村,尚有重大规模性的建筑物遗存。在里湾村,有一些非当地产的花岗岩石,被采磨加工得很规整,如不是巨富人家或重大公益事业,这些石块很难搬运上山。根据当地守山人的经济状况,不可能远途运石建居所。尽管这些石材经历了千年风霜雨雪的侵蚀,但仍能看出它所蕴含的人文价值。

[6]JANSED D P, CARLSON S R, YOUNG R P, et al. Ultrasonic imaging and acoustic emission monitoring of thermally induced micro cracks in Lac du Bonnet Granite[J]. Journal of Geophysical Research,1993,B12(98):22231-22243.

由表2可知,鄱阳湖丰水期悬浮颗粒物粒径值呈现出自南到北、自西向东逐步减小的现象;北湖水体D50在13.80~62.77 μm 之间变化,均值最大;主湖区水体D50居中,粒径分布范围有明显的减小趋势;而南部湖区水体D50均值最小,变化范围偏向小粒径。从悬浮颗粒物体积浓度角度分析,南湖的体积浓度平均值最大,浓度值变幅大,主湖区体积浓度平均值最小,体积浓度的平面分布与中值粒径并不一致。

[7]裴建良,刘建锋,左建平,等.基于声发射定位的自然裂隙动态演化过程研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(4):696-704.

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[9]张鹏海,杨天鸿,徐 涛,等.蚀变花岗片麻岩破坏过程中声发射事件的演化规律[J].岩土力学,2017,38(8):2189-2197.

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[11]康玉梅,刘建坡,李海滨,等.一类基于最小二乘法的声发射源组合定位算法[J].东北大学学报(自然科学版),2010,31(11):1648-1651.

1.AP-BEPS中国执行能力的挑战。执行AP-BEPS是一项复杂、持续的系统工程,其管理对象和管理业务的全面性、创新性、高度复杂性、独特性,考验AP-BEPS参与国的执行管理能力,特别是对国际税收征管经验和能力双欠缺的发展中经济体更是巨大挑战。因此,强化BEPS行动计划执行能力管理成为中国一项重要且紧迫的任务。

高子兴,夏冬,杨意德,李友伟
《采矿技术》 2018年第1期
《采矿技术》2018年第1期文献

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