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大理岩受压声发射研讨

宣布日期:2017-05-06 09:55    阅读次数:次

作者:江进辉等
摘 要:在单轴紧缩前提下,别离研讨阐发了自然含水、浸水饱和和施加渗流岩石的声发射特色。研讨标明:在低应力阶段,渗流不能引发AE 勾当,普通在单轴压力到达岩石强度的60 %~80 % ,邻近粉碎时,加渗流和遏制渗流的刹时均会发生较大的AE 事务,从不变渗流到遏制渗流普通领受不到较着的AE 旌旗灯号;岩石在荷载感化下的变形分裂特色与该进程中的声发射景象慎密相干。从均匀意思的能量和形变角度阐发,得出均匀能量和均匀形变在试件分裂进程中的变更是同步的,浸水饱和岩石较自然含水岩石的均匀能量小、均匀形变大的论断,并按照岩石分裂毁伤机理赐与诠释。
关头词:声发射;均匀能量;均匀形变;单轴紧缩;粉碎机理
1  概 述
岩石声发射(Acoustic Emission ,简称AE) 是指岩石资料在受荷变形进程中外部晶格错位或微裂纹扩大而引发瞬态弹性波的景象[5 ] 。早在20 世纪30 年月,Obert 和Duvall 就发明岩石中存在声发射景象[3 ] 。岩石声发射景象的发生与岩石变形、分裂进程中应变能的变更有关。普通以为,因为岩石大多为脆性资料,其内涵裂纹的扩大表现为会聚后的能量的俄然开释,并发生弹性应力波(声波) ,这是AE 能量的来历。在AE 旌旗灯号由振源处传至岩面的进程中,经由进程对这一弹性应力波的监测和阐发,领会岩石在受力进程中裂纹的成长纪律,为现场察看及展望预告供给按照。
在中科院武汉岩土所陈重新等便宜的节理面剪切渗流尝试机上,对布局面发育的大理岩停止了自然含水、浸水饱和(浸水130 h 摆布) 及施加渗流3 种前提下的单轴紧缩尝试,并引入声发射的均匀能量和均匀形变,阐发了差别前提的岩石尝试成果。
2  尝试装备、加载体例及岩石试件
2. 1  尝试装备
全部测试体系由节理面剪切渗流尝试机、AE21C 声发射仪、施加渗流的水箱和调理水压的氮气瓶、施加轴向荷载的50t 千斤顶及其余帮助装备构成。尝试时,利用20 kHz 和10kHz 的宽频探头收罗声发射旌旗灯号,用20 kHz 探头收罗AE 波形,同时利用AE21C 声发射仪全主动地高速采样、记实声发射旌旗灯号。见图1 。

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AE21C 声发射体系的采样频次可高达2 MHz ,它撑持疾速傅立叶(FFT) 变更、相干阐发和通报函数等数字旌旗灯号处置任务,可以或许间接统计单元时候内的AE 能率、撞击计数(每次撞击便是一个完全的AE 波形,因此,可以或许懂得为事务计数) 、振铃计数、主频值及其对应的幅值。本尝试的采样频次为2 MHz。
为了尽可以或许防止加载时因试件端部的磨擦而发生乐音搅扰,在试样的端部涂少许凡士林,并在试件端部垫橡胶垫片。声发射探头涂抹凡士林耦合后用松紧带牢固在试件呼应部位。为了防止机器振动的搅扰,利用50 t 的千斤顶手动加压。同时,为了削减乐音的影呼应当坚持尝试情况的宁静。
2. 2  岩石试件加工
本次尝试的试件采自鸡冠嘴金铜矿,试样为布局面发育的大理岩。试件经由进程切削,被加工成50mm ×50mm ×100mm 的长方体,其平行度、平坦度和抛光度都合适尝试规程请求。
布局面发育大理岩晶粒细、致密,质地软,布局面中有硅质充填物。
2. 3  加载体例
尝试时,坚持恒定加载速率,以0. 25~1. 0 kN/ 级施加单轴压力,在稳压进程中收罗AE 旌旗灯号。斟酌渗流耦合感化时,利用加水喷嘴给试件施加渗流,接纳水箱和氮气瓶调理水压。在特制喷嘴的上外表中间(30 mm 直径之内) ,均匀安排有环状和径向的喷水槽,槽宽3 mm。将垫在喷嘴上的橡胶垫片沿喷嘴沟槽均匀开小孔,以便水雾均匀的渗透试件。因为橡胶垫片的外周不开孔,加1~2 MPa 的单轴压力后,橡胶垫片还可以或许起到密封水雾的感化,从而防止水雾沿打仗面外泄。
岩石发生初始粉碎后,每级稳压30 s 摆布后,收罗60 s 不加渗流的AE 旌旗灯号,而后施加0. 2~0. 4 MPa 的水压,同时收罗60 s 加渗流的AE 旌旗灯号。
3  自然含水大理岩的AE 特色阐发
利用AE21C 声发射体系,对20 kHz 的宽频探头收罗的AE 波形旌旗灯号停止FFT 变更,输入每次撞击(每一个波形) 的主频和幅值,并统计振铃计数率、能量计数率及撞击计数率。
引入单次振铃的均匀能量和单次振铃的均匀形变。单次振铃的均匀能量(简称均匀能量) = 能量计数率/ 振铃计数率,用来表征岩石试件单次振铃的均匀能量,反应振铃幅度的巨细。单次振铃的均匀形变(简称均匀形变) = 单次振铃的均匀能量/ 加载应力,按照力×位移= 功及功效转化实际,该值可以或许用来表征在振铃计数率单元时候内,陪同应力波开释的岩石变形量。
局部成果见表1 、图2 。为便于在统一图上表现,均匀形变由表中数据缩小10 倍。
在尝试加载早期,监测仪不AE 旌旗灯号输入,直到应力到达岩石强度的65 %摆布,才起头显现AE 旌旗灯号,尔后相称一段时候内监测不到AE旌旗灯号;当应力加载到岩石强度的80 %摆布时,会有大批AE 旌旗灯号显现,同时试件起头开端分裂;尔后到试件粉碎时又会有大批AE 旌旗灯号显现。

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在尝试进程中,经由进程肉眼察看,同时记实岩石各个粉碎阶段的应力程度。经由进程尝试察看发明,自然含水岩石在应力到达26 MPa 时,起头初度分裂;当应力到达32 MPa 时,岩石试件起头大规模分裂;当应力加到33 MPa 时,岩石试件将没法稳压而终究粉碎。
从表1 及图2 可以或许看出,均匀能量和均匀形变在试件分裂进程中的变更是同步的,具备阶段性。在初裂时均匀能量和均匀形变都是最大的,申明在该阶段开释的首要是均匀振幅较大的应力波。在没法稳压的粉碎阶段,均匀能量和均匀形变都较初裂时小,申明在该阶段开释的首要是均匀振幅较小的应力波。因此,岩石外部新裂纹大批显现(即初始分裂,应力程度对应于26 MPa) 时,均匀每次声发射开释的能量最大;岩石大规模分裂(应力程度对应于32 MPa) 时,均匀每次声发射开释的能量次之;岩石外部裂纹起头开端扩大或萌发(应力程度小于22 MPa) 时,均匀每次声发射开释的能量较小;在没法稳压粉碎阶段(应力程度大于33 MPa) 首要是沿已成形的剪切粉碎面的滑动,均匀每次声发射的能量也较小。
图2 的均匀能量和均匀形变与压强散布可以或许经由进程岩石变形粉碎特色诠释。当应力小于20 MPa 时,不监测到AE 旌旗灯号,这对应于应力~应变曲线的裂隙压密段和线弹性阶段,首要是岩石原生裂纹的闭合和弹性紧缩;压强到达22 MPa 时,岩石原生裂纹初始扩大,均匀每次声发射开释的能量绝对较小,激起少许的小振幅应力波;压强到达26 MPa 时,岩石初始分裂,发生大批微裂纹,并不时扩大,均匀每次声发射开释的能量最大,激起绝对较多的大振幅应力波;压强到达32 MPa 时,岩石大规模分裂,均匀能量和均匀形变比初始分裂时小,此时的分裂首要是沿主裂纹的贯穿,激起了大批的绝对初始分裂的振幅较小的应力波。在岩石试件变形分裂的进程中,裂纹的扩大
绝对具备阶段性、突发性。均匀能量(形变) ~压强散布图反应了自然含水岩石的变形粉碎是从裂纹扩大的张性分裂起头的,当裂纹扩大调剂到必然阶段后,岩石的粉碎就改变为沿主裂纹标的目的的剪切粉碎(裂纹贯穿) 。
4  浸水饱和大理岩AE 特色阐发
长时候(130 h 摆布) 浸泡后,布局面发育的大理岩较着硬化,刚度下降而显现出渐进粉碎的特色,发生和领受到的AE进程较完全。
利用AE21C 体系对20 kHz 的宽频探头收罗的AE 波形停止FFT 变更,输入每次波形的主频。局部成果见表2 、图3 。

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由图3 可以或许看出,在加载早期发生和领受的AE 旌旗灯号较少。初始分裂时,AE 旌旗灯号急剧增添。岩石粉碎越猛烈,AE 旌旗灯号增添也越猛烈。
由表2 及图3 可以或许看出,浸水饱和岩石的均匀能量和均匀形变在试件分裂进程中的变更也是同步的。
察看发明:浸水饱和的岩石在20 MPa 压强时,起头初度分裂;当压强到达22 MPa 时,起头大规模分裂。经由进程与自然含水岩石对照,发明浸水饱和后的岩石从初度分裂到大规模分裂,压强仅增添了2 MPa ,比自然含水岩石从初度分裂到大规模分裂增添的压强6 MPa 小了4 MPa ,这类景象申了然布局面发育大理岩受水硬化很是较着,起头初度分裂后浸水饱和岩石的变形分裂对应力变更较自然含水岩石要敏感一些。
5  差别含水岩石均匀能量(形变) 应力对照
对照图2 与图3 及表1 与表2 ,可以或许发明受水影响岩石的均匀能量(形变) 应力干系绝对自然含水岩石试件简略。在较小的应力下就起头显现AE 旌旗灯号,初裂和大规模分裂的应力程度也较着下降,申明岩石试件受水硬化感化很是较着,再次申了然受水硬化后岩石外部裂纹的扩大对应力变更很是敏感。
比拟差别含水前提下布局面发育大理岩试件的初裂和大规模分裂时的均匀能量,可以或许看出:在岩石原生裂纹开裂阶段(别离对应22 MPa 和14 MPa) ,单次振铃均匀所开释的能量不较着差别;在岩石外部裂纹大批扩大阶段(别离对应26 MPa和16 MPa) ,自然含水岩石已起头初度分裂,而浸水饱和岩石直到20 MPa 时才起头初度分裂,这可以或许是因为岩石受水硬化较着,具备蠕变趋势,以致于硬化岩石的变形粉碎猛烈程度比自然含水岩石绝对削弱的缘由。
比拟岩石各个变形阶段的均匀形变可看出:浸水饱和岩石的均匀形变较自然含水岩石大,这进一步考证布局面发育的大理岩受水硬化较着,以致于具备蠕变趋势。
经由进程尝试进程的察看,发明构成以上浸水饱和岩石与自然含水岩石的均匀能量(形变) 应力散布差别的缘由可以或许是自然含水岩石较浸水饱和岩石脆,其粉碎因此张裂为主的张性粉碎起头,至主裂纹起头构成时逐步改变为剪切粉碎,以致于变形粉碎较浸水饱和岩石猛烈,具备突发性,表现了自然含水的布局面发育的大理岩具备脆性粉碎的特色。自然含水岩石的这类变形粉碎特色便于停止AE 监测。浸水饱和的布局面发育的大理岩受水硬化感化较着,变形粉碎比自然含水岩石更早趋势于剪切粉碎,在各个变形分裂阶段的变形量较大,具备渐进性,其粉碎的猛烈程度较着削弱,更便于停止变形察看。
6  结 语
经由进程尝试研讨,可以或许得出以下论断。
(1) 岩石试件处于低应力水日常平凡,AE 旌旗灯号很微小。应力程度必须到达一个边界值或能量必须堆集到必然的量能力激起可以或许使监测仪接管到的AE 旌旗灯号。
(2) 浸水饱和后,布局面发育大理岩的AE 旌旗灯号普通较自然含水状况下丰硕;在开端分裂和大规模分裂时的均匀形变较自然含水状况岩石有较着增大,便于停止变形察看和预告。这是因为布局面大理岩受水硬化以致于对应力变更较敏感,具备蠕变趋势的缘由。

(3) 岩石声发射景象与岩石外部变形粉碎慎密相干,均匀能量(形变) 与应力干系进一步考证了岩石AE 进程具备较着的阶段性,均匀能量和均匀形变在试件分裂进程中的变更是同步的。

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