基于声发射的岩石破裂模式分析研究

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岩体破裂失稳问题一直都是国内外岩体力学研究的重点问题。岩土工程灾害的发生(如岩爆、岩质崩塌、岩质滑坡等)往往是岩石损伤破裂失稳过程的宏观表现,如何采用科学有效的技术方法系统深入地研究岩石破裂失稳过程中内部微破裂的动态演化规律,对理解和认识岩体破裂失稳机理和有效监测预警评估具有十分重要的研究意义。声发射检测作为一种新型的无损检测,其特点使其很适用于岩石破坏的动态安全检测、监测、完整性评价、早期损伤预警和失效预防。本文结合现场调查和室内试验,在广泛研读和总结归纳国内外相关研究结果的基础上,取南江县断渠滑坡和中江县垮梁子滑坡红层地区的泥岩和砂岩、青川大光包滑坡的灰岩和国道213石棉高速路口边坡花岗岩,利用XRD射线衍射试验,分析了4种岩石的矿物成分,通过MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和声发射测试采集系统PCI-2,分析了4种岩石在不同加载条件下的声发射特性,用JCMS-Ⅲ b5706提出的参数分析法、混合高斯模型(GMM)和G-P分形理论研究了4种岩石在不同加载条件下的破裂模式。(1)花岗岩、灰岩、泥岩和砂岩的主要原岩分别为长石、白云石、石英和石英。花岗岩中长石和石英含量达到了95%,这些粗粒矿物使得花岗岩重度高,强度大。灰岩所含矿物单一,白云石含量达到了95%。红层地区的泥岩和砂岩石英所占含量分别为64%和47%,泥岩中出现了三价铁离子赤铁矿,这是泥岩颜色为红色的主要原因,砂岩中出现了粘土矿物伊利石,斜长石含量比泥岩高20%。由于石英和长石这两种粗粒矿物的存在,导致其他矿物的衍射峰强度较低。正是由于岩石内部矿物组成成分含量等的不同,导致了各种岩石物理参数和强度、声发射特征等性质的差异。单轴加载岩石的的强度为排序为DH>DG>DN>DS2,劈裂加载条件下4者的强度大小为PG>PH>PN>PS2。(2)对4种岩石的单轴压缩和劈裂全过程中的应力-时间-事件数曲线、应力-时间-能量-累积能量曲线和时间-计数-振幅三维柱状图进行了分析,发现单轴压缩条件下脆性岩石花岗岩和灰岩出现了“平静期”,而泥岩和砂岩却没有出现,劈裂加载条件下声发射事件的数量明显少于单轴加载条件下的,能量与时间轴呈三角形分布,累计能量曲线均为阶梯上升。(3)根据JCMS-Ⅲ b5706提出的方法,得到单轴压缩和劈裂加载条件下花岗岩、灰岩、泥岩和砂岩声发射RA-AF散点分布图,发现在各时间段内4种岩石试样张拉裂纹区域呈现低AF值对应高RA值,剪切裂纹区域呈现低RA值对应高AF值的规律,这是张性裂纹和剪性裂纹破裂机制区分的重要声学表征。统计了花岗岩、灰岩、泥岩和砂岩在单轴压缩和劈裂条件下各加载阶段中张拉破坏和剪切破坏的声发射计数的数目以及各自所占的比例,定量给出了各破坏阶段张拉裂纹和剪切裂纹的比例。同时研究了应力增量为s=0.1sc(st)的应力区间和以s=0.1sc(st)为应力增量逐级递增的各应力阶段内累计的声发射事件三维空间定位点的分布,揭示了花岗岩和灰岩试样在单轴压缩和劈裂加载破坏全过程中张拉裂纹和剪切裂纹的产生、扩展、模式、时空分布等一系列动态演化特征,红层岩石泥岩和砂岩采集到声发射事件数较少,不能精确的反映裂纹的扩展演化规律。(4)基于高斯混合模型(GMM)和移动平均滤波方法(MAFM),分析了单轴压缩下4种岩石在各加载阶段张拉裂纹和剪切裂纹的转变演化规律,同时给出了4种不同岩石各加载阶段剪切裂纹聚类和张拉裂纹聚类中心的RA和AF值,以及两类裂纹在各加载阶段所占的比例。研究发现剪切裂纹所占比例的最大值出现在(0.80.9)sc的阶段,该时间段对应岩石加载过程中非稳定扩展阶段的中后期,剪切裂纹所占比例的最大值可以作为预测岩石破坏的前兆阈值。(5)通过G-P分形理论,得到单轴压缩和劈裂条件下4种岩石分形维数的原始数据与拟合回归直线在各加载阶段的相关系数在0.84和0.81以上,说明了4种岩石的破裂具有分形特征。在单轴压缩下红层地区的泥岩和砂岩的分形维数值明显的大于花岗岩和灰岩的,说明花岗岩和灰岩的声发射活动强于泥岩和砂岩。劈裂加载条件下的声发射分形维数值普遍大于单轴加载条件下的,这表明劈裂条件下声发射活动弱于单轴压缩下的声发射活动。整个加载过程中分形维数是一个先升维后降维的过程,在加载初期,岩石内部以微破裂、微损伤为主,它们的分布具有均匀性和随机性,声发射分形维数D较大,岩石表现为无序的结构,此后逐渐下降,在破坏时达到最小值,说明岩石内部无序向有序转变,岩石内部损伤持续增加,且由无序向宏观有序的破坏结构转化。声发射分形维数可以作为描述岩石力学行为和结构损伤的一项指标,它能很好的反映了岩石声发射活动空间分布的复杂程度。可以将获得的分形维数D作为描述岩石破裂的特征参数。
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