分级加卸载条件下红砂岩蠕变破坏声发射特性研究

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蠕变性质是岩石的固有属性,它是引起工程岩体破坏最重要的原因之一。目前,对岩石在动载作用下的变形特征与破坏预测方法的研究已取得了一定的成果。然而,对岩石蠕变破坏进行预测、预报方面的研究报道相对较少。因此,研究岩石在蠕变过程中的响应特征,探寻岩石蠕变破坏的预测方法具有重要的意义。本文以国家自然基金项目“分级循环加卸载条件下岩石蠕变损伤及破坏的声发射特性研究”(No.51064010)项目为依托,对红砂岩进行了分级加卸载条件下的蠕变声发射试验。对比分析了试件轴向与横向蠕变的特征,以及试件在不同加载应力条件下蠕变过程中的声发射特征;在此基础上,建立了可反映红砂岩蠕变变形特征的非定常西原黏弹塑蠕变模型,提出了基于声发射监测的红砂岩蠕变破坏的预测方法;最后,通过引入应力腐蚀模型,在细观上分析了试件在蠕变破坏过程中微裂纹的演化特征。研究结果表明:(1)当加载应力小于红砂岩长期强度时,试件处于体积变形状态下,试件主要以轴向蠕变为主;当加载应力等于(接近)红砂岩长期强度时,试件处于体积不变状态下,试件横向蠕变逐渐显现;当加载应力大于红砂岩长期强度时,试件处于体积扩容状态下,横向蠕变的应变速率大于轴向蠕变的应变速率。在不同加载应力条件下,试件进入等速蠕变阶段的历时,以及在等速蠕变阶段的应变速率与加载应力分别呈现线性关系与幂函数关系;并且,红砂岩的蠕变变形特征可用非定常西原黏弹塑蠕变模型来表达。(2)红砂岩在蠕变过程中伴随着较为明显的声发射现象。在减速蠕变与等速蠕变阶段,声发射事件率与能率随蠕变时间的增大而减小,并且它们的数值与下降的幅度与试件体积变形有关;但在加速蠕变阶段末期,它们的数值会大幅度的增大。当试件处于体积变形状态下,声发射振幅与声发射b值随蠕变时间的增大分别表现为减小与增大的趋势,而声发射能量分形维数随蠕变时间的增大会最终趋于某一数值;试件在体积不变与体积扩容状态下(试件进入加速蠕变阶段之前),声发射振幅与声发射b值基本不变,但声发射能量分形总体呈现减小的趋势。(3)在等速蠕变与加速蠕变分界点处,以及试件临近蠕变破坏时,声发射振幅均出现明显的跃迁现象。相应的声发射主频由125kHz~156.25kHz增大为218.75kHz~250kHz.而在整个加速蠕变过程中,声发射b值与能量分形维数先后表现为减小、增大,再次减小的特征。该特征可作为红砂岩蠕变破坏的前兆特征,或蠕变破坏的预测方法。(4)岩石在蠕变过程中所表现出的声发射特征,其实质是微裂纹演化的结果。在单轴蠕变破坏过程中,红砂岩主要以拉张破坏为主,剪切裂纹出现在加速蠕变阶段的末期,并且裂纹数明显大于单轴压缩条件下的裂纹数。大破裂强度的声发射源所构成的形态基本与试件宏观破裂面形态一致。因此,在一定程度上,可根据声发射破裂强度的大小对红砂岩潜在破裂面进行预测。当给试件施加一定围压时,试件延性增强,蠕变量增大。试件拉张裂纹数随围压的增大而减少,但剪切裂纹数随围压的增大而增多,并且剪切裂纹的出现贯穿于整个蠕变过程。以上研究结果可为预测其它类型岩石蠕变破坏提供一定的参考,具有一定的借鉴价值与工程应用价值。
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