岩石冻融损伤过程中的声震特性研究

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中国寒区面积广阔,寒区的基础设施建设规模也在大幅度的逐年提升。目前对岩石的冻融循环损伤方面的研究还有所欠缺。因此,本文基于冻融损伤岩石的声发射和微震信号特性,结合物理、力学、声学参数,对冻融次数、温变速率、溶液的盐浓度及p H值四种不同影响因素作用后冻融岩石的损伤机制展开深入研究,以便对寒区工程的灾害的防治和预测提供参考。本文的主要工作及成果如下:1、探究冻融岩石的物理声学参数、力学特性、声震特性及损伤变量与温变速率之间的关系,结果表明:(1)随着温变速率的增加,砂岩的弹性模量E、峰值应力强度σc、纵波波速VP、横波波速Vs均呈现减小的趋势,孔隙率变化值(35)N、质量损失率M、泊松比m呈增大趋势,破坏模式逐渐由脆性转变为塑性。(2)当温变速率较低时,声发射能量高幅值逐渐由仅在破坏阶段中后期出现,当温变速率不断升高时,高幅值逐渐在压密阶段和弹性阶段出现,最终在加载全过程均出现高幅值能量;声发射累计振铃数-时间曲线随温变速率增加,逐渐由三段式阶梯增长趋于线性增长,压密期、破坏孕育期、破坏期的累计振铃数增长速率趋于一致。(3)当温变速率较低时,微震能量高幅值仅破坏点之前的小范围区域出现,随着温变速率的不断增高,微震能量高幅值逐渐变化为受荷加载全过程均匀出现;微震累计振铃数-时间曲线在未经冻融及温变速率较低时出现明显的变速增长现象,变速点前后振铃数幅值差异很大;随着温变速率的增加,变速点不断向破坏点处靠近,变速点前后振铃数幅值差距逐渐缩小,匀速增长阶段时间占比和累计振铃数平均增长速率均逐渐上升。当温变速率为3℃/min时,匀速增长阶段时间占比为90%,累计振铃数平均增长速率为未冻融时的3.25倍。(4)损伤参量与温变速率之间均呈指数增长的规律,相关系数较高;但温变速率从0.1℃/min增长至1℃/min时各损伤参量的增长速率远远低于温变速率从1℃/min增长至3℃/min,可以认为温变速率1℃/min为临界温变速率值,当超过这个临界值时,岩石冻融作用产生的初始损伤程度急剧上升。2、探究冻融损伤岩石的物理声学参数、力学特性、声震特性及损伤变量与溶液盐浓度之间的关系,结果表明:(1)随着溶液盐浓度的增加,砂岩的E、sc、VP、Vs均呈现减小的趋势,(35)N、M、m呈增大趋势,并在力学加载过程中逐渐出现塑性破坏的特征。(2)当溶液盐浓度较低时,声发射能量仅在破坏阶段中后期出现高幅值波动,随着溶液盐浓度的增长,压密阶段和弹性阶段出现高幅值的范围逐渐变大,整体幅值水平不断提高,最终转变为加载全过程均出现能量高幅值;声发射累计振铃数-时间曲线在盐溶液浓度较低时,呈现明显的三段阶梯式增长,分别对应压密期、破坏孕育期、破坏期,随着溶液盐浓度上升,阶梯式增长趋势愈发不明显,当溶液盐浓度达到1.5mol/L时,声发射累计振铃数-时间曲线呈线性增长,压密期、破坏孕育期、破坏期的累计振铃数增长速率逐渐趋于一致。(3)随着溶液盐浓度的增加,微震能量高幅值从仅在破坏点之前的小范围区域出现逐渐变化为加载阶段全过程均出现;微震累计振铃数-时间曲线在溶液盐浓度较低时出现明显的变速增长现象,随着溶液盐浓度的增加,变速点不断向破坏点处靠近,匀速阶段时间占比和累计振铃数平均增长速率均逐渐上升。当溶液盐浓度为2mol/L时曲线变为线性增长,匀速阶段和破坏阶段的累计振铃数平均增长速率趋于一致。(4)损伤参量与盐溶液浓度之间呈指数增长的规律,相关性较高。3、基于声发射和微震参数的损伤参量研究基础上,建立基于声发射和微震累计振铃数参数的宏微观冻融损伤拟合参量,研究结果发现,VMC-AE、VAE-BC、VAE-AD分别可以很好的反应De、DV、Dn的变化情况。
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