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不同岩石声发射活动特性的实验研究


第29卷第11期
2008年11月

东北大学学报(自然科学版)
Journal of Northeastem University(Natural Science)

V01.29.No.11 Nov.200 8

不同岩石声发射活动特性的实验研究
赵兴东1,陈长华1,一,刘建坡1-一,李元辉1
(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110004; 2.辽宁工程技术大学资源与环境工程学院,辽宁阜新123000; 3.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059)



要:应用声发射及其定位技术,对不同岩样破裂过程的声发射活动规律进行实验研究,借以揭示不

同岩样的破裂失稳机理.实验结果表明:几种岩石的破坏模式相同,均发生劈裂破坏;在相同实验条件下,在初 始加载时,5种岩样产生的声发射事件均比较少;随着载荷的增加,不同岩石的声发射活动表现并非一致.砂 岩在整个加载过程产生的声发射事件数最少,而花岗岩产生的声发射事件数最多;砂岩和花岗岩(红色)其声 发射事件变化率非常明显,在破坏前无任何征兆;由于声发射事件定位是时差定位法,岩样波速影响着声发射 事件的定位,砂岩、大理岩(黑色)及花岗岩(红色)等岩样没有得到定位结果;而花岗岩与大理岩的声发射定位 结果,直观反映了其内部裂纹初始、扩展和贯通过程;因而,声发射活动与岩石的本身属性是直接相关的. 关键词:声发射;声发射定位;裂纹扩展;岩石;破裂过程 中图分类号:TG 335.58 文献标识码:A 文章编号:1005—3026(2008)11.1633—04

Experimental Study 万方数据 Rock Samples

on

AE Activity Characteristics of Di fferent

ZHAO Xing-don91,CHEN Chang-hua 1一,LIU Jian—po 1,一,LI Yuan—hui (1.School of Resources&Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 1 10004,Claim;2.School of
Resource&Environment Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;3.State Key Laboratory of Geohazards Prevention&Geoenvirormaent Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu
610059,China.Correspondent:ZHAO



Xing-dong,E-mail:zhaoxingdong@mail.neu.edu.en)

Abstmct:To reveal the failure/instability mechanism of different rock samples,the acoustic emission(AE)and its location functioning was applied samples
to

studing

Oil

the rock failure process under

uniaxial compression and what role the AE plays in it.The results showed that failure modes of all
aye

the sslne。i.e.,the split failure。and the AE functioning to those five kinds of rock increasing under otherwise equal conditions.though similarly few during initial loading step.During loading.the

samples differs from each other with load their accumulative AE events
are

number of AE

events

iS minimurn in sandy rock but

maximum
no

in granite.and both the

numbers

in sandy rock and red granite

change
are

very

clearly with

portent

of failure to come.The AE

location鸹a time-of-arrival results
found

affected by the elastic wave velocity in rock sample.It Was

that

AE location iS unavailable to the samples of sandy rock.black marble and red
to

granite that

but available

the samples of marble from Dandon_g and granite from Jinzhou indicating visually


the formation and propagation of

crack and how it

runs

though.A conclusion iS thus drawn

AE location functioning relates directly to the attributes of rock samples. Key words:acoustic emission;AE location;crack propagation;rock;failure process

收稿日期:2007一05—24 基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20070145121);国家重大技术研究发展规划项目 (2007CB209405);国家高技术研究发展计划项目(2007AA062107);中国博士后基金资助项目(20060390973。 2005038253);东北大学博士后基金资助项目(2006018);成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验 室开放基金资助项目;沈阳市大型仪器共享项目(2007GX—43). 作者简介:赵兴东(1975~),男,辽宁辽中人,东北大学讲师,博士.

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东北大学学报(自然科学版)

第29卷

声发射(acoustic emiSSion,AE)是研究脆性材 料失稳破裂演化过程的一个良好工具,因为它能 连续、实时地监测在荷载作用下脆性材料内部微 裂纹的产生和扩展,并实现对其破坏位置的定位, 这是其他任何实验方法都不具有的特点,已被广 泛应用于研究岩石、混凝土等材料的破裂失稳机 理【1_2J.目前,很多岩石力学工作者借助声发射 技术研究岩石渐进破裂失稳过程,并已经取得了 很多研究成果【卜12J.例如:许昭永,梅世蓉等[3]研 究了在真三轴压缩条件下几种岩石岩样的微裂纹

进行加载;②声发射监测系统;③数据采集系统: 采用应力传感器和动态应变仪对岩石所加载荷和 纵向变形进行量测.为消除压力机压头对声发射 事件的影响,在压头与试件接触部分采用橡胶材 料进行隔离.

Table l

S删wsve

表1不同岩样的波速
velocities in different rock sa'nples

初步定位,通过声发射事件定位能够勾勒出岩石
损伤区域.Jansen等¨J应用声发射技术研究了岩 石破裂过程中,随时间变化勾勒出三维微裂纹分 布,描述岩石损伤累积、裂纹成核以及宏观裂纹扩 展.Chan培等【5 J研究三维加载条件下岩石的损伤 1.2声发射系统简介 实验采用的声发射仪器是由加拿大ESG公 司生产的,声发射仪器是一个综合的、全波形数据 采集处理系统,能够实现连续实时声发射源定位, 即当事件被采集之后实现其定位.与此同时,源参 数(声发射事件源半径、事件发生时间、静压力下 降等参数)也被实时计算.此声发射仪器具有8个 通道,采样频率为10 MHz,其门槛值设定为100. 所采用的声发射探头为Nan030型,其频域为125
Hz~750 kHz;前置放大器型号为1220A—AST,

张量分析;Mansurov等帕J系统研究了不同岩石的
声发射特征;吴刚等【7J研究了不同应力状态下岩 石声发射活动特征;李庶林等[8]研究了单轴加载

条件下岩石声发射特征.本文在以上研究成果基
础上,应用声发射及其定位技术,对不同岩石的声 发射活动进行了实验研究,分析不同岩石的声发 万方数据 射活动规律,并实验了裂纹扩展三维空间演化过 程,为研究岩石破裂失稳机理奠定了基础.

1岩样制作、加载条件及声发射系 统
1.1花岗岩岩样制作及加载条件 实验选取的岩样分别采自赵固一矿砂岩、辽 宁锦州花岗岩、辽宁丹东大理岩、浙江黑色大理岩 以及本溪红色花岗岩.试样严格按照国际岩石力 学规定进行加工,其岩样的尺寸为70
1"nln×70

其增益为40 dB;后置放大器的频率范围为0~20 dB.此声发射系统可以对整个实验过程中所发生 的AE事件总数进行统计,并确定试件破坏的空 间位置.声发射仪器监测系统见图2.声发射定位 原理见文献[9—10].

mmX 150 mm(图1),不同岩样的波速见表1.为

研究不同岩石的声发射活动特性,在东北大学岩 石失稳与控制实验室设计一套声发射试验系统, 由以下3个系统组成:①加载系统:采用液压式压 力试验机(NYL一500型,最大载荷为5
000

图2声发射仪器监测系统及其数据处理系统
Fig.2 AE monitoring system

kN)

system and jts dala proce筠ing

2实验结果及分析
2.1岩样的破坏模式 在单轴压缩条件下,几种岩石的破坏模 式…-12】相似(图3),均为中间劈裂破坏(除黑色 大理岩崩碎),这主要是受压力机的加载刚度的 影响,裂纹的初始位置均在岩样的一端产生,然
图1不同岩样及其外形
Fig.1 Shapes of different rock samples

后随着载荷(或变形)的变化,逐渐向岩样的中间 扩展.

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赵兴东等:不同岩石声发射活动特性的实验研究

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而对于花岗岩和大理岩而言(图5,图6),在 初始加载时,在事件的两端产生声发射事件的累 积,随着载荷的增加,初始裂纹形成,声发射事件 开始逐步聚集、成核,并向中间开始扩展.同时,在 事件的中间出现声发射定位“空白区”,随载荷变 化,明显看出声发射定位事件的“空白区域”也在 逐步变化,即随着载荷的变化该声发射空白区域 在逐渐变小,而此声发射事件“空白区”恰好是岩 石破坏时裂纹贯通区.声发射事件“空白区”的存
图3各种岩样的破坏模式
Fig.3
Failure rrlodes of different rock samples

在有利于判断裂纹贯通的区域,具有一定的实际 应用意义.

2.2声发射事件随应力变化 此5种岩样的外形尺寸及加载条件完全一 致,但在加载过程中,岩样声发射活动表现得并非 一致.砂岩在整个加载过程中产生的累积声发射 事件数目很少,直至岩石裂纹完全贯通之前仅仅 产生几个声发射事件(图4),随着加载的继续进 行,声发射事件突然增多,在岩样中间劈裂破坏, 破坏之前几乎没有征兆,其峰值应力为38 MPa, 而在其邻近破坏时,单位时间(或应力)内,声发射 事件的变化率非常大;大理岩、黑色大理岩以及花
Fig.5

图5大理岩声发射事件定位结果
AE location results in marble samples

万方数据

岗岩在加载过程中产生的声发射事件比较多,并 且其随加载时间(或应力)变化比较稳定,在岩样 破坏前具有一定的前兆特征;红色花岗岩在整个 加载过程产生的声发射事件与前3种岩样相比较 少,但其声发射变化率比较大(图4).

图6花岗岩声发射事件定位结果
Fig.6
AE location results in granite samples

3结



1)在单轴压缩作用下,几种岩石的破坏模式 相同,均发生劈裂破坏.
应力/MPa

图4不同岩石声发射变化率与应力之间关系
Fig.4 Relationship between changing rate of AE events and

2)在岩石破裂过程中,声发射活动随应力变 化表现出不同的特征.在初始加载阶段声发射活 动不明显;随着荷载的增加,不同岩石的声发射活 动表现不一致,砂岩产生的声发射事件数最少,而 花岗岩产生的声发射事件数最多;砂岩和花岗岩 (红色)声发射事件变化率非常明显,在破坏前无 任何征兆. 3)由于声发射事件定位是时差定位法,岩样 波速影响着声发射事件的定位,砂岩、大理岩(黑 色)及花岗岩(红色)等岩样没有得到定位结果;而 花岗岩与大理岩的声发射定位结果,直观反映了 其内部裂纹初始、扩展和贯通过程.

stress in different rock samples

2.3声发射事件定位结果分析 在整个试验过程中,采用相同的定位方法和 相同的传感器布置方式,但并没有得到同样的声 发射定位结果.尤其是砂岩、黑色大理岩以及红色 花岗岩均没有得到定位结果,其主要原因是波速 太快,在同样尺寸的岩样内,声发射仪器的传感器 没有能够识别出其时间差,因而没有形成有效的 声发射定位事件,也没有能够反映岩样内部微裂 纹的初始及扩展方向.

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东北大学学报(自然科学版)

第29卷

4)岩石声发射活动规律与岩石本身的属性 是直接相关的. 参考文献:
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不同岩石声发射活动特性的实验研究
作者: 作者单位: 赵兴东, 陈长华, 刘建坡, 李元辉, ZHAO Xing-dong, CHEN Chang-hua, LIU Jianpo, LI Yuan-hui 赵兴东,李元辉,ZHAO Xing-dong,LI Yuan-hui(东北大学,资源与土木工程学院,辽宁,沈阳 ,110004), 陈长华,CHEN Chang-hua(东北大学,资源与土木工程学院,辽宁,沈阳,110004;辽 宁工程技术大学,资源与环境工程学院,辽宁,阜新,123000), 刘建坡,LIU Jian-po(东北大 学,资源与土木工程学院,辽宁,沈阳,110004;成都理工大学,地质灾害防治与地质环境保护国 家重点实验室,四川,成都,610059) 东北大学学报(自然科学版) JOURNAL OF NORTHEASTERN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 2008,29(11) 0次

刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 引用次数:

参考文献(12条) 1.Lockner D A The role of acoustic emission in the study of rock failure 1993(7) 2.Lockner D A.Byerlee J D.Kuksenko V Quasi-static fault growth and shear fracture energy in granite 1991(7) 3.Xu Z Y.Mei S R.Zhuang C T Preliminary location of microcracks in several rock specimens under true triaxial compression[期刊论文]-Acta Seismologica Sinica 1994(S) 4.Jansen D P.Carlson S R.Young R P Ultrasonic imaging and acoustic emission monitoring of thermally induced microcracks in Lacdu Bonnet Granite 1993(B12) 5.Chang S H.Lee C I Estimation of cracking and damage mechanisms in rock under triaxial compression by moment tensor analysis of acoustic emission 2004(8) 6.Mansurov V A Acoustic emission from failing rock behavior 1994(3) 7.吴刚.赵震洋 不同应力状态下岩石类材料破坏的声发射特性[期刊论文]-岩土工程学报 1998(2) 8.李庶林.尹贤刚.王泳嘉.唐海燕 单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2004(15) 9.赵兴东.唐春安.李元辉.袁瑞甫.张建勇 花岗岩破裂全过程的声发射特性研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2006(z2) 10.赵兴东.李元辉.袁瑞甫.杨天鸿.张建勇.刘建坡 基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究[期刊论文]-岩石 力学与工程学报 2007(5) 11.Schedl A.Kronenberg A K.Tullis J Deformation microstructures of Barre granite:an optical,sem and tem study 1986(1/2) 12.Wu L X.Cui C Y.Geng N G Remote sensing rock mechanics (RSRM) and associated experimental studies 2000(6)

相似文献(10条) 1.期刊论文 刘培洵.刘力强.黄元敏.汲云涛.LIU Peixun.LIU Liqiang.HUANG Yuanmin.JI Yuntao 声发射定位的稳 健算法 -岩石力学与工程学报2009,28(z1)
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声发射技术是研究岩石变形破坏微观机理的重要手段,对开采扰动下采空区煤岩破裂失稳的机制和前兆预测具有重要意义.基于声发射定位实验,利用 支持向量机方法,对煤岩单轴抗压破裂与失稳过程中的声发射信号进行分析与预测,为采空区煤岩破裂定量化预测提供科学依据.

4.期刊论文 赵兴东.李元辉.袁瑞甫.杨天鸿.张建勇.刘建坡.ZHAO Xingdong.LI Yuanhui.YUAN Ruifu.YANG Tianhong.ZHANG Jianyong.LIU Jianpo 基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究 -岩石力学与工程学报 2007,26(5)
应用声发射及其定位技术,在单轴压缩载荷作用下,应用盖格尔定位算法,采用试验方法研究包括含不同预制裂纹的花岗岩岩样破裂失稳过程中其内部 微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式.试验结果表明,声发射定位能够反映岩石裂纹动态演化过程,声发射事件的产生主要是由于裂 纹扩展产生的,并随应力-应变变化表现出不同的特征:在初始加载阶段至初始裂纹出现之前,其声发射活动不很明显;一旦岩样出现初始裂纹,在相应应力 点声发射事件明显增多;裂纹稳定扩展至岩石完全破坏之前,声发射总数应变曲线与应力-应变曲线平行;在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间,声发 射活动变得异常活跃,声发射事件变化率最大.在完整岩样声发射事件定位结果中,出现声发射定位事件的空白区,宏观裂纹的贯通恰在声发射事件的空白 区之内,借此可以实现对岩石裂纹贯通位置预测;声发射定位结果也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现,可直观地反映岩样内部裂纹扩展空间位置、扩 展方向以及裂纹扩展的空间曲面形态,这对于深入研究岩石破裂失稳机制是十分有意义的.

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6.期刊论文 许江.李树春.唐晓军.陶云奇.姜永东.XU Jiang.LI Shuchun.TANG Xiaojun.TAO Yunqi.JIANG Yongdong 单轴压缩下岩石声发射定位实验的影响因素分析 -岩石力学与工程学报2008,27(4)
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8.期刊论文 刘卫东.张薇.窦林名.LIU Wei-dong.ZHANG Wei.DOU Lin-ming 声发射定位中时差计算研究 -计算机工 程与科学2009,31(4)
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10.学位论文 翟宁 基于虚拟仪器的轨道机车轮轴故障诊断系统 2006
火车作为一种主要的运输工具,长期以来一直处于一种超负荷的工作状态中,它的安全性已经成为各个国家非常重视的一个问题。中国的铁路运输 长时期以来一直处于低装备率、高使用率、高强度运输状态。作为其行走部件的车轴、车轮、轮对轴承等,更是受到撞击、循环应力、摩擦、高低温等 作用力,它们的磨损、裂纹、剥离等损坏现象十分常见。因此,开发针对轨道机车轮轴的故障检测系统将是十分必要的。 本文的研究内容是通过声发射信号采集系统得到声发射源的一些相关状态信息,对其断裂、疲劳特性等指标进行分析,并得到相应的结果。主要对 信号采集系统的建立、信号的去噪、信号的识别和定位等问题进行了详细的介绍。 声发射信号检测的目的在于发现声发射源和得到声发射源的相关状态信息。然而,由于在检测的过程中各种噪声的存在,要想获得声发射的原始信 号比较困难。因此,本文利用小波分析对声发射信号进行处理,通过对小波分解与重构法去噪、小波变换阈值法去噪、平移不变量法去噪等不同去噪方 法进行实验比较,并得出结论:平移不变量法去噪在对混有随机噪声的声发射信号去噪过程中去噪效果较好。 本文对如何根据采集到的声发射信号识别机车轮轴的状态和发生故障的位置进行了研究,对具有典型状态的滚动轴承的声发射信号进行了检测,并 通过实验研究可以看出,不同状态的轴承所测取的信号特征有着明显的不同,并且和理论特征频率有着一定的关系。同时,通过实验验证,基于模态分 析和小波变换的声发射源定位方法,可以较大的提高声发射源定位精度。 在此基础上,本文设计了基于LabVIEW的硬件采集系统和软件处理平台,硬件上采用美国PAC公司的PCI-2数据采集卡,满足对声发射信号的采集要求 ,软件平台可实现对声发射信号的时域分析、频谱分析、参数分析、小波去噪以及报警等功能,该软件平台为本文的深入研究打下了良好的基础。

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dbdxxb200811029.aspx 下载时间:2010年5月20日


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