单裂纹砂岩轴向压缩下的破裂特征与声发射频域特征.pdf
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1、第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期:2022-09-24 作者简介:赵珍贤(1997-),男,贵州大学资源与环境工程学院,硕士生。通讯作者:江兴元(1986-),男,博士,贵州大学资源与环境工程学院;贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实 验室;贵州正业工程技术投资有限公司 贵州大学,副教授。基金项目:国家自然科学基金(42007271):基于多源数据的碎裂结构岩质斜坡失稳风险预测的参数与方法研究。单裂纹砂岩轴向压缩下的破裂特征与声发射频域特征 赵珍贤1,江兴元1,
2、2,3,沈志平3,陈世万1,2,杨 贵4,孟生勇1(1.贵州大学资源与环境工程学院,贵州 贵阳 550025;2.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室,贵州 贵阳 550025;3.贵州正业工程技术投资有限公司,贵州 贵阳 550025;4.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550025)摘 要:研究裂隙岩体的开裂行为和破坏前兆,对工程岩体失稳的预测预警极为重要。文中基于声发射技术,开展不同倾角单裂纹砂岩的单轴试验研究。研究表明:(1)裂纹会降低岩体的强度和弹性模量,完整岩样以张破坏为主,裂隙岩样的破裂模式为张破坏(0)剪破坏(45)张破坏(90);(2)高能量信号在
3、两个低频段内产生,中频信号在加载前三个阶段内较少,而在阶段内,4 种类型信号激增,能量主要在这一阶段得到释放。(3)随裂纹倾角增加(090),裂隙岩体的信号分布渐与完整岩样相似。关键词:单裂纹砂岩;单轴压缩;声发射 中图分类号:TD315 文献标识码:A 文章编号:1006-7973(2023)04-0095-03 一、引言 岩体内部多组结构面控制着岩体的变形演化破坏过程、受载方式和裂纹扩展演化。岩石破坏过程中裂纹的萌生、扩展及贯通,岩石内部储存的能量会以瞬态应力波的形式释放,产生大量声发射现象。通过对声发射信号的分析,可以反馈岩体内部裂纹的新生、扩展和收缩等过程,间接揭示岩石的破坏机理。因此
4、,探究声发射信号在裂隙岩石主破裂期的异常前兆信息,对于岩质崩滑灾害及地下工程围岩失稳的预测预警极为重要。对于裂隙岩体的研究,陈蕴生1等研究了“丁”形裂隙的力学特征。王笑然2等研究了裂隙砂岩扩展的声发射响应和速率效应。Wu3和宋宜猛4等结合声发射开展裂隙岩体的破裂特征研究,但基本是常规的声发射特征参数分析。文中通过含单裂纹红砂岩的单轴加载和声发射监测试验,分析了裂隙岩体的开裂行为和声发射频域特征。二、试验方案 试验岩样为贵州遵义市丹霞地貌区的新鲜红层砂岩,按工程岩体试验方法标准(GB/T50266-2013)对岩块进行取芯、切割和打磨,制成 50mm100mm 的标准 圆 柱试 样。试 样密 度
5、 2.542.56 g cm-3,波 速3,0863,205ms-2。试件砂质较细,均质性好。岩石样品包括两类,完整岩样(A#)和预制裂纹岩样(B#)。试件制备先采用直径 2mm 的钻头在试样中部打孔,再利用水射切割技术从小孔往两端切割裂纹,样品共设置了=0、45和 90共 3 种倾角,裂纹为穿透型,长度15mm,宽 1.5mm。试验系统包括力学加载装置、声发射监测装置和摄像装置。力学加载选用 WAW-1000KN 型微机控制电液万能试验机,采用位移伺服控制,加载速率 0.1mm/min。声发射试验采用 PCI-2E5.40 监测系统和 PXR15M 探头进行信号采集,采样频率 106 s-1
6、,放大器主放 40dB,阈值 3545dB。试验全过程采用数码摄像机进行录制。三、试验结果分析 1裂纹倾角对试件的开裂行为及破坏模式的影响 岩样 A#、B#0、B#45和 B#90的抗压强度c为94.8、30.7、68.5 和 89.8MPa,弹模E为 10.3、2.2、9.0和 10.2GPa。预制裂纹倾角为 0时c和E最小,且随着倾角增大,这两个参数越接近于完整岩体。图 2 是单轴压缩下砂岩的裂纹扩展与破坏过程。完整岩样 A#加载过程中,两端受压后竖向张拉裂纹较发育,随着荷载增加至抗压强度时,裂隙迅速扩展,破裂过程主要受竖向张拉贯穿裂隙控制。预制裂纹岩样 B#0在压缩时首先在裂纹端部形成一
7、条与加载方向相同的张拉型翼裂纹,应力接近峰值强度时,岩石下部产生一条贯通预制裂纹的张翼裂隙,初始翼裂纹从中部开始向试件顶部扩展产生张拉型远场裂纹,上下端部裂纹迅速贯通,试件瞬间破坏。岩样 B#45同样首先在预制裂纹端部产生张拉型翼裂纹,随着荷载增加,试件破坏受控于沿着预制裂纹方向的端部剪切型翼裂纹。B#90在荷载作用下,首先在预制裂纹中部和端部产生裂纹,初始新生裂纹最后发育为主控张拉裂纹。96 中 国 水 运 第 23 卷 (a)A#(b)B#0 (b)B#45 (b)B#90 图 1 单轴压缩下岩石的破裂过程 2裂纹扩展阶段的频域特征 (a)A#0501001502002503003500.
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