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岩石力学特性与其声发射分形维关系研究

何浩宇  
【摘要】:声发射技术是研究岩石力学性质的一种声学方法。通过对岩石的声发射信号的分析和研究,可推断岩石内部性质变化,反演岩石的破坏机制。分析探讨有岩爆倾向的岩石在受外荷载作用过程中的声发射规律有助于了解岩爆倾向岩石的动态失稳过程和特征。 为了系统研究岩石在受外荷载作用下的声发射活动规律,选取了大理岩、花岗岩和砂岩三种典型岩石进行了单轴抗压实验,并同步收集声发射信号,获得应力-应变全过程曲线和声发射特征曲线,对岩石破裂过程中声发射事件进行分形维计算,综合对比分析这三种岩石的声发射曲线特征,探寻岩石微裂纹演化过程的特点,并研究岩石的弹性模量、岩爆倾向性与其声发射特征之间的关系。 本文对大理岩、花岗岩和砂岩三种岩石的力学特性进行研究,通过分形方法对岩石受压时的声发射信号进行研究。主要做了如下工作: (1)针对所取大理岩、花岗岩和砂岩岩样,制备了圆形试件进行单轴压缩试验;计算了在单轴压缩两种加载方式条件下三种岩石冲击能指标、弹性应变能指标、单轴抗压强度、弹性模量和动态破坏时间等多种判断岩爆倾向性的指标,分析了大理岩、花岗岩和砂岩的岩爆倾向性。得出岩爆倾向性:花岗岩大理岩砂岩,对于同一产地的同种岩石均体现出在一固定应变值的很小范围内达到峰值应力; (2)在试验同步进行声发射信号的收集;对三种岩石在两种压缩条件下的声发射事件计数进行分析,并结合岩爆倾向性进行对比分析。 (3)根据理论分析表明通过弹性模量E与声发射b值的关系,及b值与分形维数D的关系可知,弹性模量E与分形维数D可能存在线性关系,实验结果表明,分维数与弹性模量变化趋势近似同步。 (4)从声发射关联维数着手,研究单轴压缩下花岗岩、大理岩和砂岩的分形维数,分析其变化规律和相互差别,并分别研究了它们与岩爆倾向性之间的关系,得到了一些结论:单轴压缩情况下,开始加载时,随着应力的不断增大,分维数也不断增大。然而在岩石达到峰值应力前,将出现一段声发射活动“平静期”。


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