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钙质砂声发射试验研究

谭峰屹  
【摘要】: 在我国南海海域有着广泛分布的钙质砂是海洋生物成因、富含碳酸钙或其它难溶碳酸盐类物质的特殊岩土介质,具有与普通陆源砂完全不同的工程力学性质。由于钙质砂在受到外力的作用时容易产生颗粒破碎现象,而破碎时产生的能量会以声波形式释放出来。声发射技术是一种广泛用于间接评价岩石物理力学性质的被动连续的无损检测技术,具有设备简单、测试方便、无损、无污染的特点。这就为我们了解钙质砂的工程特性提供了一种新的方法:将声发射技术应用到钙质砂工程中。本文正是在这一方面的初步尝试。本文利用常规土三轴仪和声发射仪进行钙质砂声发射试验,试图找出钙质砂声发射随着影响因素(围压、剪切速率、初始孔隙比和级配)变化而变化的规律,主要研究成果如下: 1、钙质砂在三轴试验条件下会产生声发射信号,信号的强度和试验条件有关,其声发射源主要由钙质砂的颗粒破碎以及颗粒间的滑移两部分所组成,在不同阶段,两者对钙质砂声发射的贡献不同。钙质砂声发射信号主要以低频信号为主,高频信号为辅。 2、钙质砂由应变软化向应变硬化过渡时,其峰值强度逐渐后移,而钙质砂的声发射率与时间的关系曲线中声发射率的峰值往往出现在强度峰值的附近,因声发射率与时间的关系曲线可以较好地反映这一变化趋势。此外,钙质砂的应力与时间关系曲线和声发射率与时间的关系曲线很相似,说明钙质砂的声发射率与时间的关系曲线可以作为其力学特性的反映。 3、钙质砂声发射率最大的时候往往也是钙质砂应力差的峰值,过了应力差的峰值以后,声发射活动频率虽然有所降低,但是仍处于一个较活跃的阶段,并且随着试验的继续进行,钙质砂声发射活动仍然继续直到试验结束。 4、钙质砂的声发射并不是总随着围压的升高而升高,在常围压下,200kPa~400kPa时,钙质砂的声发射最明显;随着围压继续升高,钙质砂的声发射反而有所下降。固结排水剪切试验中,当围压从100kPa升至200kPa的时候,钙质砂声发射随围压的升高而逐渐升高,当围压从200kPa继续升高至800kPa时,声发射的事件数反而随之逐渐减小;固结不排水剪切试验中,当围压从100kPa升至400kPa的时候,钙质砂声发射随围压的升高而逐渐升高,当围压继续升高至800kPa时,声发射的事件数有所下降;不固结不排水试验中,当围压从100kPa升至800kPa的过程中,除了在400kPa围压时略有下降外,钙质砂声发射逐渐升高。 5、固结排水剪切试验中,随着剪切速率的增加,钙质砂主应力峰值逐渐下降,声发射信号呈现了“凸”形变化;固结不排水剪切试验中,剪切速率的变化对钙质砂孔压峰值的影响不大,但是偏应力峰值以“凹”形变化,而声发射随之增加;不固结不排水试验中,钙质砂总应力峰值随着剪切速率的增加呈现“凸”形变化,而声发射随剪切速率的变化正好与总应力峰值变化相反。 6、在固结排水剪切试验和固结不排水剪切试验中,钙质砂声发射存在一个“临界孔隙比”,这个时候钙质砂声发射最少。当孔隙比在其左、右两侧变化时,钙质砂声发射均有不同程度的升高。固结排水剪切试验中,主应力峰值随孔隙比的增加减小;固结不排水试验中,钙质砂声发射的“临界孔隙比”所对应的偏应力峰值最大,但是孔隙比的变化对孔压峰值影响不大。 7、固结排水剪切试验和固结不排水剪切试验中,级配对钙质砂声发射的影响主要集中在试验的后期,且级配较好的钙质砂声发射小,但是固结排水剪切试样中,级配好,主应力峰值大,而固结不排水试验中,级配对偏应力峰值和孔压峰值的影响似乎不大。 8、钙质砂声发射事件数和岩石声发射事件数相比,数量级相差较大,本次试验中前者数量仅仅是后者数量的0.12%;钙质砂声发射的振幅(45~55kHz)要远远高于陆源砂声发射的振幅(4~8kHz)。


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