基于激光测振技术的软岩加载振动特性及破坏判据研究

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岩石破裂失稳是导致工程灾害发生的根本原因,对岩石破坏失稳前进行有效的预测,具有重要的理论研究价值和工程应用意义。本文以声发射技术和非接触式激光测振技术为研究手段,开展了大理岩和砂岩不同完整性、不同测试位置的压缩和劈裂试验。以试验数据为依据,总结了不同工况下软岩的声发射信号和激光测振振动信号特征,量化了加载下的声发射参数和激光测振振动参数变化范围,并对照声发射技术,建立了基于激光测振技术的软岩加载破坏判据。通过实验发现激光测振振动特征与岩石的受荷载阶段存在明显的对应关系,根据岩石所处变形阶段的不同,将激光测振波形图分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段共三个阶段,对每一阶段又分为波动期和平静期,以此三阶段6时期的分段方法展开了论文研究,主要内容及成果如下:(1)压缩试验下。试件破坏形式为压剪破坏,带预制裂缝试样破坏后破坏体较为稀碎。压缩下声发射信号特征和激光测振信号特征表现出明显的对应关系。声发射特征表现为,加载初期即有声发射事件产生,破坏时声发射参数出现突增,AE频谱中高频信号集中出现。带裂缝试样破坏前夕AE参数短时内连续突增直至破坏达到最大,AE频谱集中分布于100KHz附近,且35KHz低主频带分布明显。激光测振振动信号表现为,试样加载前中期,波形出现交替的波动期和平静期,试样临近破坏时波形图出现独特性短暂的波动期,其频谱信号呈现明显的频带分布,且紧后塑性塑性阶段平静期信号主频幅值增大,次主频幅值不变,产生破坏时,波形出现大幅震荡,频谱以低频高幅信号为主,高频信号幅值也明显增大。带裂缝试样破坏阶段振动信号最大幅值小于完整试样,且部分试样在波形波动期主频发生一定的频移现象。(2)劈裂试验下。试件基本破坏形式为张拉破坏,平行加载方向形成主破裂面,裂缝会明显降低试件强度(完整强度的40%左右),同时会对破裂面发展起到引导作用。劈裂下声发射信号特征和激光测振信号特征表现出明显的对应关系。声发射特征表现为,加载初期即有声发射活动产生,整个过程频谱表现为集中在100KHz的低频带,加载破坏时声发射参数出现突增,特别是AE频谱中高频信号集中出现,但较压缩试验高频分布少。激光测振振动信号特征为,加载前中期,波形出现交替的波动期和平静期,但加载初期波动不如压缩试验强烈,试样破坏时出现短暂的波动信号,其频谱表现出频带分布,紧后也出现塑性阶段平静期,试样破坏时,波形出现大幅震荡,频谱以低频高幅分布,幅值较前期增大5-10倍,高频信号幅值也有所增大。各种工况下激光测振振动特征有所不同,具体表现为砂岩波形最大速度幅值大于大理岩,砂岩较大理岩集中,完整试样较带裂缝试样频谱分布集中,破坏时带裂缝试样最大速度幅值大于完整试样,带裂缝试样尖端测试波形前期出现很长时间的平静期,其各阶段频率幅值低于侧边测试。(3)通过对比分析发现,激光测振振动信号变化和声发射参数变化存在较强的对应关系,即在声发射参数明显增大的阶段,激光测振波形也对应出现强烈的波动变化,同时两者的频谱变化趋势大体一致,表现为加载前中期以低频信号为主,加载破坏时高频信号加强,对照声发射技术,建立了基于激光测振振动波形参数和频谱特征的软岩加载破坏判据。
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