水岩作用下岩石的单轴压缩过程及声发射特征,力学论文.docx

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1、水岩作用下岩石的单轴压缩过程及声发射特征,力学论文华而不实Rd1、Rd1分别为干湿循环1次枯燥、饱和状态的单轴抗压强度。从对数系数大小来看枯燥状态单轴抗压强度降幅较饱和状态大，即受干湿循环作用影响较大。 与未经过干湿循环的单轴抗压强度(72.5MPa)相比，循环1次后饱和状态单轴抗压强度急剧下降，降幅达20%，循环越往后抗压强度降低幅度越小。若按拟合关系计算，两种状态随循环次数增加其抗压强度均趋近于一渐进值，饱和状态趋近45 MPa、枯燥状态趋近75 MPa。从单轴抗压强度的变化趋势进行分析，干湿循环6次前降幅较大，而后渐平稳，也反映出前几次循环对红砂岩劣化影响最大，随干湿循环的进行，其内部矿

2、物构造是一个不稳定至渐稳定的经过，初期的孔隙增大、增加，亲水矿物被溶解、胶结能力降低等，均是不稳定的因素。 而根据应力-应变曲线，无论是枯燥或者饱和状态，该类红砂岩试样即便在循环屡次后，其应力-应变曲线表现出在弹性变形阶段后发生完全毁坏均较忽然、迅速。其峰值强度阶段的应变约2%3%，在变形很小的情况下就趋于发生毁坏，讲明试验所选研究对象即赤水红砂岩脆性特征明显。 2.3 声发射特征分析 试验中常用的声发射参数有振铃计数、幅度、能量等。一般讲的声发射计数即振铃计数就是通过设置一个阈值电压，超过此阈值电压的那些电压会构成矩形脉冲，我们对这些矩形脉冲进行计数，在一定程度能够反映声发射信号中的幅度，其

3、变化趋势可反映出试样在单轴压缩毁坏经过中其内部裂纹发出的声发射信号的强烈程度。本文选择用累计振铃计数进行干湿循环条件下脆性红砂岩的声发射特征分析。 以饱和状态为例，进行单轴压缩经过中的声发射试验，根据试验结果，得到不同干湿循环次数下脆性红砂岩的时间-应变-累计计数关系曲线，见图4。 图4 干湿循环条件下脆性红砂岩单轴压缩时间-应变-累计计数关系曲线 不考虑循环次数从时间-应变-累计计数曲线的整体分析。起初，累计计数曲线小幅度上凸增长的阶段，为岩石单轴压缩经过中的裂隙压密阶段，该阶段声发射累计计数有小幅度突增，是由于岩石孔隙和微裂隙被集中压密所导致的声发射事件激增。而压密后，岩石内部构造更为致密

4、、均匀，表现出一定的弹性特征，声发射活动较少，累计计数曲线近似直线变化且增长较为缓慢，该段为弹性变形阶段。累计计数直线段后紧接着有大幅度突变上升，该阶段为塑性变形至完全毁坏阶段，随荷载的加大岩石内部大量裂纹的产生、扩展和贯穿，该阶段声发射活动频繁、剧烈。 如此图3、图4，若只根据单轴压缩经过中的应变-时间、应力-应变的关系曲线，常规变形毁坏中的稳定破裂发展阶段、累进性毁坏阶段在脆性红砂岩的单轴压缩经过已不明显，所以，结合声发射特征曲线能够更合理地划分为3个表现显著的阶段:裂隙压密阶段、弹性变形阶段、宏观毁坏阶段。 根据时间-应变-累计计数曲线对脆性红砂岩试样在单轴压缩经过中的阶段进行划分后，可

5、分别得到其在干湿循环1、3、6、10次单轴压缩裂隙压密阶段累计计数占总比的8%、16%、24%、27%，即随着干湿循环次数的增加，压密阶段的声发射事件有逐步增加的趋势，在前6次循环尤为明显，再结合上述孔隙率的分析，即在前6次干湿循环中孔隙率的增大也最明显，所以对裂隙压密阶段声发射活动影响较大，也进一步验证了干湿循环后会造成孔隙增加或扩大。 根据图3、图4，进入弹性变形阶段后从应变变化趋势是难以判定岩石内部关键断裂扩展及贯穿的，而声发射的突变现象能够作为该特征点的判定根据。通过累计计数的统计分析，干湿循环1、3、6、10次在该特征点即进入宏观毁坏阶段时的累计计数占总体的比例分别约13%、29%、

6、40%、41%，即在宏观毁坏阶段中声发射累计计数占比分别为87%、71%、60%、59%，讲明脆性红砂岩低次干湿循环的变形高度集中在宏观毁坏阶段，随着循环次数的增加，岩石内部孔隙、微裂隙增加、扩大，压缩经过中岩石内部的变形毁坏、声发射活动也逐步提早。 而从脆性红砂岩试样在毁坏时的特征来看(图5)，干湿循环低次的时候试样毁坏霎时猛烈、碎石块弹出很远，毁坏面形态主要呈X状共轭斜面以及垂直竖面，其毁坏机制以张拉为主;循环到高次后毁坏霎时较温和、碎石块溅出距离较近，除低次循环的两种毁坏形态外，毁坏面还有呈单斜面，这是由于毁坏面上的剪切应力大于其极限应力，其毁坏机制以剪切毁坏为主。综上分析，循环低次脆性

7、红砂岩内部储存应变能的能力较强，而高次循环后，岩石内部更趋于靠裂隙的扩展、颗粒的错动而释放应变能，所以脆性红砂岩在干湿循环条件下，其毁坏形式有脆性毁坏向延性毁坏的过渡趋势。 图5 干湿循环条件下脆性红砂岩单轴压缩毁坏特征 3 结论 (1)红砂岩在干湿循环条件下，循环初期主要是小开孔隙向大开孔隙的过渡，总孔隙变化不大;循环中期因粘土矿物的溶解、胶结薄弱带的毁坏等导致小开、大开孔隙都有显著的增长，总孔隙在这一阶段增幅明显;循环后期岩石内部构造、矿物均逐步稳定，各孔隙增幅渐降低。 (2)干湿循环作用对脆性红砂岩的影响程度随着循环次数的增加而降低。循环初期、中期是由于孔隙的逐步扩大、增加，以及亲水矿物

8、逐步溶解及胶结薄弱带的毁坏;随循环继续进行，孔隙增长缓慢、岩石内部构造逐步趋于稳定，所以循环后期劣化幅度小、较平稳。 (3)干湿循环条件下红砂岩的单轴抗压试验中，枯燥、饱和状态毁坏时的应变约2%5%，脆性特征明显;在弹性变形阶段后发生完全毁坏均较忽然、迅速，应力-应变、应变-时间曲线不能明显地表现出常规变形毁坏中的稳定破裂发展阶段、累进性毁坏阶段;根据声发射特征曲线能够更合理地将脆性红砂岩的单轴压缩经过划分为3个表现显著的阶段:裂隙压密阶段、弹性变形阶段、宏观毁坏阶段。 (4)随着干湿循环次数的增加，压密阶段的声发射事件有逐步增加的趋势，主要是由于孔隙的逐步增大、增加导致;弹性变形阶段后累计计

9、数的突变能够作为岩石内部关键断裂初始扩展、贯穿的根据，且该特征点后的宏观毁坏阶段声发射累计计数占比随循环次数有降低趋势，讲明脆性红砂岩低次干湿循环的变形高度集中在宏观毁坏阶段，随着循环次数的增加，岩石内部孔隙、微裂隙增加、扩大，所以变形毁坏、声发射活动也逐步提早，且毁坏形式有脆性毁坏向延性毁坏的过渡趋势。 以下为参考文献 1 Tham L G,Liu H,Tang C A,et al. On tension failure of 2-D rock specimens and associated acoustic emissionJ. Rock Mechanics and Rock Engin

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