不同循环加载应力下花岗岩Kaiser效应特征的试验研究

为了更准确地获取花岗岩的Kaiser效应点对应的应力值σAE,利用RMT-100B岩石力学伺服试验机和Micro-ⅡExpress型声发射监测系统,研究不同循环加载应力σⁱ_c下岩石Kaiser效应特征。结果表明:相比单次加载,在循环加载作用下,试样的应力-应变曲线在加载初期下凸减弱,压密阶段变短;由于试样的加卸载曲线不能重合而形成的滞回环,随着循环次数和循环应力水平的增大,朝着应变增大的方向移动;当σⁱ_c<先期最大应力σm时,摩擦型声发射现象被有效地减弱,这有利于后续加载过程中Kaiser效应点的识别;当σⁱ_c>σm时,振铃累计计数曲线呈台阶状上升,岩石内部发生裂纹的扩展或新裂纹的孕育,该循环应力成为新的记忆应力。当σⁱ_c<σm时,Felicity比小于1,反之大于1,因此,在地应力测试中,可以采用低应力、小梯度的循环加卸载方式,并结合Felicity比,进而缩小Kaiser效应点的识别范围,提高地应力测量精度。     

不同应力路径下盐岩破坏声发射时序特征研究

利用RMT-150B岩石力学多功能系统和声发射监测系统,对不同应力路径下的盐岩破坏过程进行试验研究。在试验结果基础上,分析了盐岩常规单轴加载、分级加卸载和多级加载过程中的声发射时序特征和变形特征。试验表明:盐岩常规单轴加载变形表现明显的阶段性特征,声发射信号阶段性特征也比较明显;分级加卸载试验中,存在比较明显的记忆效应,在低应力水平有较明显的声发射Kaiser效应,而在70%峰值应力卸载再加载时,则出现Felicity效应;多级加载试验表明,在低应力水平稳压对盐岩造成的损伤不大,很少有新生裂纹;而在高应力水平稳压时,会有大量由新生微裂纹和裂纹扩展产生的声发射事件。     

韧性金属Kaiser效应方向独立性的实验研究

Kaiser效应是声发射技术实际应用的理论基础。本文以韧性金属材料Q345不同方向拉伸实验为例,探究力的方向对韧性金属Kaiser效应的影响。实验结果表明,韧性金属材料在某一方向加载时,表现出了Kaiser效应;当改变加载方向时,呈现出与第一次加载方向类似的声发射特性,说明声发射现象对其他加载方向上所承受的最大载荷不具有记忆的能力,而仅与该方向承载历史有关,即韧性金属Kaiser效应与力的方向性间具有独立性。同时,利用细观损伤理论对这一现象产生的机理进行了定性的解释。     

多次冲击荷载作用下花岗岩动态累计损伤特性

利用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,对花岗岩进行多次循环冲击压缩试验,并结合岩石声发射监测研究花岗岩在动态冲击下的累计损伤特性。利用超动态应变仪获取的波形信号分析试样中的纵波通过时间,进而计算岩石的应力波波速,并利用花岗岩应力波波速的变化来表征试样在循环冲击过程中的损伤特性。通过分析试样每次加载过程中的能量变化,发现多次冲击加载过程中的岩石损伤量变化程度与试样在单次加载过程中的吸收能大小有关,试样的吸收能越大,花岗岩冲击后的损伤变化量越大。花岗岩在多次冲击加载过程中的动态抗压强度随着冲击次数的增多而减小,但随加载应变率的增大而增大。基于冲击加载过程中的应力时程曲线及声发射信号特征,发现声发射事件峰值计数随着加载次数的增多而增大,表明花岗岩在多次冲击过程中新生裂纹在逐渐增多,花岗岩在每次加载过程中的声发射事件峰值点位于试样应力峰值点附近,且其在动态冲击下的声发射事件具有突发性,前兆信息不明显的特点。     

闪长岩单轴加载过程中声发射和弹性波速度变化规律的研究

为研究闪长岩在单轴加载过程中的声发射和各向波速变化规律,在单轴阶段加载和循环阶段加载条件下,对闪长岩岩样破裂过程中的声发射累计数、不同应力水平不同方向的波速、切线模量、轴向应变速率进行了研究。实验结果表明:(1)随着应力水平的增高,声发射事件数不断增加,在高应力水平(约80%峰值强度)时,声发射累计数急剧增多,随后切线模量出现震荡变化。(2)在加载过程中,压密程度及裂纹扩展方向对波速产生了巨大的影响,导致不同方向波速在不同的应力水平呈现出不同的变化规律,由此可以推测破裂面位置和破裂模式。在较高应力水平下(约60%峰值强度),平行于加载方向的波速趋于稳定,而垂直于加载方向的波速则持续下降,故用垂直于加载方向传播的波速预测岩石的破坏更具可靠性。(3)随着应力的增加,应变速率有逐渐减小的趋势,但临近岩石破裂时无异常变化出现,说明利用变形观测难以预测此类岩石的破坏。以上研究表明,根据纵波波速、声发射累计数和切线模量的变化可以有效预测岩石的破坏。     

Kaiser效应激发验证中的压头尺寸效应研究

针对声发射(AE)法现场测量地应力须选用便捷式小型加载设备来激发岩石声发射信号的实际要求,本文提出以减小压头直径来提高激发应力的解决思路。为此,利用MTS试验机、PCI-II声发射仪等仪器对预设应力的岩石试件开展5组不同直径(5mm、10mm、15mm、20mm和50mm)压头下的Kaiser效应激发显现验证试验。确定激发岩石Kaiser效应的压头直径临界值范围为5～10mm后,再增设4组(6mm、7mm、8mm、9mm)压头直径试验。试验结果表明:采用8mm直径的小压头可以有效激发并准确显现岩石Kaiser效应,压头直径对Kaiser效应的显现特征具有一定的影响作用。与预设应力相比,实测突变点应力出现"滞后显现"或"提前显现"现象。同时,文中还运用FLAC3D软件模拟计算了不同直径压头下大理岩试件的内部应力分布情况。结合声发射试验结果,初步分析解释了端部效应及压头直径对岩石试件Kaiser效应影响的机理。上述研究成果对在现场使用AE法准确测量地应力具有一定的参考意义。     

混凝土材料三点弯曲破坏的声发射特性

为了研究碎石混凝土材料在不同应力状态下的声发射信号特征,在MTS材料试验机上对混凝土梁进行了三点弯曲实验,并利用先进的多通道声发射系统监测了混凝土梁在三点弯曲载荷下的破坏过程。通过对声发射信号的持续时间、振铃计数、撞击数进行滤波,将混凝土材料破坏过程的声发射信号分成七种类型,同时结合前人关于混凝土材料Kaiser效应的试验研究,将七种类型的声发射信号对应于不同的相对应力水平。研究结果表明,声发射信号的持续时间、振铃计数以及撞击数不仅可以表征混凝土破坏过程的类型,还可以表征混凝土材料所处的应力状态,从而为声发射技术在线监测混凝土材料提供了一种新的途径。     

砂岩脆性变形破坏过程中声发射信息试验研究

针对砂岩试样进行了单轴刚性加载试验,并测试整个过程的声发射信息。根据试验情况,可将砂岩在整个变形阶段的声发射信号特征划分为压密、弹性、稳定破裂、非稳定破裂和峰后情况五个阶段。通过对稳定破裂和非稳定破裂分界点对应的临界点处的应力和应变值与峰值应力及其对应的应变比值分析发现,大部分应变比在74%与78%之间;应力比则相对具有较大的离散性,均值在73%左右。上述研究,通过对砂岩脆性破坏过程中声发射信息与应力比和应变比之间的关系分析,增进了对岩石破裂过程中生发现象的认识,为相应岩石脆性破坏导致的地质灾害分析提供了新的研究思路。     

利用岩石声发射凯塞效应测定岩体地应力

将砂岩在整个变形阶段的声发射信号特征可划分为加载初期、压密阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、砂岩破坏阶段5部分。利用岩样声发射信号的特征,确定出岩石的凯塞效应点与其裂纹稳定扩展阶段的起始点相对应,并进一步得出岩石凯塞效应点的上限为裂纹稳定扩展阶段的终点,裂纹非稳定扩展阶段的起始点。凯塞效应点受岩样两端面的平行度、压机加载速率等有关,岩样端面不平整,在加载初期会有强烈的声发射信号;压机加载速率过大,声发射信号可能显示不出来或被后续更强的声发射信号所掩盖。计算出深度为670m处巷道周围天然应力3个主应力的大小和方向,与在现场用应力解除法和水压致裂法测得的天然应力相比,其数值基本一致,但方向存在一定的偏差。     

应变率对SiC颗粒增强铝基复合材料拉伸性能的影响

本文利用岛津试验机和自行研制的冲击拉伸试验装置,对体积含量为10%的SiC颗粒增强铝基复合材料进行了准静态的拉伸试验、冲击拉伸试验和冲击拉伸加卸载试验,获得了复合材料在应变率为0.002s^-1-1000s^-1范围内从弹塑性变形直至断裂的完整应力应变曲线。试验结果表明,随着应变速率的提高,复合屈服应力,拉伸强度以及破坏应变均相应提高,具有明显的应变率强化效应和高速韧性现象;同时,由于冲击拉伸试验过程中热力耦合效应的影响,准静态加载下复合材料的应力指数与冲击拉伸加载下复合材料的应力指数相比降低了17.8%;在用冲击拉伸复元试验解耦出热力耦合效应的影响后,材料的静、动态等温应力应变曲线具有相同的应变硬化规律。最后,根据复合材料在不同应变率下的试验结果和Eshelby‘s等效夹杂理论,本文建立了一个计及应变率强化效应的弹塑性自洽模型,模型拟合结果与试验结果吻合得很好。     

金属拉扭强度关于材料声速及加载速率最小二乘法的回归模型

为了研究不同加载速率下金属的拉扭强度及其预测方法,利用声发射检测仪及电子拉扭试验机分别对铸铁和中碳钢标准试件进行了声速测定及不同加载速率、加载路径下的拉伸-扭转组合变形试验,得到了各试件材料的声速值及相应加载方案下的载荷-变形曲线;根据平面应力状态及强度理论,推导出了材料拉扭破坏的最大正应力、最大剪应力;利用试验中采集的最大轴力、最大扭矩计算得到了材料的拉扭破坏应力、破坏面方向;基于最小二乘法拟合得到了材料拉扭强度关于材料声速值、拉伸与扭转加载速率的多元回归模型。研究表明:随着拉伸与扭转加载速率的增加,铸铁、碳钢的破坏应力分别呈现总体上升、总体下降的趋势;相同加载速率、不同加载路径下材料的破坏强度各不相同;建立的回归模型能较好地预测给定材料在不同加载速率下的破坏应力,并以此建立塑性及脆性材料的拉扭强度条件。     

循环受压砼全过程声发射实验及其本构关系

本文根据在ＭＴＳ电液伺服试验系统上完成的不同应变控制加载工况的循环受压砼应力—应变全过程试验及相应声发射检测结果分析了受压砼全过程的声发射特性，然后利用损伤力学的等效应变假定建立了考虑不可逆效应的循环受压砼本构关系，该模型兼容理想弹性损伤本构模型和一般弹塑性本构模型。经比较，本文所建模型与实验结果吻合较好。     

基于声发射参量的不同深度灰岩塑性破坏识别研究

对某矿深部灰岩进行单轴压缩试验,测得试件破坏全过程的应力、应变和声发射参数。通过分析应力、应变和声发射参数之间的关系,可根据声发射振铃计数率的变化情况,将全过程分为三个阶段:第一阶段处于孔隙裂隙压密阶段,振铃计数率较多;第二阶段处于稳定变形阶段,声发射处于平静期;第三阶段岩石进入塑性变形阶段,振铃计数率明显增加。研究发现,深度越深,第一阶段终止时的应力水平越高;将声发射累计能率与累计振铃计数率的比值定义为能振比λ,λ的变化规律一定程度上反映出试件内部裂隙发展情况。研究λ的变化规律能够为识别岩体失稳提供依据,提高声发射技术监测预报的准确性。     

浇铸类炸药应力应变曲线的SHPB测量

浇铸类炸药由于质地软、波阻抗及波速都很低,通过传统SHPB实验方法无法得到准确的应力应变数据。透射杆信号幅值过低、试样应力平衡均匀性不高以及大应变加载引起的入射波反射波重叠失效,是进行浇铸类炸药SHPB实验的难点所在。本文中对传统SHPB实验方法进行改进,在试样两端面加装石英晶体应力计,引入石英计所获得的应力数据与应变片测得数据共同对试样应力应变状态进行计算。该方法可以提高透射信号幅值,提供试样大应变加载,避免了入射波反射波重叠导致的信号失效问题,修正了SHPB实验过程中的应力时空不均匀性的影响,提高了实验结果的可靠性。利用改进后的实验方法对典型浇铸类炸药进行了实验研究,得到了较准确的应力应变曲线。     

一种基于电磁霍普金森杆的材料动态包辛格效应测试装置及方法

金属材料在复杂载荷条件下的动态力学行为研究一直备受关注，但受限于实验设备，金属材料的动态包辛格效应响应一直都难以获得。为了探究金属材料的包辛格效应与应变率效应之间的关系，本文中提出一种基于电磁霍普金森杆(electromagnetic split Hopkinson bar，ESHB) 的非同步加载实验技术，为测试金属材料在高应变率加载下的包辛格效应提供了一种有效的实验方法。本文中，首先介绍了非同步加载装置的主要特点，即可以用两列由脉冲发生器产生的应力波对受载试样进行连续的一次动态拉-压循环加载，且加载过程保证了应力波的一致性。分析了应力波对试样加载过程中的波传播历程，确保了加载过程的连续性。随后介绍了动态加载过程，数据处理方法和波形分离手段，并对动态加载过程进行应力平衡性分析，论证了实验装置的可靠性。最后采用该方法测试了5%预应变下6061铝合金动态压缩-动态拉伸的包辛格效应，并与准静态下的实验结果进行对比。实验结果表明，该材料单轴压缩没有明显的应变率效应，但其包辛格效应具有应变率依赖性，高应变率下材料的包辛格应力影响因子由0.07增大至0.17，具有显著的提升，这对传统意义上铝合金材料应变率不敏感的结论提出了挑战。     

应力波作用下岩石声发射能量特征

通过霍普金森(SHPB)实验系统,对应力波作用下岩石破坏进行声发射实验,获得了该加载条件花岗岩声发射能量的变化规律.实验结果表明,声发射能量变化呈现出两种明显不同的特征:I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到加载的末期,能量出现一定的回升,产生“拐点”;Ⅱ型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对Ⅰ型较慢,且不出现“拐点”.通过对岩石破碎块度的分析,得到了声发射峰值能量与岩石破碎分维之间的关系.本文的研究有助于重新寻求应力波下岩石破坏的声发射前兆规律.     

岩石声发射Kaiser效应的数值模拟试验研究

运用岩石破裂过程分析RFPA^2D系统,对岩石破裂过程中声发射Kaiser效应进行了数值模拟试验研究,得到了与物理试验现象十分吻合的模拟结果。     

花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响。基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验。研究结果表明：（1）在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01 mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1 mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系。峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系。（3）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能 具有波动性,可释放的弹性应变能 增幅60.42%,耗散应变能 降幅 66.38%, 增幅43.33%, 降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多。（4）加载速率为0.001~0.1 mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程。单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏。     

冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究

利用直径75mm的大尺寸SHPB实验装置开展盐岩的动态压缩性能实验研究,得到了其动态应力应变曲线。分析表明,在冲击压缩载荷作用下,盐岩材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。针对实验曲线,通过引入描述材料强度随应变率强化的应变率增强因子和随不可逆变形发展而弱化的损伤因子,提出了含损伤率的相关动态本构模型,拟合得到的本构方程形式比较简单,能够较好地反映盐岩动态实验加载过程的主要特征,具有一定的工程应用价值。     

纳米单晶NiTi合金单程形状记忆效应的分子动力学模拟

采用基于第二近邻修正型嵌入原子势的分子动力学方法研究了纳米单晶NiTi合金的单程形状记忆效应,详细阐明了温度诱发马氏体相变和应力诱发马氏体重定向过程中纳米单晶的变形行为和微结构演化,进一步分析了加/卸载速率对NiTi合金单程形状记忆效应的影响。结果表明,NiTi纳米单晶在应力加载过程中发生马氏体重定向,卸载后存在残余应变;当加热到奥氏体转变结束温度以上时,马氏体逆相变为奥氏体相,残余应变逐渐减小,但未完全回复;随着应力加载速率的增加,重定向临界应力和模量逐渐增加;再次降温过程中不同加载速率下的原子结构演化各不相同。