動載荷下岩石起裂與裂紋擴展的聲發射特性研究

《動載荷下岩石起裂與裂紋擴展的聲發射特性研究》是依託中南大學，由劉希靈擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：動載荷下岩石起裂與裂紋擴展的聲發射特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉希靈
• 依託單位：中南大學

項目摘要

本項目緊密圍繞動載荷下岩石的聲發射特性，基於SHPB系統開展衝擊試驗研究，旨在探討中、高應變率衝擊壓縮荷載下岩石起裂和裂紋擴展的聲發射特性及規律。項目以衝擊動力學和斷裂動力學理論、LS-DYNA動力分析軟體、小波理論、分形理論等多種理論和分析方法為手段，找出岩石破裂產生的信號和應力波在岩石中傳播時產生信號的特徵，並對這兩種信號進行分離；基於信號分離的研究，選取兩種信號合理的參數以適當的方式結合形成評價衝擊荷載對岩石破碎程度的指標；利用靜壓實驗機和桿徑分別為22mm、36mm、50mm、75mm的SHPB系統，對不同岩樣進行載入速率由低到高的聲發射實驗，揭示岩石聲發射活動隨載入速率變化的規律。本項目的探討不僅完善了岩石在不同載入速率下的聲發射實驗研究，為頻繁動載荷作用環境下的聲發射監測提供理論依據，而且為深入認識動載荷下岩石裂紋擴展及破壞機理提供研究基礎。

結題摘要

岩石的裂紋擴展特性及其破壞機理是岩石力學的基本問題之一，而聲發射技術是研究岩石裂紋擴展和破壞機理非常有效的實驗手段。現有的對岩石裂紋擴展的研究大多集中在低應變率載入範圍內，很少有學者開展過中、高應變率下岩石動態裂紋擴展特性的研究。因此，很有必要通過岩石在中、高應變率載入條件下聲發射特性的研究來深入認識岩石動態破壞機理，了解岩石動態裂紋擴展特性，並且能夠從裂紋擴展的角度解釋岩石動力破壞及動態強度提高的機理。同時，通過研究岩石在中、高應變率載入條件下的聲發射特性，找出岩石聲發射活動隨載入速率變化的規律，從而完善岩石從靜壓到低應變率再到中、高應變率載入方式的聲發射特性研究。這對了解動載荷下岩石裂紋擴展及破壞機理有重要的理論意義。基於此，本項目在霍普金森壓桿實驗系統（SHPB）上開展了衝擊荷載下岩石的聲發射特性試驗研究，旨在探討中、高應變率衝擊荷載下岩石起裂和裂紋擴展的聲發射特性及規律。 在項目實施階段，研究團隊對岩石破裂產生的信號和應力波在岩石中傳播時產生信號的特徵進行了分析，實驗數據顯示：衝擊荷載下岩石聲發射信號各參數與靜載下的聲發射信號在幅值分布、計數、頻譜等方面都有明顯區別，我們也對比分析了衝擊荷載和靜載下岩石的聲發射特性。值得關注的是，在分析中發現，每個岩石試樣的聲發射數據都存在一個能量、信號強度和幅值最大的原始信號，通過頻譜分析、相關性分析可知，該信號與彈性桿上採集到的信號更具有相似性，我們也斷定該信號是由應力波傳播產生的，而不是岩石破裂產生的。對於其他信號而言，除了峰值頻率有區別外，其他參數都無明顯不同，對信號頻率的分析無疑是我們日後進一步開展衝擊荷載下岩石聲發射特性研究的方向。同時，隨著載入速率的增加，幅值較大的信號所占比例逐漸增加；信號的峰值頻率在各載入速率下都有明顯的分區現象，同時，100kHz以下的信號所占比例隨著載入速率的增加而增加，而100kHz以上的信號隨著載入速率的增加而減小。