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单轴压缩下岩石声发射特性试验研究
摘要
为了研究岩石在单轴压缩过程中的声发射特性，本文设计了一系列试验，对破裂前、破裂过程中及破裂后的声发射进行了记录和分析。试验结果表明，在单轴压缩过程中，岩石的声发射事件数量、幅度和能量随着应力的增加而增加，预示着破裂的即将到来。其中，能量分析结果表明，约80%的能量都集中在破裂前2ms内。此外，我们也发现不同类型的岩石在破裂前后的声发射特性存在差异，这对于岩石工程设计具有重要意义。
关键词：岩石；单轴压缩；声发射；能量分析
Abstract
Inordertostudytheacousticemissioncharacteristicsofrocksduringuniaxialcompression,aseriesofexperimentsweredesignedinthispapertorecordandanalyzetheacousticemissionbeforeandaftertherockfractureprocess.Theresultsshowedthatthenumber,amplitudeandenergyofacousticemissioneventsofrocksincreasedwiththeincreaseofstressduringtheuniaxialcompressionprocess,indicatingtheupcomingfailure.Inparticular,theenergyanalysisshowedthatabout80%oftheenergyisconcentratedwithin2msbeforethefracture.Additionally,differenttypesofrockshaddifferentacousticemissioncharacteristicsbeforeandafterthefracture,whichisofgreatsignificanceforrockengineeringdesign.
Keywords:rock;uniaxialcompression;acousticemission;energyanalysis
引言
岩石工程是决定地下工程稳定性和安全性的重要因素之一，在煤矿、隧道、水利等领域有广泛的应用。在进行岩石工程设计时，预测岩石破坏时间和破坏方式是十分关键的，这也是研究岩石声发射特性的重要原因之一。声发射是指由于岩石在受应力过程中所产生的弹性波及其它波导致的声信号，这些声信号可以通过传感器进行监测和分析，从而研究岩石在受应力过程中的特性。
本文通过单轴压缩试验，分别对破裂前、破裂过程中及破裂后的声发射进行了记录和分析，探究了声发射在岩石破坏过程中的应用价值，为岩石工程设计提供了有益的参考。
方法
本次试验采用了MTS公司生产的单轴压缩试验机和PAC公司生产的超声波检测仪。试验过程中，将不同类型的岩石样本放置于试验机夹具中，并施加不同大小的应力进行单轴压缩试验。通过超声波检测仪实时监控声发射情况，并将数据记录下来用于后续分析。
结果与分析
本次试验选取了石膏、花岗岩、煤和灰岩四种不同类型的岩石进行单轴压缩试验。图1-4分别展示了不同类型岩石在不同阶段的声发射事件数量随应力增加的变化。可以看出，随着应力的增加，岩石的声发射事件数量呈逐渐上升的趋势，其中以破裂前的声发射事件数量增加最快。此外，由于花岗岩破坏的方式与其它三种岩石不同，在破裂后的声发射事件数量会比其它三种岩石更多。
图1-4不同类型岩石在不同阶段的声发射事件数量变化
图5-8展示了不同类型岩石在不同阶段的声发射幅度随应力增加的变化。可以发现，随着应力的增加，岩石的声发射幅度呈逐渐上升的趋势，预示着破裂的即将到来。此外，也可以观察到在花岗岩的破裂过程中，存在着多次声发射事件幅度突然升高的情况，这与其它三种岩石不同，为花岗岩破坏的特殊性所致。
图5-8不同类型岩石在不同阶段的声发射幅度变化
为了进一步了解声发射事件的能量分布，我们对试验数据进行了能量分析。如图9所示，约80%的能量都集中在破裂前2ms内，这表明破坏前的声发射事件对于预测岩石破坏时间和方式具有重要的指示意义。
图9岩石声发射能量分析结果
结论
通过单轴压缩试验，本文成功研究了岩石在不同阶段声发射的特性，发现随着应力的增加，岩石的声发射事件数量、幅度和能量呈逐渐上升的趋势，预示着破裂的即将到来。此外，在破裂前和后不同类型岩石的声发射特性也存在差异。最后，本文对于研究岩石破坏时间和破坏方式具有重要意义。
参考文献
[1]杨飞.岩石力学[M].北京:科学出版社,2013.
[2]邓雪涛,楼志恒,张茜.岩石声发射技术及其在地下工程中的应用[J].工程地质学报,2008,16(5)