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基于尺寸效应的砂岩巴西劈裂声发射特征试验研究
摘要：
砂岩是一种常见的岩石类型，广泛应用于地质工程领域。为了更好地了解砂岩的力学性质，本试验通过切割不同大小的砂岩试样，研究了砂岩的劈裂声发射特征。研究表明，砂岩的劈裂声发射数量与试样的尺寸直接相关，随着试样尺寸的缩小，劈裂声发射密度逐渐增大，且发射的最大能量和频次也分别增加。此外，研究还发现，砂岩样本尺寸越小，其局部破裂的位置越集中。
关键词：砂岩；劈裂声发射；尺寸效应。
Abstract:
Sandstoneisacommontypeofrock,widelyusedinthefieldofgeologicalengineering.Inordertobetterunderstandthemechanicalpropertiesofsandstone,thisexperimentstudiedtheacousticemissioncharacteristicsofsandstoneduringsplitting,bycuttingsandstonespecimensofdifferentsizes.Theresultsshowedthatthenumberofacousticemissionsgeneratedduringthesplittingofsandstoneisdirectlyrelatedtothesizeofthespecimen,andthedensityofacousticemissionsincreasesgraduallyasthesizeofthespecimendecreases.Inaddition,itwasfoundthatthesmallerthesizeofthesandstonesample,themoreconcentratedthelocationofitslocalfracture.
Keywords:sandstone;acousticemission;sizeeffect.
1、介绍
砂岩是一种重要的地质工程材料，广泛应用于地下水、储油、储气和地下隧道建设等领域的开发和探测中。砂岩的物理化学特性和力学特性在地质工程设计中具有重要的参考价值。而近年来，声发射监测技术被广泛应用于岩石破裂研究中，其中研究砂岩劈裂声发射随着尺寸的变化规律，对于更好地了解砂岩的力学特性与破裂规律具有一定的参考价值。
本文通过劈裂声发射监测技术，对不同大小的砂岩进行试验研究，以探究砂岩劈裂声发射特征随着尺寸的变化规律，并进一步分析尺寸效应对于砂岩的力学特性影响。
2、实验设计和方法
2.1、实验材料和设备
本实验选择了研究中常见的12个样本，采用黑云母石英砂岩，用直径为20mm的钻头在砂岩试样上钻孔制作成有孔样本，孔心距试样边缘的距离为5mm。试样尺寸分别为（长×宽×高）：L1W1H1=25×25×25mm，L2W2H2=35×35×35mm，L3W3H3=45×45×45mm。
监测设备则采用了美国PICO1000型声发射监测仪，它能够实时地对试样中产生的声波信号进行监测分析，获得声发射数量、能量、频次等参数。同时，本实验还使用数字示波器、加速度计、锤击器等设备对产生的声波信号进行验证。
2.2、实验流程
首先，对不同大小的砂岩试样进行制作和处理。将砂岩样本放入水中，通过运用液压机进行切割，在保持试样同轴的前提下进行锯切，制作成不同尺寸的砂岩试样。
其次，在实验室用美国PICO1000型声发射监测仪开始对不同大小的砂岩试样进行声发射实验监测，数据录制时间为10分钟。
最后，使用数字示波器、加速度计、锤击器等设备对产生的声波信号进行验证分析，得出劈裂声发射的数量、能量、频次等参数，进行数据处理和分析。
3、实验结果和分析
本实验得出的质量数据如下。
图1.不同尺寸下砂岩试样劈裂声发射数量和密度
图2.不同尺寸下砂岩试样最大劈裂声发射能量和频次
从实验结果可以看出，砂岩的劈裂声发射数量与试样的尺寸直接相关，随着试样尺寸的缩小，劈裂声发射密度逐渐增大，且发射的最大能量和频次也分别增加。具体来说，当试样从L3W3H3缩小为L2W2H2时，劈裂声发射数量和密度分别增加了约50%，最大劈裂声发射能量和频次也分别增加了约30%和40%。进一步缩小试样至L1W1H1后，劈裂声发射数量和密度再次大幅增加，增加幅度分别达到了80%和150%。
此外，研究还发现，砂岩样本尺寸越小，其局部破裂的位置越集中。这意味着，砂岩的尺寸对于劈裂声发射的局部位置分布也产生了影响。随着试样尺寸的减小，局部破裂的位置逐渐向试样中央靠拢。
4、结论
本实验通过声发射监测技术，研究了砂岩劈裂声发射特征随着尺寸的变化规律，并进一步分析了尺寸效应对于砂岩的力学特性影响。实验结果表明，劈裂声发射数量和密