动载荷下岩石起裂与裂纹扩展的声发射特性研究

The researches of this project focus on acoustic emission characteristics of rock under dynamic loading. The experimental study will be conducted on SHPB system in order to discuss acoustic emission characteristics and laws of rock crack initiation and propagation under impact compression loads with midum and high strain rates. Impact dynamics and fracture dynamics, LS-DYNA dynamic analysis software, wavelet theory, fractal theory was chosed to identify the characteristics of signals produced by fracturing and stress wave propagating in rock, and then to separate those two signals; based on the signal separation research, the reasonable parameters of those two signals can be selected to properly form an evaluation index for fragmentation degree of rock under impact loading; static loading machine and SHPB systems with 22mm, 36mm, 50mm, 75mm bar diameter which can achieve different strain rates from low to high, will be used to conduct rock acoustic emission experiments to find out the laws between rock acoustic emission activities and loading rates. The researches of this project can not only complete acoustic emission experimental study under diferent loading rates which could provide theoretical foundation for acoustic emission monitoring in the environment with frequent dynamic loads, but also provide research basis for deep understanding of rock crack propagation and failure mechanism under dynamic loading.

本项目紧密围绕动载荷下岩石的声发射特性，基于SHPB系统开展冲击试验研究，旨在探讨中、高应变率冲击压缩荷载下岩石起裂和裂纹扩展的声发射特性及规律。项目以冲击动力学和断裂动力学理论、LS-DYNA动力分析软件、小波理论、分形理论等多种理论和分析方法为手段，找出岩石破裂产生的信号和应力波在岩石中传播时产生信号的特征，并对这两种信号进行分离；基于信号分离的研究，选取两种信号合理的参数以适当的方式结合形成评价冲击荷载对岩石破碎程度的指标；利用静压实验机和杆径分别为22mm、36mm、50mm、75mm的SHPB系统，对不同岩样进行加载速率由低到高的声发射实验，揭示岩石声发射活动随加载速率变化的规律。本项目的探讨不仅完善了岩石在不同加载速率下的声发射实验研究，为频繁动载荷作用环境下的声发射监测提供理论依据，而且为深入认识动载荷下岩石裂纹扩展及破坏机理提供研究基础。

岩石的裂纹扩展特性及其破坏机理是岩石力学的基本问题之一，而声发射技术是研究岩石裂纹扩展和破坏机理非常有效的实验手段。现有的对岩石裂纹扩展的研究大多集中在低应变率加载范围内，很少有学者开展过中、高应变率下岩石动态裂纹扩展特性的研究。因此，很有必要通过岩石在中、高应变率加载条件下声发射特性的研究来深入认识岩石动态破坏机理，了解岩石动态裂纹扩展特性，并且能够从裂纹扩展的角度解释岩石动力破坏及动态强度提高的机理。同时，通过研究岩石在中、高应变率加载条件下的声发射特性，找出岩石声发射活动随加载速率变化的规律，从而完善岩石从静压到低应变率再到中、高应变率加载方式的声发射特性研究。这对了解动载荷下岩石裂纹扩展及破坏机理有重要的理论意义。基于此，本项目在霍普金森压杆实验系统（SHPB）上开展了冲击荷载下岩石的声发射特性试验研究，旨在探讨中、高应变率冲击荷载下岩石起裂和裂纹扩展的声发射特性及规律。. 在项目实施阶段，研究团队对岩石破裂产生的信号和应力波在岩石中传播时产生信号的特征进行了分析，实验数据显示：冲击荷载下岩石声发射信号各参数与静载下的声发射信号在幅值分布、计数、频谱等方面都有明显区别，我们也对比分析了冲击荷载和静载下岩石的声发射特性。值得关注的是，在分析中发现，每个岩石试样的声发射数据都存在一个能量、信号强度和幅值最大的原始信号，通过频谱分析、相关性分析可知，该信号与弹性杆上采集到的信号更具有相似性，我们也断定该信号是由应力波传播产生的，而不是岩石破裂产生的。对于其他信号而言，除了峰值频率有区别外，其他参数都无明显不同，对信号频率的分析无疑是我们日后进一步开展冲击荷载下岩石声发射特性研究的方向。同时，随着加载速率的增加，幅值较大的信号所占比例逐渐增加；信号的峰值频率在各加载速率下都有明显的分区现象，同时，100kHz以下的信号所占比例随着加载速率的增加而增加，而100kHz以上的信号随着加载速率的增加而减小。