CN108732092A - 一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法，涉及岩石断裂力学监测技术领域。其通过力学试验机对非透明材料制备的含有预制裂纹试件进行加载，一方面在预制有裂纹的非透明试件上布设声发射传感器，对预制有裂纹的非透明试件加载过程进行声发射监测，提取声发射事件的时空分布特征，以此获得不同时刻或阶段试件内部破坏和断裂情况；另一方面对加载结束后的试件进行CT扫描，依据CT扫描数据，通过CT三维重构得到破坏后试件内部裂纹的空间形态；两者对比分析，反演裂纹扩展过程。本发明可以直观揭示试件内部裂纹动态扩展过程，为研究岩石裂纹破裂机理及扩展规律，预防和解决岩体工程灾害提供有益参考。

Description

一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法

技术领域

本发明涉及岩石断裂力学监测技术领域，具体涉及一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法。

背景技术

岩石内部存在着裂纹等缺陷，裂纹受到载荷的作用，发生扩展、传播与贯通，最终导致了岩石的破坏。在矿山、交通、水利、能源、地下空间建设等岩体工程中，岩体裂纹是影响这些岩体工程安全极不稳定的因素，裂纹的扩展会导致岩体发生变形破坏，改变岩体的力学性质及渗透性，从而引发工程地质灾害。明确岩石裂纹扩展过程，对研究岩石裂纹破裂机理及扩展规律具有重要意义，是控制工程灾害发生的关键问题。但是，由于岩石材料的非透明性，岩石裂纹的时空破裂演化过程不易直接观察，这一直是岩石断裂力学研究方面的热点和难点。

因此，探寻一种岩石内部三维裂纹扩展过程的反演方法，对岩石裂纹时空扩展过程进行描述，可以为研究岩石裂纹破裂机理及扩展规律，预防和解决岩体工程灾害提供有益参考。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法，其可以直观揭示试件内部裂纹动态扩展过程，为研究裂纹扩展规律、预防和解决岩体工程灾害提供有益参考。

其技术解决方案包括：

一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法，依次包括以下步骤：

a、制备非透明试件并对其预制裂纹的步骤；

b、在步骤a所得预制有裂纹的非透明试件表面设置声发射传感器的步骤；

c、对该预制有裂纹的非透明试件施加一定预应力的步骤；

d、对所述预制有裂纹的非透明试件以恒定的速度进行加载，其内部产生的破裂及裂纹扩展产生的声发射信号传输至所述声发射传感器的步骤；

e、声发射传感器通过前置放大器输入至声发射采集系统进行声发射数据采集和处理的步骤；

f、对声发射采集系统处理后所得声发射参数进行提取，得到加载过程中不同时刻或阶段的事件参数，并结合相关理论知识进行三维定位作图，判别所述预制有裂纹的非透明试件内部不同时刻或者阶段裂纹破裂区的位置；

g、将加载结束后的预制有裂纹的非透明试件置于CT扫描台进行扫描，获得扫描数据，通过三维重构得到预制有裂纹的非透明试件内部裂纹的空间形态；

h、通过步骤f和步骤g进行对比分析，综合反演得出非透明试件三维裂纹扩展过程。

作为本发明的一个优选方案，步骤a中，对非透明试件预制裂纹为单裂纹或多裂纹，预制裂纹的角度为15°、30°、45°、60°或75°。

作为本发明的另一个优选方案，步骤b中，声发射传感器设置有6～8个，根据不共面的原则将其固定在预制有裂纹的非透明试件表面。

进一步的，步骤c中，所述的预制有裂纹的非透明试件放置在力学试验机压头的中间位置施加预应力。

本发明所带来的有益技术效果为：

由于采用了上述方案，通过试件内部不同时刻或阶段声发射事件分布特征判别出试件内部不同时刻或者阶段裂纹破裂区位置，与加载结束后CT三维重构得到的试件内部裂纹的空间形态进行对比分析，综合反演得出裂纹扩展过程，可以直观揭示试件内部裂纹动态扩展过程，为研究岩石裂纹破裂机理及扩展规律，预防和解决岩体工程灾害提供有益参考。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法流程图；

图2为本发明一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法所需系统结构示意图；

图中，1、力学试验机压头；2、加载控制系统；3、试件；4、预制裂纹；5、声发射传感器；6、前置放大器；7、声发射采集系统；8、X射线源；9、CT扫描台；10、探测板；11、CT扫描控制系统。

具体实施方式

本发明提出了一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明，一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法，所需反演系统结构示意图如图2所示，其包括力学试验机，在所述力学试验机内放置预制有裂纹的非透明试件，该非透明试件位于力学试验机压头的中央，在该预制有裂纹的非透明试件表面设置有6～8个声发射传感器5，其中，每个声发射传感器均通过各自的线路连接至前置放大器6，通过前置放大器将声发射信号传输至声发射采集系统；

该力学试验机的上压头或/和下压头连接加载系统，通过加载系统对预制有裂纹的非透明试件施加载荷；

CT扫描台包括CT扫描控制系统、X射线源及探测板10，通过加载系统加载结束后的预制有裂纹的非透明试件放置于CT扫描台，通过CT扫描控制系统、X射线源及探测板获得预制有裂纹的非透明试件内部的扫描数据。

本发明，一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法，反演流程图如图1所示，具体通过如下步骤实现：

步骤一、对非透明材料进行加工，制备成试件3，非透明材料试件可以为真实岩石试件、类岩石试件，对试件3进行预制裂纹4；

步骤二、将6～8个声发射传感器5涂抹耦合剂凡士林，依据不共面的原则与试件3表面固定，以保证良好的信号传输效果；

步骤三、把试件3置于力学试验机压头1的中央，对试件3进行预实验，使试件3有一定的预应力；

步骤四、通过加载控制系统2对试件3以恒定的速度进行加载，声发射传感器5接收因试件3内部发生破裂和裂纹扩展而产生的声发射信号，通过前置放大器6输入声发射采集系统7进行声发射数据采集和处理；

步骤五、将步骤四中的声发射参数进行提取，得到加载过程中不同时刻或阶段试件3内部事件参数，对提取不同时刻或者阶段的内部事件进行三维定位作图，结合相关理论知识判别试件3内部不同时刻或者阶段裂纹破裂区位置；

步骤六、将加载结束后的试件置于CT扫描台9，并利用CT扫描控制系统11、X射线源8、探测板10对试件3进行CT扫描，获得试件3的CT扫描数据，并通过三维重构得到试件3内部裂纹的空间形态；

步骤七、通过步骤五中不同时刻或者阶段声发射事件空间分布特征判别出试件3内部裂纹破裂区位置，与步骤六中CT三维重构的裂纹空间形态进行对比分析，综合反演得出裂纹扩展过程。

本发明中，试件上预制裂纹可以为单裂纹或多裂纹，预制裂纹的角度可以为15°、30°、45°、60°或75°。

试件的加载可以为单轴加载，双轴加载或者三轴加载，加载模式可以为位移控制、载荷控制。

上述加载控制系统2的具体结构及加载方式借鉴现有技术即可实现，此处不做冗述。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

尽管本文中较多的使用了诸如力学试验机压头1、加载控制系统2、试件3、预制裂纹4等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a、制备非透明试件并对其预制裂纹的步骤；

b、在步骤a所得预制有裂纹的非透明试件表面设置声发射传感器的步骤；

c、对该预制有裂纹的非透明试件施加一定预应力的步骤；

d、对所述预制有裂纹的非透明试件以恒定的速度进行加载，其内部产生的破裂及裂纹扩展产生的声发射信号传输至所述声发射传感器的步骤；

e、声发射传感器通过前置放大器输入至声发射采集系统进行声发射数据采集和处理的步骤；

f、对声发射采集系统处理后所得声发射参数进行提取，得到加载过程中不同时刻或阶段的事件参数，并结合相关理论知识进行三维定位作图，判别所述预制有裂纹的非透明试件内部不同时刻或者阶段裂纹破裂区的位置；

g、将加载结束后的预制有裂纹的非透明试件置于CT扫描台进行扫描，获得扫描数据，通过三维重构得到预制有裂纹的非透明试件内部裂纹的空间形态；

h、通过步骤f和步骤g进行对比分析，综合反演得出非透明试件三维裂纹扩展过程。

2.根据权利要求1所述的一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法，其特征在于：步骤a中，对非透明试件预制裂纹为单裂纹或多裂纹，预制裂纹的角度为15°、30°、45°、60°或75°。

3.根据权利要求1所述的一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法，其特征在于：步骤b中，声发射传感器设置有6～8个，根据不共面的原则将其固定在预制有裂纹的非透明试件表面。

4.根据权利要求1所述的一种非透明试件三维裂纹扩展过程的综合反演方法，其特征在于：步骤c中，所述的预制有裂纹的非透明试件放置在力学试验机压头的中间位置施加预应力。