CN113063857A - 一种直剪试验中岩石结构面张拉-剪切破坏的声发射识别方法 - Google Patents

一种直剪试验中岩石结构面张拉-剪切破坏的声发射识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种直剪试验中岩石结构面张拉‑剪切破坏的声发射识别方法，其步骤是，在待测岩体上布置声发射传感器，然后进行标准巴西劈裂和剪切试验，取得张拉破坏声发射信号样本和剪切破坏声发射信号样本，以每个信号的RA为横坐标，AF为纵坐标作图，求取图中每个信号的斜率k，在最小斜率和最大斜率之间按步幅逐一取值，使分布在所取斜率两侧的剪切破坏声发射信号、张拉破坏的声发射信号最多时，将该斜率作为张拉破坏和剪切破坏的区分界限，再对待测岩石的结构面做直剪试验，通过声发射传感器采集直剪试验中的声发射信号，将声发射信号的k值与张拉破坏和剪切破坏的区分界限比较，判断破坏类型。

Description

一种直剪试验中岩石结构面张拉-剪切破坏的声发射识别 方法
技术领域
本发明涉及一种直剪试验中岩石结构面张拉-剪切破坏的声发射识别方法，更具体涉及利用声发射技术获得岩石结构面剪切破坏过程中破坏类型的方法，属于岩土力学技术领域。
背景技术
近年来，随着我国实施西部开发和大规模的基础设施建设，越来越多的工程在我国建成。工程的安全稳定性和工程围岩体的稳定性具有密切的关系，裂隙、层面、断层等主要结构面将工程岩体分割为成形态不一，大小不等的岩石块体。结构面对工程岩体稳定性具有控制性作用，结构面的力学性质是岩体力学性质的重要组成部分，沿结构面的剪切破坏是工程岩体的主要破坏模式。然而结构面剪切破坏包含的破坏类型复杂，且结构面剪切过程结构面上下贴合，难以直观观测破坏类型，对研究结构面剪切破坏类型造成了较大的阻碍。因此深入了解结构面剪切破坏过程中的破坏类型对工程围岩稳定性具有积极的作用，准确的掌握结构面的破坏类型对预防应力-结构性失稳具有重要的作用。
声发射是一种由材料损伤或者断裂引起的应变能快速释放而产生的瞬时弹性波现象，释放的弹性波可以被声发射传感器拾取，从而完成对破坏过程的监测。声发射作为材料发生破坏的伴随现象，声发射信号包涵了丰富的破坏源信息，通过对声发射信号进行处理分析，可以获取其破坏源信息，从而对破坏类型进行区分。岩石作为一种脆性材料，其破裂释放出的弹性波可以很好的被声发射传感器拾取，因此，使用声发射技术可以很好的对岩石破坏过程中的破坏性质进行识别和区分，常用的识别方法有声发射矩张量分析法和声发射参数分析法。
然而，由于矩张量分析法对声发射数据的要求和声发射参数分析法的区分界限的不明确，导致了现在的结构面剪切过程中的破坏类型区分方法要么只能对定位数据做出分析，不能对全阶段的声发射信号进行分析，要么区分结果依赖主观经验，可靠度不高，从而制约着对结构面剪切过程中破坏类型的认识和识别。
(1)矩张量分析法只能对参与定位的声发射信号做出分析，判断出定位事件的破坏类型，并不是对全阶段的声发射信号进行分析，只分析了部分声发射信号反映出的破坏类型，从而不能真实的反映出整个破坏过程。《东北大学学报(自然科学版)》2014年第35卷第3期，题名为“基于矩张量分析的花岗岩破裂声发射特征试验”，作者徐世达，论文中明确了矩张量分析只针对具有6个及以上声发射信号参与的定位事件，没有参与定位的声发射信号并不能使用矩张量分析。《岩石力学与工程学报》2015年第34卷增1期，题名为“结构面剪切过程中声发射特性的试验研究”，作者周辉，论文中提到每一个声发射信号都对应一个损失或者破裂事件的产生。而矩张量分析只能采用参与定位的声发射信号，采用部分信号的特征来代表全体信号的特征是不合理的，其分析出的破坏过程也是不可靠的。
(2)声发射参数分析法是通过计算声发射信号的RA值和AF值来识别信号代表的破坏类型，剪切破坏声发射信号具有较高的RA值和较低的AF值，张拉破坏声发射信号具有较高的AF值和较低RA值，能够对全阶段的声发射信号进行分析，但是张拉破坏和剪切破坏的区分界限较依赖于实验者的经验而确定。《Construction and Building Materials》2018年第187卷487-500页，题名为“Characterization of damage in concrete beams underbending with Acoustic Emission Technique(AET)”，作者Tam Nguyen-Tat，论文中表明了不同学者根据自己的需求来确定张拉-剪切破坏在RA和AF方法中的区分界限，从而限制了声发射参数分析方法使用范围和作用。根据自己的需要或者经验来划分张拉-剪切破坏在RA和AF方法中的区分界限是不科学的，其分析出的破坏过程也是不可靠的。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种直剪试验中岩石结构面张拉-剪切破坏的声发射识别方法，旨在克服现有的声发射矩张量分析方法不能对全阶段的信息进行破坏类型分析的缺陷，现有声发射参数分析方法的破坏类型区分边界的不明确，实现对结构面剪切破坏过程全阶段破坏类型的准确监测。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：岩石结构面张拉-剪切破坏声发射识别方法，包括建立可靠的全阶段破坏类型的声发射识别方法和岩石结构面剪切过程分析流程。
所述的可靠的全阶段破坏类型声发射识别方法是指：
A.使待测岩石制成圆盘试样，在圆盘试样一侧半圆区域的前端面，和另一侧半圈区域的后端面分别布置互相对称的声发射传感器，以所述圆盘试样两个半圆区域的分界线为对径，进行圆盘试样对径受压的劈裂试验，通过声发射传感器采集由试样张拉破坏产生的声发射信号样本，样本数量为N；
B.使待测岩石制成上下两块剪切试块，所述剪切试块相互之间的光滑接触面为剪切面，在任一所述剪切试块上沿剪切方向在所述剪切试块两侧等高布置相互错开的各两个声发射传感器，进行直剪试验，通过声发射传感器采集由试块剪切破坏产生的声发射信号样本，样本数量为M；
C.根据步骤A和B得到的两种声发射信号样本里每一个信号的上升时间、最大幅值、振铃计数、持续时间的数值，计算出每一个信号的RA和AF值，其中最大幅值指声发射信号波形的最大振幅值，上升时间指声发射信号第一次越过声发射门槛值至最大振幅所经历的时间间隔，持续时间是指声发射信号波段中信号第一次越过门槛值到最终降至门槛所经历的时间间隔，振铃计数指声发射信号越过声发射门槛值的振荡次数，
RA＝上升时间/最大幅值
AF＝振铃计数/持续时间；
D.从张拉破坏产生的声发射信号样本和剪切破坏产生的声发射信号样本中按相同次序各抽取r个声发射信号，r＝min(N，M)，得到张拉破坏的声发射信号记为ti(i＝1,2,3...r)，剪切破坏的声发射信号记为si(i＝1,2,3...r)，并计算每个信号的k值，k＝AF/RA，张拉破坏的声发射信号的k值记为
Figure BDA0002539109670000041
剪切破坏的声发射信号k值记为
Figure BDA0002539109670000042
取
Figure BDA0002539109670000043
和
Figure BDA0002539109670000044
中共同的最小值和最大值，
Figure BDA0002539109670000045
E.在kmin和kmax之间以dt为间隔步幅，从
Figure BDA0002539109670000046
为起始值开始按次序j对
Figure BDA0002539109670000047
逐一取值，
Figure BDA0002539109670000048
(j＝0，1,2,3...Q)，
Figure BDA0002539109670000049
计算每一个
Figure BDA00025391096700000410
对应的dj(j＝0,1,2,3...Q)，
Figure BDA00025391096700000411
(j＝0,1,2,3...Q)，rs为剪切破坏的声发射信号k值小于
Figure BDA0002539109670000051
的个数，rt为张拉破坏的声发射信号k值大于
Figure BDA0002539109670000052
的个数，选取dj达到最大值时的
Figure BDA0002539109670000053
为kf，kf作为张拉破坏和剪切破坏的区分界限。
进一步地，所述的岩石结构面剪切过程分析流程是指：
步骤F：采用待测岩石制成的试块，并布置声发射传感器，对待测岩石试块的结构面进行直剪试验及其同步的声发射监测直至试验结束，计算待测岩石试块的结构面直剪试验中的每个声发射信号的RA值、AF值，进而得出每一个信号的k值，将k值与步骤E得到的kf进行比较，
Figure BDA0002539109670000054
获得声发射信号所代表的破坏类型；
进一步地，还包括：选取时间长度P，将岩石结构面整个剪切过程划分为Z个阶段，分别统计每个阶段内的张拉破坏和剪切破坏的个数，绘制破坏类型随时间变化图。
由于采取了上述技术方案，本发明改进了直剪试验中岩石结构面破坏类型识别不准确的，具有以下优点：
(1)破坏类型识别的准确性：通过圆盘试样对径受压的劈裂试验即巴西劈裂试验，产生纯张拉破坏，纯张拉破坏试验建立张拉破坏的声发射信号样本，通过光滑结构面进行直剪试验，产生纯剪切破坏，纯剪切破坏试验建立剪切破坏的声发射信号样本，并基于标准信号的k值进行划分，使纯张拉破坏产生的声发射信号被最大限度划为张拉破坏，纯剪切破坏产生的声发射信号被最大限度划为剪切破坏，保证了岩石自然结构面剪切过程中破坏类型识别依据的准确性。
(2)破坏类型识别的全过程性：通过全过程声发射信号的处理分析，克服了矩张量只能对定位数据进行破坏类型识别不能对全部信息进行识别的不足，使破坏过程的全部信号都能进行破坏类型识别，能更好地揭示出岩石结构面剪切破坏机制
附图说明
图1为巴西劈裂试样声发射传感器布置主视图；
图2为巴西劈裂试样声发射传感器布置俯视图；
图3为巴西劈裂试样声发射传感器布置右视图；
图4为光滑结构面剪切试样下块声发射传感器布置俯视图；
图5为光滑结构面剪切试样下块声发射传感器布置右视图；
图6为光滑结构面剪切试样下块声发射传感器布置左视图；
图7为张拉破坏声发射信号样本；
图8为剪切破坏声发射信号样本；
图9为声发射信号参数；
图10为区分界限计算过程图；
图11为岩石结构面直剪试验声发射监测txt文本；
图12为岩石结构直剪试验中破坏类型随时间演化图。
具体实施例1：
下面结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12对本发明岩石结构面张拉-剪切破坏声发射识别方法做进一步的详细描述。
本发明的岩石结构面张拉-剪切破坏声发射识别方法包括以下步骤：
(1)将待测岩石加工为巴西劈裂试样7，其尺寸为直径50mm厚度25mm的圆盘，如图1、2、3所示，在前端面的左半圆的中心点位置布置第一声发射传感器1，后端面的右半圆的中心点位置布置第二声发射传感器2，从圆盘试样圆周面加载垂直荷载，使垂直载荷垂直于第一声发射传感器和第二声发射传感器共同所在的平面，直至圆盘试样7完全劈裂破坏，通过PAC公司的AE win for SHSM软件将声发射系统监测到的信息输入至txt文件建立张拉破坏声发射信号样本，如图7，该样本中一般认为均属于张拉破坏产生的声发射信号。
(2)将待测岩石制作为光滑结构面试样10，尺寸为150×120×150mm的长方体，试样由光滑结构面剪切试样上块8和光滑结构面剪切试样下块9组成，试样上块8和试样下块9合起来为150×120×150mm的长方体，试样上块8和试样下块9的接触面制作为光滑平面，可以紧密贴合，并在相互滑动时避免出现非剪切破坏。如图4、5、6所示，在试样下块9布置四个声发射传感器(3、4、5、6)，第三声发射传感器3和第四声发射传感器4均布置在试样下块9沿剪切方向的左侧面，第三声发射传感器3距离试样下块9的前端距离为30mm，第四声发射传感器4距离试样下块9的前端距离为90mm，第五声发射传感器5和第六声发射传感器6均布置在试样下块9沿剪切方向的右侧面，第五声发射传感器5距离试样下块9的前端距离为60mm，第六声发射传感器6距离试样下块9的前端距离为120mm，四个声发射传感器(3、4、5、6)均布置在同一水平面内，该水平面距离试样下块9的顶端面距离为18.75mm。
将试样上块8和试样下块9压合组成光滑结构面试样10，放置在试验机上，首先对试样10加载法向荷载，使试样上块8和试样下块9处于紧密压合状态，开启声发射监测，对试样10加载剪切荷载，直至试验结束，通过PAC公司的AE win for SHSM软件将声发射系统监测到的信息输入至txt文件建立剪切破坏声发射信号样本，如图8，该样本中一般认为均属于剪切破坏产生的声发射信号。
(3)如图7获取张拉破坏声发射信号样本内的每一个声发射信号的上升时间、最大幅值、振铃计数、持续时间的数值，和如图8获取剪切破坏声发射信号样本内的每一个声发射信号的上升时间、最大幅值、振铃计数、持续时间的数值，其中最大幅值指声发射信号波形的最大振幅值，上升时间指声发射信号第一次越过声发射门槛值至最大振幅所经历的时间间隔，持续时间是指声发射信号波段中信号第一次越过门槛值到最终降至门槛所经历的时间间隔，振铃计数指声发射信号越过声发射门槛值的振荡次数，依据公式：
RA＝上升时间/最大幅值
AF＝振铃计数/持续时间
计算出张拉破坏的声发射信号样本和剪切破坏声发射信号样本里所有信号的RA值和AF值；
(4)张拉破坏的声发射信号样本里面包含的声发射信号个数为612个，剪切破坏声发射信号样本里面包含声发射信号个数为458，612>458，则张拉破坏的声发射信号样本取内部的前458个信号，剪切破坏的声发射信号样本取全部的458个信号。
(5)计算张拉破坏的声发射信号样本和剪切破坏声发射信号样本里所有信号的k值，k＝AF/RA，张拉破坏的声发射信号记为ti(i＝1,2,3...r)，剪切破坏的声发射信号记为si(i＝1,2,3...r)，r＝458，张拉破坏的声发射信号的k值记为
Figure BDA0002539109670000091
剪切破坏的声发射信号k值记为
Figure BDA0002539109670000092
kmin＝min
Figure BDA00025391096700000912
约为0，kmax为21718，以dt＝0.1为kmin和kmax之间的间隔步幅，从
Figure BDA0002539109670000094
为起始值开始按次序j对
Figure BDA0002539109670000095
逐一取值，
Figure BDA0002539109670000096
(j＝0，1,2,3...Q)，
Figure BDA0002539109670000097
从0以间隔0.1增大至21718的所有dj值，
Figure BDA0002539109670000098
rs为剪切破坏的声发射信号k值小于
Figure BDA0002539109670000099
的个数，rt为张拉破坏的声发射信号k值大于
Figure BDA00025391096700000910
的个数，dj值最大为1.827，此时的kb＝60.1，即kf＝60.1张拉破坏和剪切破坏的区分界限为
Figure BDA00025391096700000911
(6)将待测岩石的岩石结构面按照和光滑结构面一样的声发射传感器布置方案和试验方案，获取岩石结构面剪切过程中的声发射信息，并输入至txt文件
(7)计算岩石结构面直剪试验中每个声发射信号的RA值、AF值、k值，将k值与60.1进行比较，获得声发射信号所代表的破坏类型。
(8)选取时间长度为100s，岩石结构面剪切过程持续2500s，将整个岩石结构面剪切过程划分为25个阶段，分别统计每个阶段内的张拉破坏和剪切破坏的个数，并绘制破坏类型随时间变化的柱状图，如图12所示。

Claims (3)

1.一种直剪试验中岩石结构面张拉-剪切破坏的声发射识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.使待测岩石制成圆盘试样，在圆盘试样一侧半圆区域的前端面，和另一侧半圈区域的后端面分别布置互相对称的声发射传感器，以所述圆盘试样两个半圆区域的分界线为对径，进行圆盘试样对径受压的劈裂试验，通过声发射传感器采集由试样张拉破坏产生的声发射信号样本，样本数量为N；
B.使待测岩石制成上下两块剪切试块，所述剪切试块相互之间的光滑接触面为剪切面，在任一所述剪切试块上沿剪切方向在所述剪切试块两侧等高布置相互错开的各两个声发射传感器，进行直剪试验，通过声发射传感器采集由试块剪切破坏产生的声发射信号样本，样本数量为M；
C.根据步骤A和B得到的两种声发射信号样本里每一个信号的上升时间、最大幅值、振铃计数、持续时间的数值，计算出每一个信号的RA和AF值，其中最大幅值指声发射信号波形的最大振幅值，上升时间指声发射信号第一次越过声发射门槛值至最大振幅所经历的时间间隔，持续时间是指声发射信号波段中信号第一次越过门槛值到最终降至门槛所经历的时间间隔，振铃计数指声发射信号越过声发射门槛值的振荡次数，
RA＝上升时间/最大幅值
AF＝振铃计数/持续时间；
D.从张拉破坏产生的声发射信号样本和剪切破坏产生的声发射信号样本中按相同次序各抽取r个声发射信号，r＝min(N，M)，得到张拉破坏的声发射信号记为ti(i＝1,2,3...r)，剪切破坏的声发射信号记为si(i＝1,2,3...r)，并计算每个信号的k值，k＝AF/RA，张拉破坏的声发射信号的k值记为
Figure FDA0002539109660000021
剪切破坏的声发射信号k值记为
Figure FDA0002539109660000022
取
Figure FDA0002539109660000023
和
Figure FDA0002539109660000024
中共同的最小值和最大值，
Figure FDA0002539109660000025
E.在kmin和kmax之间以dt为间隔步幅，从
Figure FDA0002539109660000026
为起始值开始按次序j对
Figure FDA0002539109660000027
逐一取值，
Figure FDA0002539109660000028
(j＝0，1,2,3...Q)，
Figure FDA0002539109660000029
计算每一个
Figure FDA00025391096600000210
对应的dj(j＝0,1,2,3...Q)，
Figure FDA00025391096600000211
rs为剪切破坏的声发射信号k值小于
Figure FDA00025391096600000212
的个数，rt为张拉破坏的声发射信号k值大于
Figure FDA00025391096600000213
的个数，选取dj达到最大值时的
Figure FDA00025391096600000214
为kf，kf作为张拉破坏和剪切破坏的区分界限。
2.根据权利要求1所述的直剪试验中岩石结构面张拉-剪切破坏的声发射识别方法，其特征在于，步骤E后还包括步骤F：采用待测岩石制成的试块，并布置声发射传感器，对待测岩石试块的结构面进行直剪试验及其同步的声发射监测直至试验结束，计算待测岩石试块的结构面直剪试验中的每个声发射信号的RA值、AF值，进而得出每一个信号的k值，将k值与步骤E得到的kf进行比较，
Figure FDA00025391096600000215
获得声发射信号所代表的破坏类型。
3.根据权利要求2所述的直剪试验中岩石结构面张拉-剪切破坏的声发射识别方法，其特征在于，步骤F中还包括：选取时间长度P，将岩石结构面整个剪切过程划分为Z个阶段，分别统计每个阶段内的张拉破坏和剪切破坏的个数，绘制破坏类型随时间变化图。
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