CN116642750A - 一种岩石应变局部化起始时间的预测方法、装置及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及岩土工程技术领域，公开了一种岩石应变局部化起始时间的预测方法、装置和设备，方法包括：对多面体形状的目标岩石的一个外表面喷制散斑图，并在目标岩石的其他外表面设置超声波发射探头和声发射传感器；对目标岩石进行单轴加载；在单轴加载的同时通过声发射传感器接收超声波发射探头发射的超声波信号以及目标岩石产生的声发射信号；在单轴加载的同时拍摄散斑图；通过散斑图、超声波信号和声发射信号计算多种随时间变化的岩石指标；利用各个岩石指标综合预测岩石应变局部化的起始时间。本发明提高了岩石应变局部化的起始时间预测准确率。

Description

一种岩石应变局部化起始时间的预测方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，具体涉及一种岩石应变局部化起始时间的预测方法、装置及设备。
背景技术
应变局部化是岩石破坏的先兆，确定岩石发生应变局部化的起始时间对于建立岩石破坏预警指标起到决定性作用，对山体边坡、大坝等结构的破坏预警，对保护人民生命财产安全有着重要意义。文件CN111413199A提供了一种确定岩石应变局部化启动应力水平的方法，首先通过喷漆在岩石表面绘制散斑图像，然后对岩石进行加载，在加载过程中通过相机拍摄散斑图像，基于拍摄的图像计算岩石的应力-应变曲线，并绘制对应的应力-应变曲线的应变差值演化曲线，最后将应变差值演化曲线出现明显拐点时对应的应力水平即为岩石应变局部化启动应力水平。王杰等人在文章《单轴压类岩石试件应变局部化位置、方向及预警应用研究》中提出了一种方法，同样通过喷漆在岩石表面绘制散斑图像，然后对岩石进行加载，并在加载过程中通过相机拍摄散斑图像，对图像进行分析。该文章是基于拍摄的图像计算轴力-位移关系曲线，然后在轴力-位移关系曲线上将位于变形加速的拐点作为应变局部化的启动点。
相关技术中的方法，均采用散斑图像的方式预测岩石应变局部化的起始点，这对于图像识别算法提出了较高的要求，例如用到了虚拟应变片技术，这对于图像的拍摄效果和实验人员的实验能力提出了更高的要求。还有一些方法，例如文件CN105403623A公开的，利用声发射信号的主频对岩石损伤特性进行描述，这对实验人员把握信号的频率特性提出了较高要求，频率信号非常复杂且干扰较强，不对频率信号进行特殊处理而直接使用主频分析岩石应变局部化，难度非常大。从而在相关技术中，当实验人员的某一项能力不够强或者存在外部干扰时，使得岩石应变局部化的起始时间预测不准确。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种岩石应变局部化起始时间的预测方法、装置及设备，以解决岩石应变局部化的起始时间预测不准确的问题。
第一方面，本发明提供了一种岩石应变局部化起始时间的预测方法，方法包括：对多面体形状的目标岩石的一个外表面喷制散斑图，并在目标岩石的其他外表面设置超声波发射探头和声发射传感器；对目标岩石进行单轴加载；在单轴加载的同时通过声发射传感器接收超声波发射探头发射的超声波信号以及目标岩石产生的声发射信号；在单轴加载的同时拍摄散斑图；通过散斑图、超声波信号和声发射信号计算多种随时间变化的岩石指标，岩石指标包括损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线和波速各向异性系数变化曲线，损伤非均匀系数变化曲线通过散斑图得到，用于表征散斑图的斑点的离散度随时间变化的关系，损伤集中系数变化曲线通过散斑图得到，用于表征岩石局部化带的形成程度随时间变化的关系，声发射频率曲线通过声发射信号得到，用于表征岩石声发射撞击率随时间变化的关系，波速各向异性系数变化曲线通过超声波信号得到，用于表征超声波波速随时间变化的关系；利用各个岩石指标综合预测岩石应变局部化的起始时间。
本实施例采用多面体形状的目标岩石，并对该岩石的一个外表面喷制散斑图，其他外表面设置超声波发射探头和声发射传感器。然后在单轴加载实验过程中，同时对散斑图的变化、超声波信号的变化和目标岩石的声发射信号的变化进行监测，计算多种随时间变化的岩石指标，然后对各个指标随时间变化的趋势分别进行分析，从图像、声波两个角度分析散斑图的斑点的离散度随时间变化的关系、岩石局部化带的形成程度随时间变化的关系、岩石声发射撞击率随时间变化的关系、超声波波速随时间变化的关系，从而确定各个指标表征岩石应变局部化的起始时间，最后将多个岩石应变局部化的起始时间进行统一和整合，得到可靠性更高、准确度更高的岩石应变局部化起始时间。
在一种可选的实施方式中，通过声发射传感器接收超声波发射探头发射的超声波信号以及目标岩石产生的声发射信号，包括：通过声发射传感器接收混合信号，混合信号包括超声波发射探头发射的超声波信号和目标岩石产生的声发射信号；基于信号幅值从混合信号中划分超声波信号和声发射信号。
本实施例对于声发射传感器接收混合信号，通过信号幅值区分其中的超声波信号和声发射信号，提高后续步骤分别利用超声波信号和声发射信号计算岩石指标的准确率。
在一种可选的实施方式中，获取损伤非均匀系数变化曲线的步骤，包括：获取散斑图在单轴加载初始时刻的图像作为未变形图像，并对未变形图像划分网格；以预设时间间隔将单轴加载过程中各个时刻的散斑图与未变形图像进行匹配，确定图像中各个时刻的网格位移；根据网格位移计算每个网格在每个时刻的应变信息；根据每个网格在每个时刻的应变信息，计算每个时刻全部网格对应的平均应变信息；针对每个时刻，基于对应的平均应变信息和每个网格对应的应变信息进行标准差计算，得到每个时刻对应的损伤非均匀系数；依时间顺序，根据每个时刻对应的损伤非均匀系数拟合随时间变化的损伤非均匀系数变化曲线，并将损伤非均匀系数变化曲线作为岩石指标。
本实施例通过拍摄散斑图在单轴加载过程中的变化，根据散斑之间的匹配关系，计算每个时刻每一个网格对应的应变信息，然后通过每一个网格的应变信息在每个时刻计算应变信息的标准差，得到能够表征每个时刻网格离散程度的损伤非均匀系数，进而将损伤非均匀系数随时间变化的曲线作为岩石指标，利用岩石随着加载增大趋于破坏使得散斑网格离散程度增加的特征，从一个新的角度实现了岩石应变局部化起始时间的预测。
在一种可选的实施方式中，获取损伤集中系数变化曲线的步骤，还包括：根据每个网格在每个时刻的应变信息从散斑图中确定若干目标网格，目标网格对应的最大主应变数值大于散斑图中其他网格对应的最大主应变数值；在散斑图中建立坐标系，并根据坐标系确定每个目标网格在每个时刻的坐标；基于每个目标网格在每个时刻的坐标计算每个时刻对应的平均坐标；针对每个时刻，通过每个目标网格的坐标与平均坐标进行相关性分析，计算得到每个时刻的损伤集中系数；依时间顺序，根据每个时刻对应的损伤集中系数拟合随时间变化的损伤集中系数变化曲线，并将损伤集中系数变化曲线作为岩石指标。
本实施例通过拍摄散斑图在单轴加载过程中的变化，计算每个时刻每一个网格对应的应变信息，从而找出最大主应变数值较大的若干目标网格，用来表征局部化带附近的斑点。之后通过建立坐标系并计算目标网格的平均坐标预测局部化带的位置，对每个时刻每个目标网格的坐标与平均坐标进行相关性分析，得到每个时刻能够表征目标网格靠近局部化带程度的损伤集中系数。利用损伤集中系数作为岩石指标，表征岩石随着加载增大使得目标网格中的斑点贴近局部化带这一特征，从一个新的角度实现了岩石应变局部化起始时间的预测。
在一种可选的实施方式中，获取声发射频率曲线的步骤，包括：从当前时刻开始，统计连续接收多次声发射信号的接收时长；基于接收的声发射信号次数和接收时长计算声发射撞击的声发射撞击率；将经过接收时长的下一时刻作为当前时刻，返回从当前时刻开始，统计连续接收多次声发射信号的接收时长的步骤，重新计算下一时刻经过接收时长的声发射撞击率；将单轴加载过程中计算的全部声发射撞击率按照时间排序，并根据排序后的声发射撞击率拟合得到声发射撞击率曲线，以将声发射撞击率曲线作为岩石指标。
本实施例还基于岩石单轴加载过程中微小破裂产生逐渐增多而导致声发射信号撞击频率逐渐增加的特性，计算了单轴加载过程中多个时间段的声发射撞击率，然后将单轴加载过程中计算的全部声发射撞击率按照时间排序，并根据排序后的声发射撞击率拟合得到声发射撞击率曲线，利用声发射撞击率曲线与上述指标综合预测岩石应变局部化起始时间，能够进一步提高岩石应变局部化起始时间预测的准确率。
在一种可选的实施方式中，声发射传感器的数量为多个，超声波发射探头的数量为一个，获取波速各向异性系数变化曲线的步骤，包括：根据各个声发射传感器在每一个时刻接收的超声波发射探头发射的超声波信号，计算每个时刻声发射传感器接收的平均超声波信号；针对每个时刻，基于对应的平均超声波信号和每个声发射传感器接收的超声波信号进行标准差计算，得到每个时刻对应的波速各向异性系数；依时间顺序，根据每个时刻对应的波速各向异性系数拟合随时间变化的波速各向异性系数变化曲线，并将波速各向异性系数变化曲线作为岩石指标。
本实施例还提出了一种根据超声波波速预测应变局部化的起始时间的思路。通过一个超声波发射探头发射超声波信号，然后通过多个声发射传感器从不同方向接收超声波，当岩石未加载时，各路超声波信号的波速几乎相同，随着岩石在加载条件下趋于破坏，各路超声波信号的波速差异越来越大，离散程度越来越大，进而基于每个时刻的平均超声波信号和每个声发射传感器接收的超声波信号进行标准差计算，得到表征每个时刻超声波波速离散程度的波速各向异性系数，进而通过波速各向异性系数随时间变化的趋势预测岩石应变局部化的起始时间，提供了一个新的预测角度。
在一种可选的实施方式中，利用各个岩石指标综合预测岩石应变局部化的起始时间，包括：将损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线、波速各向异性系数变化曲线按照时间对齐；从起始时刻向后遍历每个时刻，搜索到目标时刻，并将目标时刻作为岩石应变局部化的起始时间，目标时刻是损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线、波速各向异性系数变化曲线中至少有3个曲线在目标时刻对应点的斜率大于预设斜率阈值的时刻。
本实施例结合上述损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线和波速各向异性系数变化曲线4种岩石指标，从4个角度综合分析岩石应变局部化的起始时间，当出现岩石应变局部化现象时，上述4个指标都会出现陡增的现象，从而本实施例基于上述曲线确定至少有3个曲线的斜率大于预设斜率阈值的时刻，作为岩石应变局部化起始时间的目标时刻，从而显著提高了岩石应变局部化起始时间的预测准确率。
第二方面，本发明提供了一种岩石应变局部化起始时间的预测装置，装置包括：岩石处理模块，用于对多面体形状的目标岩石的一个外表面喷制散斑图，并在目标岩石的其他外表面设置超声波发射探头和声发射传感器；加载模块，用于对目标岩石进行单轴加载；声波信号采集模块，用于在单轴加载的同时通过声发射传感器接收超声波发射探头发射的超声波信号以及目标岩石产生的声发射信号；图像采集模块，用于在单轴加载的同时拍摄散斑图；指标计算模块，用于通过散斑图、超声波信号和声发射信号计算多种随时间变化的岩石指标，岩石指标包括损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线和波速各向异性系数变化曲线，损伤非均匀系数变化曲线通过散斑图得到，用于表征散斑图的斑点的离散度随时间变化的关系，损伤集中系数变化曲线通过散斑图得到，用于表征岩石局部化带的形成程度随时间变化的关系，声发射频率曲线通过声发射信号得到，用于表征岩石声发射撞击率随时间变化的关系，波速各向异性系数变化曲线通过超声波信号得到，用于表征超声波波速随时间变化的关系；综合分析模块，用于利用各个岩石指标综合预测岩石应变局部化的起始时间。
第三方面，本发明提供了一种岩石应变局部化起始时间的预测设备，包括：存储器、处理器、喷枪装置、摄像头、声发射传感器、超声波发射探头和加载装置；存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的方法；喷枪装置、摄像头、加载装置、声发射传感器和超声波发射探头分别与处理器通信连接，喷枪装置用于对多面体形状的目标岩石喷涂散斑，摄像头用于拍摄目标岩石上的散斑图，声发射传感器用于接收超声波信号和声发射信号，超声波发射探头用于发射超声波信号，加载装置用于对目标岩石进行单轴加载。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种岩石应变局部化起始时间的预测方法的流程示意图；
图2是根据本发明实施例的单轴加载实验的结构示意图；
图3是根据本发明实施例采集的混合信号示意图；
图4是根据本发明实施例的散斑图变形前后的斑点示意图；
图5是根据本发明实施例的岩石指标与加载时间的关系图；
图6是根据本发明实施例的一种岩石应变局部化起始时间的预测装置的结构示意图；
图7是本发明实施例的一种岩石应变局部化起始时间的预测设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明实施例，提供了一种岩石应变局部化起始时间的预测方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在本实施例中提供了一种岩石应变局部化起始时间的预测方法，可用于上述的岩石应变局部化起始时间的预测设备，图1是根据本发明实施例的一种岩石应变局部化起始时间的预测方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：
步骤S101，对多面体形状的目标岩石的一个外表面喷制散斑图，并在目标岩石的其他外表面设置超声波发射探头和声发射传感器。
具体地，本发明实施例提出了一种从图像和声波对岩石进行多角度分析，进而预测应变局部化起始时间的方法，从而综合多角度分析结果来提高岩石应变局部化起始时间的预测准确度。首先，本步骤获取多面体形状的目标岩石作为单轴加载实验的对象，主要用于在目标岩石的一个面喷制散斑图，然后在其他面安装超声波发射探头和声发射传感器，从而采集图像数据和声波数据。例如，如图2所示，本发明实施例采用6面立方体的目标岩石进行单轴加载实验，以均匀性较好的砂岩为例进行研究，首先通过肉眼观察，选取表面并无明显微裂纹的岩样，并在其中选取各个位置波速差异较小的样品，然后通过室内钻芯取样加工成 50×50×100 mm标准棱柱形试样，保证试样端部与轴向满足国际岩石力学学会规范要求。之后，在目标岩石其中一个面上喷制散斑图，具体将白色涂料均匀、轻薄地喷涂在目标岩石的表面，待白漆完全干透后，将黑漆均匀地喷撒在白色漆面上。需要注意的是，散斑的大小由摄像头的分辨率决定（本实施例设置摄像头采集速率为每3秒2帧图像，图像分辨率为1624像素×1236像素），过大或过小的散斑尺寸都不合适，因为会导致后续位移计算出现错误，在斑点的产生中，斑点分布的随机性和斑点的大小对于实验结果也至关重要。然后在散斑图的对立面上和相邻面上安装声发射传感器和超声波发射探头，本发明实施例对探头的安装的数量不做具体限定。例如，在本实施例中，可以在该对立面的两个侧面一共安装6个声发射传感器，对立面上安装一个超声波发射探头和一个声发射传感器，如图2中的探头8是超声波发射探头，探头1-7是声发射传感器，声发射传感器同时用于接收超声波信号和加载过程中目标岩石由于发生破裂产生的声发射信号。在本实施例中，超声信号测试通过超声波发射探头发射主频400 k，电压128 V的方波信号，该信号可以被声发射传感器接收，试验过程中超声波信号发射周期为10 s，同时为了减少环境噪声对实验的影响，将声发射探头采集门槛值设为50 dB，前置放大器为40 dB，通道采样速率为10 MHz。
步骤S102，对目标岩石进行单轴加载。
具体地，当散斑图与声波信号的准备工作完成后，通过加载装置沿目标岩石的上下轴方向对目标岩石进行单轴加载，本发明实施例中，加载装置可以采用美国MTS810电液伺服加载试验机，该装置可同时记录荷载、应力和应变值等，其中轴向应变采用线性位移差分进行监测，加载速率为0.03 mm/min。
步骤S103，在单轴加载的同时通过声发射传感器接收超声波发射探头发射的超声波信号以及目标岩石产生的声发射信号。
具体地，本实施例在单轴加载实验开始的同时，通过步骤S101布置的声发射传感器持续接收超声波发射探头发射的超声波信号，同时通过声发射传感器持续接收目标岩石因为细微破裂产生的声发射信号。
在一些可选地实施方式中，上述步骤S103包括：
步骤a1，通过声发射传感器接收混合信号，混合信号包括超声波发射探头发射的超声波信号和目标岩石产生的声发射信号；
步骤a2，基于信号幅值从混合信号中划分超声波信号和声发射信号。
具体地，在发明实施例中，声发射传感器同时监测超声波和声发射信号，因此在进行后续处理前，应先对接收到的超声波和声发射信号区分，以保证后续岩石指标的准确度。如图3所示，由于超声波发射探头所发射的方波信号电压为100V，导致声发射传感器接收到的超声信号幅值远远大于声发射信号的幅值，因此在加载前期，可以利用幅值的差异将两者区分。在临近破裂时，声发射信号的幅值也开始增加，混杂在超声信号中，在此期间内，由于超声信号接收频率相对固定，也可以通过频率将两者区分。
步骤S104，在单轴加载的同时拍摄散斑图。
具体地，本实施例在单轴加载实验开始的同时，通过摄像头拍摄目标岩石上的散斑图，持续监测散斑图的变化情况。
步骤S105，通过散斑图、超声波信号和声发射信号计算多种随时间变化的岩石指标，岩石指标包括损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线和波速各向异性系数变化曲线，损伤非均匀系数变化曲线通过散斑图得到，用于表征散斑图的斑点的离散度随时间变化的关系，损伤集中系数变化曲线通过散斑图得到，用于表征岩石局部化带的形成程度随时间变化的关系，声发射频率曲线通过声发射信号得到，用于表征岩石声发射撞击率随时间变化的关系，波速各向异性系数变化曲线通过超声波信号得到，用于表征超声波波速随时间变化的关系。
具体地，随着单轴加载实验的进行，岩石趋于破坏，从而影响图像和声波的稳定，进而基于上述实验过程采集的图像数据和声波数据，记录了多种不同类型的指标随着时间变化而变化的规律，从而形成多种岩石指标。例如，通过散斑图像的变化可以计算出目标岩石的应力、应变或轴力随时间变化的规律，通过超声波信号和声发射信号可以计算出声波速度、声波强度等随着时间变化的规律。上述每一种变化规律，均可以作为一项岩石指标。与相关技术相比，本实施例提出了四种新的岩石指标，分别是损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线和波速各向异性系数变化曲线，从图像、声波两个角度分析散斑图的斑点的离散度随时间变化的关系、岩石局部化带的形成程度随时间变化的关系、岩石声发射撞击率随时间变化的关系、超声波波速随时间变化的关系，以根据各个指标确定岩石应变局部化的起始时间更加准确。
在一些可选地实施方式中，上述步骤S105包括：
步骤b1，获取散斑图在单轴加载初始时刻的图像作为未变形图像，并对未变形图像划分网格；
步骤b2，以预设时间间隔将单轴加载过程中各个时刻的散斑图与未变形图像进行匹配，确定图像中各个时刻的网格位移；
步骤b3，根据网格位移计算每个网格在每个时刻的应变信息；
步骤b4，根据每个网格在每个时刻的应变信息，计算每个时刻全部网格对应的平均应变信息；
步骤b5，针对每个时刻，基于对应的平均应变信息和每个网格对应的应变信息进行标准差计算，得到每个时刻对应的损伤非均匀系数；
步骤b6，依时间顺序，根据每个时刻对应的损伤非均匀系数拟合随时间变化的损伤非均匀系数变化曲线，并将损伤非均匀系数变化曲线作为岩石指标。
具体地，本发明实施例提出了一种新的分析指标（损伤非均匀系数）来表征岩石表面的均匀程度，从而根据岩石表面的均匀程度预测局部化起始时间。首先在单轴加载初始时刻确定散斑图的图像作为未变形图像，并对未变形图像划分网格，以便于后续的比对分析，确定散斑图的变化情况。之后，在单轴加载过程中，根据散斑特征以预设时间间隔将各个时刻的散斑图与未变形图像进行匹配，确定图像中各个时刻的网格位移。如图4所示，在一个预设时间间隔中，通过岩石表面变形点的匹配，关联岩石变形后与未变形图像之间的差异来计算其全场变形。以图4为例，某网格的初始子集中和/>点是变形前的斑点，变形后子集的/>点是变形后的斑点。/>是散斑图上建立二维坐标系后/>点的初始坐标，是/>点的变形后坐标，/>是/>点的初始坐标，/>是/>点的变形后坐标，/>是变形前后的/>坐标差异，/>是变形前后的/>坐标差异，/>和/>即视为网格位移。/>分别表示/>和/>点之间的横坐标差异和纵坐标差异。变形前后的数量关系可满足下式：
然后，根据网格位移计算每个网格在每个时刻的应变信息，具体根据匹配图像计算所测得的子集位移，可计算出格林拉格朗日应变，如下所示：
根据上式得出的结果，通过下式进一步计算岩石表面的最大主应变和最小主应变/>
上式中的、/>、/>、/>和/>属于应变信息。通过上式，可以在单轴加载的过程中，计算每个网格在每个时刻的应变信息。
之后，通过上述应变信息中的一项或多项，可以在每个时刻计算全部网格对应的平均应变信息。然后基于对应的平均应变信息和每个网格对应的应变信息计算每个时刻的标准差，来表征岩石表面的均匀程度，从而分析岩石出现应变局部化的时间。本发明实施例以每个网格在每个时刻的最大主应变为例，计算每个时刻的全部网格的最大主应变平均值，作为每个时刻的平均应变信息。最后，针对每个时刻，基于对应的平均应变信息和每个网格对应的应变信息进行标准差计算，得到每个时刻对应的损伤非均匀系数，例如下式：
为各点的最大主应变，/>为各点最大主应变的平均值，/>表示损伤非均匀系数。通过本发明实施例计算的损伤非均匀系数，可以很好的反应整个观测区域中各点的观测值与整体观测值的差异性。当岩石未加载时，岩石各个位置的最大主应变应当相差不大，随着加载时间增加，岩石趋于破坏，各个网格位置的最大主应变差异度会变大、离散程度更高，从而通过上式可以看出，/>越大，表明岩石表面应变非均匀性越大，当岩石发生应变局部化时，/>应当出现明显变化。本发明实施例进而将损伤非均匀系数随时间变化的曲线作为岩石指标，利用岩石随着加载增大趋于破坏使得散斑离散程度增加的特征，从一个全新的角度实现了岩石应变局部化起始时间的预测。
在一些可选的实施方式中，上述步骤S105还包括：
步骤c1，根据每个网格在每个时刻的应变信息从散斑图中确定若干目标网格，目标网格对应的最大主应变数值大于散斑图中其他网格对应的最大主应变数值。
步骤c2，在散斑图中建立坐标系，并根据坐标系确定每个目标网格在每个时刻的坐标。
步骤c3，基于每个目标网格在每个时刻的坐标计算每个时刻对应的平均坐标。
步骤c4，针对每个时刻，通过每个目标网格的坐标与平均坐标进行相关性分析，计算得到每个时刻的损伤集中系数。
步骤c5，依时间顺序，根据每个时刻对应的损伤集中系数拟合随时间变化的损伤集中系数变化曲线，并将损伤集中系数变化曲线作为岩石指标。
具体地，本发明实施例提出了一种新的岩石指标（损伤集中系数）来表征岩石表面的局部化带是否形成，从而根据岩石表面的局部化的形成情况预测局部化起始时间。首先，根据每个网格在每个时刻的应变信息（本实施例以最大主应变为提取标准）从散斑图中确定若干目标网格，需要注意的是，目标网格对应的最大主应变数值大于散斑图中其他斑点对应的最大主应变数值。例如：本实施例从各个斑点中选取最大主应变占前10%的斑点为目标网格，这些网格中的斑点可以视作形成局部化带后距离局部化带最近或者处于局部化带的斑点。考虑到目标网格中的斑点在形成局部化带之后通常呈现线状，故本发明实施例在散斑图中建立坐标系，并根据坐标系确定每个目标网格在每个时刻的坐标，之后基于每个目标网格在每个时刻的坐标计算每个时刻对应的平均坐标。其中，平均坐标的平均横坐标和平均纵坐标分别可以在建立的坐标系中绘制一条直线，本发明实施例通过绘制的直线来表征每个时刻局部化带最可能产生的位置，通过这种表征方式，可以对局部化的出现位置进行预测。之后，通过每个目标网格的坐标与平均坐标进行相关性分析，计算得到每个时刻的损伤集中系数。换言之，在出现局部化带时，所有目标网格的横坐标在理想情况下可能会变得相同，或者，所有目标网格的纵坐标可能会变得相同。从而通过下式，对每个斑点与平均坐标进行相关性分析，即坐标的协方差比方差，计算每个斑点是否趋近于平均横坐标或平均纵坐标。
式中，表示当前时刻的损伤集中系数，/>为当前时刻各斑点的坐标，/>当前时刻各点的平均坐标，m表示目标网格的数量。从上式可以看出，损伤集中系数可以很好的反映应变较大值空间位置的相关系数。在理想情况下，当应变较大值全部分布在一条直线上时（可能为/>或/>），其/>为1，反之所有较大值的点呈完全离散的状态时，则/>为0。
针对每个时刻，通过每个目标网格的坐标与平均坐标进行相关性分析，计算得到每个时刻的损伤集中系数，然后依时间顺序，根据每个时刻对应的损伤集中系数拟合随时间变化的损伤集中系数变化曲线，即可通过损伤集中系数变化曲线预测局部化带的形成趋势，而应变局部化的出现时间即可视为局部化带马上完全形成的时刻，从而本发明实施例将损伤集中系数变化曲线作为岩石指标，为岩石应变局部化起始时间的预测提供了一种新思路。
在一些可选的实施方式中，上述步骤S105还包括：
步骤d1，从当前时刻开始，统计连续接收多次声发射信号的接收时长。
步骤d2，基于接收的声发射信号次数和接收时长计算声发射撞击的声发射撞击率。
步骤d3，将经过接收时长的下一时刻作为当前时刻，返回步骤d1，重新计算下一时刻经过接收时长的声发射撞击率；
步骤d4，将单轴加载过程中计算的全部声发射撞击率按照时间排序，并根据排序后的声发射撞击率拟合得到声发射撞击率曲线，以将声发射撞击率曲线作为岩石指标。
具体地，本实施例本实施例还基于岩石单轴加载过程中微小破裂产生逐渐增多而导致声发射信号撞击频率逐渐增加的特性，计算了单轴加载过程中多个时间段（每个时间段是一个接收时长）的声发射撞击率，然后将单轴加载过程中计算的全部声发射撞击率按照时间排序，并根据排序后的声发射撞击率拟合得到声发射撞击率曲线。当应变局部化出现时，声发射撞击率应当显著增加，从而利用声发射撞击率曲线与上述指标综合预测岩石应变局部化起始时间，能够进一步提高岩石应变局部化起始时间预测的准确率。具体计算公式如下：
首先定义声发射传感器接收声发射信号撞击的时间间隔：
式中，t i代表第i个撞击发生时间，而t i-1代表的是上一个信号发生的时刻。然后，将发生N个连续撞击所用时间的平均值定义为此刻的事件间隔时间τ i，如下所示：
,i=2,3,…
针对τ 1，上述公式按如下进行修正：
在N个时间间隔之间的给定时间窗口内，声发射撞击的声发射撞击率F定义为τ i的倒数：
,i=1,2,…N
本发明实施例引入事件间隔时间函数F(τ)，函数反映了在N个声发射撞击的时间窗口中声发射撞击发生的平均频率。对于传统的声发射率的计算方法，一般是计算每秒或者每十秒的步距中涵盖的声发射撞击数，所以其每一步只有一条信息。而对于采用F(τ)来定义的新的声发射撞击率，其步距实际上是撞击本身，使用这种方式，F(τ)可以拥有更多的包含声发射信号撞击的信息。
在一些可选的实施方式中，限定声发射传感器的数量为多个，超声波发射探头的数量为一个，上述步骤S105还包括：
步骤e1，根据各个声发射传感器在每一个时刻接收的超声波发射探头发射的超声波信号，计算每个时刻声发射传感器接收的平均超声波信号；
步骤e2，针对每个时刻，基于对应的平均超声波信号和每个声发射传感器接收的超声波信号进行标准差计算，得到每个时刻对应的波速各向异性系数；
步骤e3，依时间顺序，根据每个时刻对应的波速各向异性系数拟合随时间变化的波速各向异性系数变化曲线，并将波速各向异性系数变化曲线作为岩石指标。
具体地，本实施例还提出了一种根据超声波波速预测应变局部化的起始时间的思路。具体通过一个超声波发射探头（如图2中的探头8）发射超声波，通过多个声发射传感器（如图2中的声发射传感器1-7）从不同方向接收超声波，当岩石未加载时，各路超声波信号的波速几乎相同，随着岩石在加载条件下趋于破坏，各路超声波信号的波速差异越来越大，离散程度越来越大，进而基于每个时刻的平均超声波信号和每个超声波发射探头发射的超声波信号进行标准差计算，得到表征每个时刻超声波波速离散程度的波速各向异性系数（波速标准差），进而通过波速各向异性系数随时间变化的趋势预测岩石应变局部化的起始时间，当局部化开始时，波速各向异性系数应当出现陡增的现象，从而为岩石应变局部化的起始时间预测提供了一个新的预测角度。
步骤S106，利用各个岩石指标综合预测岩石应变局部化的起始时间。
具体地，最后，本发明实施例通过上述岩石指标综合预测岩石应变局部化的起始时间，以避免单一指标预测不准确的问题。例如：当得到目标岩石的应力、应变或轴力随时间变化的规律以及声波速度、声波强度等随着时间变化的规律之后，每一种变化规律可以拟合成一条曲线，找到每一个曲线的拐点，并确定每一个拐点对应的时刻，再将得到的多个时刻求平均值，预测得到岩石应变局部化的起始时间。
本实施例采用从图像、声波两个角度确定各个指标表征岩石应变局部化的起始时间，最后将多个岩石应变局部化的起始时间进行统一和整合，得到了可靠性更高、准确度更高的岩石应变局部化起始时间。
在一些可选地实施方式中，上述步骤S106包括：
步骤f1，将损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线、波速各向异性系数变化曲线按照时间对齐；
步骤f2，从起始时刻向后遍历每个时刻，搜索到目标时刻，并将目标时刻作为岩石应变局部化的起始时间，目标时刻是损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线、波速各向异性系数变化曲线中至少有3个曲线在目标时刻对应点的斜率大于预设斜率阈值的时刻。
具体地，本实施例结合上述实施例生成的损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线和波速各向异性系数变化曲线4种岩石指标，从4个角度综合分析岩石应变局部化的起始时间，当出现岩石应变局部化现象时，上述4个指标应当会出现陡增的现象。由于上述四种曲线都是在同一次单轴实验过程中得出的，故每条曲线可以按照时间轴进行对齐，然后从起始时刻向后遍历每个时刻，如图5所示，基于上述曲线确定至少有3个曲线的斜率大于预设斜率阈值的时刻，作为岩石应变局部化起始时间的目标时刻。相比相关技术中只采用单一指标识别应变局部化的方法，本实施例显著提高了岩石应变局部化起始时间的预测准确率，实现了应变局部化起始时间的定量化预测。
如图5所示，在加载初期，砂岩的损伤集中系数与非均匀系数相对较低且稳定而通过超声测试所得的不同通道的波速各向异性系数也维持在一个较低水平，在前期轴向模量会有明显增大，而声发射率虽有上升趋势，但是整体基本是比较少的。可以看出在加载前期，从宏观角度来看砂岩由于压密而模量有所提升，但是其表面应变的差异性相对较小且并不集中，在细观上，内部损伤相对较小且并没有形成明显差异。而随着加载的进行，损伤集中系数与非均匀系数依旧在较低的水平，但是开始发生波动，而模量增大的趋势停止，开始维持恒定，同时波速的各向异性系数较前一阶段有一定的增大，但是变化依旧是细微的。但是当时间来到1220s左右时，除轴向模量以外其他四个参数均开始加速变化，表明此刻砂岩的变形开始不均匀，而这种不均匀的变形并没有体现在宏观尺度，该时间是处于微裂隙稳定发展阶段，表明砂岩在发生不可逆损伤之前，其局部化过程就已经开始了，但是这种局部化过程在初期并不会体现在宏观层面，而通过本实施例提供的方法，可以准确预测应变局部化的起始时间。
本发明实施例还提供了一种岩石应变局部化起始时间的预测装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
本实施例提供一种岩石应变局部化起始时间的预测装置，如图6所示，包括：
岩石处理模块601，用于对多面体形状的目标岩石的一个外表面喷制散斑图，并在目标岩石的其他外表面设置超声波发射探头和声发射传感器。详细内容参见上述方法实施例中步骤S101的相关描述，在此不再进行赘述。
加载模块602，用于对目标岩石进行单轴加载。详细内容参见上述方法实施例中步骤S102的相关描述，在此不再进行赘述。
声波信号采集模块603，用于在单轴加载的同时通过声发射传感器接收超声波发射探头发射的超声波信号以及目标岩石产生的声发射信号。详细内容参见上述方法实施例中步骤S103的相关描述，在此不再进行赘述。
图像采集模块604，用于在单轴加载的同时拍摄散斑图。详细内容参见上述方法实施例中步骤S104的相关描述，在此不再进行赘述。
指标计算模块605，用于通过散斑图、超声波信号和声发射信号计算多种随时间变化的岩石指标，岩石指标包括损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线和波速各向异性系数变化曲线，损伤非均匀系数变化曲线通过散斑图得到，用于表征散斑图的斑点的离散度随时间变化的关系，损伤集中系数变化曲线通过散斑图得到，用于表征岩石局部化带的形成程度随时间变化的关系，声发射频率曲线通过声发射信号得到，用于表征岩石声发射撞击率随时间变化的关系，波速各向异性系数变化曲线通过超声波信号得到，用于表征超声波波速随时间变化的关系。详细内容参见上述方法实施例中步骤S105的相关描述，在此不再进行赘述。
综合分析模块606，用于利用各个岩石指标综合预测岩石应变局部化的起始时间。详细内容参见上述方法实施例中步骤S106的相关描述，在此不再进行赘述。
本实施例中的一种岩石应变局部化起始时间的预测装置是以功能单元的形式来呈现，这里的单元是指ASIC电路，执行一个或多个软件或固定程序的处理器和存储器，和/或其他可以提供上述功能的器件。
上述各个模块和单元的更进一步的功能描述与上述对应实施例相同，在此不再赘述。
本发明实施例还提供一种岩石应变局部化起始时间的预测设备，具有上述图6所示的岩石应变局部化起始时间的预测装置。
请参阅图7，图7是本发明可选实施例提供的一种岩石应变局部化起始时间的预测设备的结构示意图，如图7所示，该设备包括：存储器20、处理器10、喷枪装置30、摄像头40、声发射传感器60、超声波发射探头70和加载装置50。喷枪装置30、摄像头40、加载装置50、声发射传感器60和超声波发射探头70分别与处理器10通信连接，喷枪装置30用于对多面体形状的目标岩石喷涂散斑，摄像头40用于拍摄目标岩石上的散斑图，声发射传感器60用于接收超声波信号和声发射信号，超声波发射探头70用于发射超声波信号，加载装置50用于对目标岩石进行单轴加载。加载装置50可以采用美国MTS810电液伺服加载试验机，超声波发射探头70可内置高压脉冲发射卡，声发射传感器60可采用压电陶瓷传感器。
处理器10可以对在计算机设备内执行的指令进行处理，包括存储在存储器中或者存储器上以在外部输入/输出装置(诸如，耦合至接口的显示设备)上显示GUI的图形信息的指令。在一些可选的实施方式中，若需要，可以将多个处理器和/或多条总线与多个存储器和多个存储器一起使用。同样，可以连接多个计算机设备，各个设备提供部分必要的操作(例如，作为服务器阵列、一组刀片式服务器、或者多处理器系统)。图7中以一个处理器10为例。
处理器10可以是中央处理器，网络处理器或其组合。其中，处理器10还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路，可编程逻辑器件或其组合。上述可编程逻辑器件可以是复杂可编程逻辑器件，现场可编程逻辑门阵列，通用阵列逻辑或其任意组合。
其中，存储器20存储有可由至少一个处理器10执行的指令，以使至少一个处理器10执行实现上述实施例示出的方法。
存储器20可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据一种小程序落地页的展现的计算机设备的使用所创建的数据等。此外，存储器20可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非瞬时存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非瞬时固态存储器件。在一些可选的实施方式中，存储器20可选包括相对于处理器10远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该计算机设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
存储器20可以包括易失性存储器，例如，随机存取存储器；存储器也可以包括非易失性存储器，例如，快闪存储器，硬盘或固态硬盘；存储器20还可以包括上述种类的存储器的组合。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，上述根据本发明实施例的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可记录在存储介质，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程存储介质或非暂时机器可读存储介质中并将被存储在本地存储介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件的存储介质上的这样的软件处理。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体、随机存储记忆体、快闪存储器、硬盘或固态硬盘等；进一步地，存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件，当软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现上述实施例示出的方法。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种岩石应变局部化起始时间的预测方法，其特征在于，所述方法包括：
对多面体形状的目标岩石的一个外表面喷制散斑图，并在所述目标岩石的其他外表面设置超声波发射探头和声发射传感器；
对所述目标岩石进行单轴加载；
在单轴加载的同时通过所述声发射传感器接收所述超声波发射探头发射的超声波信号以及目标岩石产生的声发射信号；
在单轴加载的同时拍摄所述散斑图；
通过所述散斑图、所述超声波信号和所述声发射信号计算多种随时间变化的岩石指标，所述岩石指标包括损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线和波速各向异性系数变化曲线，所述损伤非均匀系数变化曲线通过所述散斑图得到，用于表征散斑图的斑点的离散度随时间变化的关系，所述损伤集中系数变化曲线通过所述散斑图得到，用于表征岩石局部化带的形成程度随时间变化的关系，所述声发射频率曲线通过所述声发射信号得到，用于表征岩石声发射撞击率随时间变化的关系，所述波速各向异性系数变化曲线通过所述超声波信号得到，用于表征超声波波速随时间变化的关系；
利用各个岩石指标综合预测岩石应变局部化的起始时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述声发射传感器接收所述超声波发射探头发射的超声波信号以及目标岩石产生的声发射信号，包括：
通过所述声发射传感器接收混合信号，所述混合信号包括所述超声波发射探头发射的超声波信号和目标岩石产生的声发射信号；
基于信号幅值从所述混合信号中划分所述超声波信号和所述声发射信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取所述损伤非均匀系数变化曲线的步骤，包括：
获取所述散斑图在单轴加载初始时刻的图像作为未变形图像，并对所述未变形图像划分网格；
以预设时间间隔将单轴加载过程中各个时刻的散斑图与所述未变形图像进行匹配，确定图像中各个时刻的网格位移；
根据所述网格位移计算每个网格在每个时刻的应变信息；
根据每个网格在每个时刻的应变信息，计算每个时刻全部网格对应的平均应变信息；
针对每个时刻，基于对应的平均应变信息和每个网格对应的应变信息进行标准差计算，得到每个时刻对应的损伤非均匀系数；
依时间顺序，根据每个时刻对应的损伤非均匀系数拟合随时间变化的损伤非均匀系数变化曲线，并将所述损伤非均匀系数变化曲线作为所述岩石指标。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，获取所述损伤集中系数变化曲线的步骤，包括：
根据每个网格在每个时刻的应变信息从所述散斑图中确定若干目标网格，所述目标网格对应的最大主应变数值大于所述散斑图中其他网格对应的最大主应变数值；
在所述散斑图中建立坐标系，并根据所述坐标系确定每个目标网格在每个时刻的坐标；
基于每个目标网格在每个时刻的坐标计算每个时刻对应的平均坐标；
针对每个时刻，通过每个目标网格的坐标与所述平均坐标进行相关性分析，计算得到每个时刻的损伤集中系数；
依时间顺序，根据每个时刻对应的损伤集中系数拟合随时间变化的损伤集中系数变化曲线，并将所述损伤集中系数变化曲线作为所述岩石指标。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，获取所述声发射频率曲线的步骤，包括：
从当前时刻开始，统计连续接收多次声发射信号的接收时长；
基于接收的声发射信号次数和所述接收时长计算声发射撞击的声发射撞击率；
将经过所述接收时长的下一时刻作为所述当前时刻，返回所述从当前时刻开始，统计连续接收多次声发射信号的接收时长的步骤，重新计算下一时刻经过接收时长的声发射撞击率；
将单轴加载过程中计算的全部声发射撞击率按照时间排序，并根据排序后的声发射撞击率拟合得到声发射频率曲线，以将所述声发射频率曲线作为所述岩石指标。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述声发射传感器的数量为多个，所述超声波发射探头的数量为一个，获取所述波速各向异性系数变化曲线的步骤，包括：
根据各个声发射传感器在每一个时刻接收的超声波发射探头发射的超声波信号，计算每个时刻声发射传感器接收的平均超声波信号；
针对每个时刻，基于对应的平均超声波信号和每个声发射传感器接收的超声波信号进行标准差计算，得到每个时刻对应的波速各向异性系数；
依时间顺序，根据每个时刻对应的波速各向异性系数拟合随时间变化的波速各向异性系数变化曲线，并将所述波速各向异性系数变化曲线作为所述岩石指标。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用各个岩石指标综合预测岩石应变局部化的起始时间，包括：
将所述损伤非均匀系数变化曲线、所述损伤集中系数变化曲线、所述声发射频率曲线、所述波速各向异性系数变化曲线按照时间对齐；
从起始时刻向后遍历每个时刻，搜索到目标时刻，并将所述目标时刻作为岩石应变局部化的起始时间，所述目标时刻是所述损伤非均匀系数变化曲线、所述损伤集中系数变化曲线、所述声发射频率曲线、所述波速各向异性系数变化曲线中至少有3个曲线在所述目标时刻对应点的斜率大于预设斜率阈值的时刻。
8.一种岩石应变局部化起始时间的预测装置，其特征在于，所述装置包括：
岩石处理模块，用于对多面体形状的目标岩石的一个外表面喷制散斑图，并在所述目标岩石的其他外表面设置超声波发射探头和声发射传感器；
加载模块，用于对所述目标岩石进行单轴加载；
声波信号采集模块，用于在单轴加载的同时通过所述声发射传感器接收所述超声波发射探头发射的超声波信号以及目标岩石产生的声发射信号；
图像采集模块，用于在单轴加载的同时拍摄所述散斑图；
指标计算模块，用于通过所述散斑图、所述超声波信号和所述声发射信号计算多种随时间变化的岩石指标，所述岩石指标包括损伤非均匀系数变化曲线、损伤集中系数变化曲线、声发射频率曲线和波速各向异性系数变化曲线，所述损伤非均匀系数变化曲线通过所述散斑图得到，用于表征散斑图的斑点的离散度随时间变化的关系，所述损伤集中系数变化曲线通过所述散斑图得到，用于表征岩石局部化带的形成程度随时间变化的关系，所述声发射频率曲线通过所述声发射信号得到，用于表征岩石声发射撞击率随时间变化的关系，所述波速各向异性系数变化曲线通过所述超声波信号得到，用于表征超声波波速随时间变化的关系；
综合分析模块，用于利用各个岩石指标综合预测岩石应变局部化的起始时间。
9.一种岩石应变局部化起始时间的预测设备，其特征在于，包括：存储器、处理器、喷枪装置、摄像头、声发射传感器、超声波发射探头和加载装置；
所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行权利要求1至7中任一项所述的方法；
所述喷枪装置、所述摄像头、所述加载装置、所述声发射传感器和超声波发射探头分别与所述处理器通信连接，所述喷枪装置用于对多面体形状的目标岩石喷涂散斑，所述摄像头用于拍摄目标岩石上的散斑图，所述声发射传感器用于接收超声波信号和声发射信号，所述超声波发射探头用于发射超声波信号，所述加载装置用于对目标岩石进行单轴加载。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至7中任一项所述的方法。
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