基于声发射的花岗岩拉剪破裂识别方法研究

摘要

在水电能源开发、深部矿产资源开采、交通隧道建设以及核废料地下处置等大型深部地下工程中，岩爆、冒顶以及坍塌等岩石失稳破坏频繁发生，往往会阻碍工程施工的顺利进行，甚至会造成严重的人员伤亡。而这些岩石失稳破坏是由岩体内部张拉与剪切破裂逐步发育所导致。声发射作为岩石破裂的伴生现象，可通过其参数特征和波形特征描述岩石内部拉剪破裂的演化过程。因此，开展基于声发射的岩石拉剪破裂识别方法研究，可为各种岩石破坏机制的揭示提供有效的手段，具有十分重要的理论意义和工程实用价值。主要研究内容和结论如下:
　　(1)开展花岗岩三点弯曲和直剪声发射试验，获得张拉型与剪切型声发射信号，并分析声发射信号的参数特征。同时，利用变分模态分解方法将声发射信号分解为四个模态信号，计算并对比张拉型和剪切型声发射信号的每个模态信号的样本熵，选取SampEn-4（第四个模态信号的样本熵）作为一种新的声发射波形特征。
　　(2)通过分析三点弯曲与直剪试验声发射信号幅度与SampEn-4散点分布图，发现大部分张拉型声发射信号具有低幅度、低SampEn-4的特点;而剪切型声发射信号主要有两种:一种具有高幅度、低SampEn-4的特点;另一种具有低幅度、高SampEn-4的特点。张拉型与剪切型声发射信号的特征存在较大差异，这为建立声发射信号识别模型奠定了基础。
　　(3)提出了一种基于声发射的岩石拉剪破裂识别方法。利用高斯过程二元分类方法，通过声发射信号类别与其幅度和SampEn-4两种特征的映射关系，建立岩石拉剪声发射信号的识别模型，实现张拉型与剪切型声发射信号的自动识别，进而获知岩石的破裂类型（张拉破裂或剪切破裂）。利用提出的方法对三点弯曲与直剪试验岩样的拉剪破裂进行识别，结果表明三点弯曲试验的张拉破裂占90％以上，而直剪试验的张拉破裂与剪切破裂各占50％左右，这与以往的试验结果相近，验证了方法的可靠性。此外，提出的方法能够克服传统的基于声发射参数判别法需要着重考虑比值k（平均频率与RA值的比值）以及对传感器布置位置较敏感的局限，表明该方法有更强的适应性。
　　(4)利用提出的识别方法分析了花岗岩巴西圆盘和应变型岩爆试验岩样的拉剪破裂演化过程。发现在巴西圆盘试验中，岩样的破裂以张拉破裂为主，张拉破裂占比在80％以上，试验结果与以往研究相符，再次验证了提出的识别方法的可行性。结合应变型岩爆试验中岩样的破坏过程和破坏形态，发现应变型岩爆是一种由外部张拉破裂逐渐影响内部发生剪切破裂的岩石破坏过程。岩样在加载前期以张拉破裂为主;随着应力的增加，剪切破裂越来越多，并多于张拉破裂;在岩爆破坏前夕的“平静期”阶段，剪切破裂占主导地位，对应的声发射信号幅度极高，这可作为岩爆预警的有效前兆信息。从拉剪机制的角度初步揭示了应变型岩爆的机理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 声发射信号分析与机器学习方法

1．2．2 岩石破坏的声发射研究

1．3 目前研究存在的不足

1．4 研究内容、方法及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法

1．4．3 技术路线

2．1 引言

2．2 真三轴多功能压力机

2．3 声发射监测系统

2．4 岩样制备

2．5 试验方案

2．6 试验结果

2．6．1 破坏形态

2．6．2 声发射信号的幅度变化特征

2．6．3 声发射参数特征的分布特点

2．7 小结

第三章 岩石张拉型与剪切型声发射信号的波形特征分析

3．1 引言

3．2 非平稳信号的分析理论

3．2．1 信号的变分模态分解

3．2．2 信号的样本熵

3．3 岩石张拉型与剪切型声发射信号的波形分析和特征提取

3．3．1 声发射信号波形前处理

3．3．2 岩石典型声发射信号的变分模态分解与分析

3．3．3 声发射信号波形特征的分布特点

3．4 小结

4．1 引言

4．2 高斯过程分类方法

4．3 基于高斯过程岩石拉剪声发射信号识别模型的建立

4．3．1 建立识别模型的关键技术

4．3．2 建立识别模型的具体步骤

4．4 三点弯曲试验和直剪试验的拉剪破裂识别

4．5 小结

第五章 花岗岩劈裂破坏与岩爆破坏的拉剪破裂演化过程

5．1 引言

5．2 花岗岩巴西圆盘试验的拉剪破裂演化过程

5．2．1 试验方案

5．2．2 试验结果

5．2．3 岩样的拉剪破裂演化过程

5．3 花岗岩应变型岩爆试验的拉剪破裂演化过程

5．3．1 试验方案

5．3．2 试验结果

5．3．3 岩样的拉剪破裂演化过程

5．3．4 对应变型岩爆孕育机制的探讨

5．4 小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

论文发表及参加科研项目情况