岩石压裂声发射源定位方法的数值模拟研究

摘要

随着我国高铁技术的迅速发展，深埋长大隧道的设计应用日益增多，而这些隧道常常需要穿越一些不良地质、岩体破碎和岩性不稳定地区，在施工过程中会因开挖、爆破等外力作用产生扰动，导致原本受力平衡的岩体应力发生重新分配，在应力重分配的过程中应力会通过弹性波的形式释放出来，即声发射现象。声发射源产生的信号包含了岩体破裂点位置、释放能量大小、规模等有关岩体损伤程度的信息。因此可以通过分析声发射信号研究岩体损伤的演化规律。而其中最受关心的是岩体受扰动的位置，也就是声发射源的位置。通过确定声发射源的位置达到对整个岩体的稳定性评价的目的。
　　本文介绍了声发射技术的理论基础、常用的定位方法及主要应用领域，总结了声发射特性并分析了影响声发射定位精度的主要因素。针对现有定位软件仅根据单一声发射事件的P波进行定位的不足，提出了结合概率统计中的变异系数用S波对两个连续发生的声发射源进行定位的方法，主要研究内容有:
　　1、利用有限元数值模拟方法模拟连续产生的两个声发射源的波场，直观的揭示了两个连续声发射源产生的波场传播特征。
　　2、岩石声发射波场是包含P波，S波和面波及来自各个岩层分界面产生的干扰波构成的复杂波场。数值模拟的结果表明P波和S波经过界面反射和折射以后，产生的各种波型对第二个声发射源产生的P波影响较大，S波影响较小。基于能量、幅值关系，提出了利用具有强能量、强幅值的横波对连续产生的两个声发射源定位。
　　3、连续产生的两个声发射源的波场经过相互干涉、重叠会导致原本振幅较小的波型振幅变大，如果直接拾取振幅较大的S波进行定位可能会导致定位不准。针对这种情况，引入概率统计中的变异系数对每组声发射源定位结果进行判定，筛除定位偏差较大的定位点。
　　本文的研究为利用S波初至到时实现对连续产生的两个声发射源进行定位提供了理论基础，该方法有效的解决了连续发生的两个声发射源所产生的波场之间相互干扰情况下的定位。对于岩石大规模的声发射事件定位，预测岩体损伤区域和演化规律具有重要的现实意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 声发射技术发展概述

1．2．2 声发射技术在损伤检测中的应用

1．3 本文主要研究内容及技术路线

1．3．1 论文的主要研究内容

1．3．2 论文的研究方法和技术路线

1．4 本论文的创新点

第2章 声发射信号及源定位方法的基本理论

2．1 声发射技术理论基础

2．1．1 声发射信号的产生机理

2．1．2 声发射信号的特性

2．1．3 声发射信号的传播原理

2．2 声发射信号的处理方法及分析

2．2．1 声发射信号的能量分析

2．2．2 声发射信号的相关性分析

2．2．3 声发射信号的幅度分析法

2．3 声发射源定位方法的理论基础

2．3．1 Geiger算法

2．3．2 声发射源的时差平面定位方法

本章小结

第3章 声发射信号有限元数值模拟

3．1 有限元数值分析方法理论

3．2 岩石的弹性波场数值模型

3．2．1 单元类型的选择

3．2．2 网格尺寸的剖分

3．2．3 边界条件

3．2．4 声发射源模拟

本章小结

第4章 岩石压裂声发射源数值模拟波场的特征分析

4．1 单个声发射源的数值模拟的波场分析

4．1．1 数值模型

4．1．2 声发射源的波场快照及地震波记录分析

4．2 两个声发射源的数值模拟的波场分析

4．2．1 数值模型

4．2．2 声发射源的波场快照及地震波记录分析

4．3．波场中的波型转换及边界面处的能量分配

本章小结

第5章 声发射源定位方法的研究

5．1 基于变异系数的横波幅值分析定位方法

5．1．1 变异系数CV

5．1．2 滑动窗长

5．2 单个声发射源定位

5．3 两个声发射源定位

5．3．1 两个声发射源的S波定位及结果分析

5．3．2 加白噪声的两个声发射源的S波定位及结果分析

本章小结

结论

致谢

参考文献