一种基于声发射特征的散粒体间破坏行为的早期预警方法与流程

1.本发明涉及岩土工程与声学技术领域，具体为一种基于声发射特征的散粒体间破坏行为的早期预警方法。


背景技术：

2.随着经济的快速发展，我国的基础设施建设事业迎来了蓬勃发展，超高层建筑、超深基坑不断出现，但地基失稳、基坑坍塌，路堤塌方等各种工程问题也时有发生。这些工程事故不仅会造成严重的生命财产损失，还会对我国的基础建设事业造成不良的影响。研究表明，以散粒体为特征的岩土体的力学破坏是逐渐发展的，一般从应变局部化发展到剪切带，并随着剪切带进一步发展到完全破坏。剪切带的发展控制着散粒体破坏的模式及规模，而剪切带的启动（即初始应变局部化）可以为散粒体破坏的早期预警提供有益的信息。因此，了解剪切带的起始和演化对于探索散粒体破坏机制的本质，发布散粒体破坏的早期预警信息，避免工程事故的发生至关重要。
3.近年来，大量的学者已经通过使用钻孔倾斜仪、光纤传感、地磁感应、三维激光扫描等技术来实现散粒体破坏的早期预警。但是钻孔倾斜仪只能测量传感器位置处的变形，对于整个散粒体土体的变形缺乏全面直观的认识，测量精度较低，预警效果较差；而光纤传感技术具有高精准度、分布式监控等优点，但该技术仅限于面式监测，也不能较好的反应散粒体内部破坏变形情况；地磁感应、三维激光扫描等技术可以自动化、全监控、实时监控式、高精准度地监控散粒体内部的变形，但数据处理复杂，易受检测环境的影响，也极大地影响了散粒体破坏的早期预警的及时性、精准性。
4.声发射是指由于受应力材料的应力集中或应变局部化而突然释放存储的应变能而产生的弹性体波。这种弹性波能够被声发射传感器实时、连续地捕获，并用于诊断受压材料的劣化程度和失效过程。研究表明，材料在破坏期间会表现出某些特性，如材料是渐进破坏的，最薄弱的部分往往最先破裂，在此期间它们会产生先兆的“微裂纹”和在材料中传播的相关弹性波。基于此，正在迅速发展的声发射方法，有望为材料即将到来的不稳定性提供新的见解。
5.所以我们提出了一种基于声发射特征的散粒体间破坏行为的早期预警方法，以便于解决上述中提出的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于声发射特征的散粒体间破坏行为的早期预警方法，以解决上述背景技术提出的目前市场上出现的任一项问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于声发射特征的散粒体间破坏行为的早期预警方法，包括如下步骤：s01将预制好的试样放置在三轴加载装置内部的基座上；s02在s01中置放的试样侧壁上安装声发射测量系统，等待进行试验；
s03控制三轴装置的围压系统和控制三轴装置的加载系统对s02中的试样进行破坏；s04获取加载全过程加载装置施加给试样的偏差应力，获取加载全过程中试样产生的轴向应变，并通过声发射测量系统全程获取试样在破坏过程中产生的原始声发射时域电信号；s05处理分析声发射原始时域电信号，提取声发射特征参数声发射事件率，根据峰值偏差应力和峰值声发射事件率判断试样破坏行为，通过分析后的数据出现的时间先后顺序，及时有效地发布材料破坏的早期预警信息。
8.优选的，所述s05中峰值偏差应力和峰值声发射事件率判断试样破坏行为包括：通过偏差应力确定试样破坏过程中的偏差应力随轴向应变变化曲线；通过原始声发射时域电信号确定试样破坏过程中的声发射事件率随轴向应变变化曲线。
9.优选的，通过轴向应变关系曲线确定峰值偏差应力；通过轴向应变关系曲线确定峰值声发射事件率；通过峰值偏差应力和峰值声发射事件率确定试样的破坏行为。
10.优选的，所述s05中分析后的数据出现的时间先后顺序，发布材料破坏的早期预警信息包括：通过轴向应变关系曲线确定峰值偏差应力所对应的轴向应变；通过轴向应变关系曲线确定峰值声发射事件率所对应的轴向应变。
11.优选的，对比峰值偏差应力、峰值声发射事件率出现的时间先后顺序，发布材料破坏的早期预警信息。
12.优选的，试样峰值偏差应力、峰值声发射事件率出现的时间先后顺序包括：峰值后阶段、峰值阶段和峰值前阶段三个阶段。
13.优选的，当三轴装置的围压系统对试样施加的围压低时，峰值声发射事件率迟于峰值偏差应力出现时为所述的峰值后阶段。
14.优选的，当三轴装置的围压系统对试样施加的围压适中时，峰值声发射事件率与峰值偏差应力同时出现时为所述的峰值阶段。
15.优选的，当三轴装置的围压系统对试样施加的围压高时，峰值声发射事件率先于峰值偏差应力出现时为所述的峰值前阶段；三轴装置的围压系统对试样施加高围压时，峰值声发射事件率先于峰值偏差应力出现的现象，可基于声发射特征发布试样破坏行为的早期预警信息。
16.优选的，所述试样为散粒体。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在三轴装置中的底部基座上放置圆柱形散粒体试样，在试样侧壁上安装声发射测量系统，控制三轴装置的围压系统，控制三轴装置的加载系统对散粒体试样进行破坏，获取加载全过程加载装置施加给散粒体试样的偏差应力，获取加载全过程中散粒体试样产生的轴向应变，并通过声发射测量系统全程获取散粒体试样在破坏过程中产生的原始声发射时域电信号，处理分析声发射原始时域电信号，提取声发射特征参数声发射事件率，根据峰值偏差应力和峰值声发射事件率判断散粒体试样破坏行为，根据峰值偏差应
力、峰值声发射事件率出现的时间先后顺序，可及时有效地发布散粒体材料破坏的早期预警信息，简化了预警的过程，提高了预警效率。
附图说明
18.图1为本发明一种基于声发射特征的散粒体间破坏行为的早期预警方法流程示意图；图2为本发明中三轴加载试验装置及高精度声发射测量系统示意图；图3为本发明一种基于声发射特征的散粒体硅砂破坏行为的早期预警方法流程示意图；图4为本发明散粒体硅砂破坏过程中激发的声发射原始时域电信号示意图；图5为本发明声发射事件定义示意图；图6为本发明散粒体硅砂破坏过程中偏差应力随轴向应变变化曲线的示意图；图7为本发明散粒体硅砂破坏过程中声发射事件率随轴向应变变化曲线的示意图；图8为本发明根据实验数据建立的峰值偏差应力-峰值声发射事件率-轴向应变关系曲线。
具体实施方式
19.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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通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。
20.请参阅图1-图8，本发明提供一种技术方案：一种基于声发射特征的散粒体间破坏行为的早期预警方法，包括如下步骤：s01将预制好的试样放置在三轴加载装置内部的基座上；s02在s01中置放的试样侧壁上安装声发射测量系统，等待进行试验；s03控制三轴装置的围压系统和控制三轴装置的加载系统对s02中的试样进行破坏；s04获取加载全过程加载装置施加给试样的偏差应力，获取加载全过程中试样产生的轴向应变，并通过声发射测量系统全程获取试样在破坏过程中产生的原始声发射时域电信号；s05处理分析声发射原始时域电信号，提取声发射特征参数声发射事件率，根据峰值偏差应力和峰值声发射事件率判断试样破坏行为，通过分析后的数据出现的时间先后顺序，及时有效地发布材料破坏的早期预警信息。
21.s05中峰值偏差应力和峰值声发射事件率判断试样破坏行为包括：通过偏差应力确定试样破坏过程中的偏差应力随轴向应变变化曲线；通过原始声发射时域电信号确定试样破坏过程中的声发射事件率随轴向应变变化曲线。
22.通过轴向应变关系曲线确定峰值偏差应力；通过轴向应变关系曲线确定峰值声发
射事件率；通过峰值偏差应力和峰值声发射事件率确定试样的破坏行为。
23.s05中分析后的数据出现的时间先后顺序，发布材料破坏的早期预警信息包括：通过轴向应变关系曲线确定峰值偏差应力所对应的轴向应变；通过轴向应变关系曲线确定峰值声发射事件率所对应的轴向应变。
24.对比峰值偏差应力、峰值声发射事件率出现的时间先后顺序，发布材料破坏的早期预警信息。
25.试样峰值偏差应力、峰值声发射事件率出现的时间先后顺序包括：峰值后阶段、峰值阶段和峰值前阶段三个阶段。
26.当三轴装置的围压系统对试样施加的围压低时，峰值声发射事件率迟于峰值偏差应力出现时为的峰值后阶段。
27.当三轴装置的围压系统对试样施加的围压适中时，峰值声发射事件率与峰值偏差应力同时出现时为的峰值阶段。
28.当三轴装置的围压系统对试样施加的围压高时，峰值声发射事件率先于峰值偏差应力出现时为的峰值前阶段；三轴装置的围压系统对试样施加高围压时，峰值声发射事件率先于峰值偏差应力出现的现象，可基于声发射特征发布试样破坏行为的早期预警信息。
29.试样为散粒体。
30.实施例一本实施例中所测试的散粒体试样形状呈圆柱形的散粒体硅砂试样，粒径在0.075mm~5mm，试样通过落砂法制备而成，圆柱形散粒体硅砂试样尺寸为：直径50mm
×
高100mm，并在圆柱形散粒体试样侧壁上包裹厚度为0.3mm的橡胶膜。
31.松散状态下所测试的圆柱形散粒体硅砂试样的初始相对密度在60%左右，密实状态下所测试的圆柱形散粒体硅砂试样的初始相对密度在90%左右；圆柱形散粒体硅砂试样在试验前以及试验过程中置于干燥条件下，每种密实度的试样进行3次测试。
32.声发射测量系统包括：声发射传感器和声发射传感器头部粘贴的尺寸为10mm
×
10mm
×
1mm的铝板，同时配合信号放大器、高性能数据采集仪和数据存储器对采集的数据进行处理分析并储存。
33.其中，声发射传感器（型号：m304a）是由富士陶瓷公司生产的压电陶瓷型传感器，探头内置有增益为20
±
2db的前置放大器，传感器工作频率为10khz-5mhz （谐振频率为300khz)，灵敏度为115
±
3db （参考：0db=1v/m/s)；声发射信号放大器（型号：a1201）是由富士陶瓷公司生产的信号放大器，其增益为53
±
3db；数据采集仪（型号：pxie-6366）是由美国ni公司所生产，其采样速率为2ms/s。
34.结合图2，加载试验装置，包括：基座、透水石、加载杆、顶端压板、载荷传感器、有机玻璃圆筒、限位装置、加载活塞、外部位移传感器、锁定装置、声发射传感器、声发射信号放大器、数据采集仪、数据存储器。
35.其中，通过基座和顶端压板作为固体压头，基座和顶端压板采用金属材料，但不限于金属材料，本领域技术人员可根据实际需求做出合适的选择，在此不再进行详细的赘述；
通过有机玻璃圆筒安装在壳体上形成封闭的加载室，可通过底部充气阀施加所设定的围压应力；载荷传感器设置在所述加载活塞的推进端，用于测量所述加载活塞施加给所述目标试样的轴向荷载；限位装置设置在所述加载杆、加载活塞的端部，用于控制加载杆、加载活塞以预定的加载速度上下推进；声发射信号放大器连接声发射传感器，用于进一步对接收到的声发射信号进行放大，及提高信号的信噪比；数据采集仪连接声发射信号放大器，用于连续记录声发射原始时域电信号；数据存储器连接数据采集仪，用于连续存储声发射原始时域电信号。
36.工作原理为：通过底部充气阀控制围压应力，及通过加载杆、加载活塞破坏试样的过程中，通过载荷传感器获取加载试验装置施加给目标试样的偏应力，通过外部位移传感器获取加载时破坏目标试样时产生的轴向应变，通过高性能声发射测量系统获取目标试样在破坏过程中产生的原始声发射时域信号。
37.请参阅图1-图8，一种基于声发射特征的散粒体间破坏行为的早期预警方法，包括如下步骤：s01将预制好的散粒体试样放置在三轴加载装置内部的基座上；s02在s01中置放的散粒体试样侧壁上安装声发射测量系统的采样件，等待进行试验；采样件为声发射传感器和铝板，声发射传感器上的铝板通过胶水胶黏在圆柱形试样侧壁的橡胶膜上。
38.s03控制三轴装置的围压系统和控制三轴装置的加载系统对s02中的散粒体试样进行破坏；目标围压应力设置为100kpa，200kpa，400kpa，600kpa；并且对试样以5kpa/min的加载速率各向同性加载至目标围压应力。测试过程中三轴装置的加载系统，对试样以0.10%/min的恒定应变率对试样进行排水三轴压缩试验，排水三轴压缩试验在轴向应变为30%时，停止加载。
39.s04获取加载全过程加载装置施加给散粒体试样的偏差应力，获取加载全过程中散粒体试样产生的轴向应变，并通过声发射测量系统全程获取散粒体试样在破坏过程中产生的原始声发射时域电信号；偏差应力可由荷载传感器所测得的当前轴向载荷除以当前横截面积来计算，且该横截面积可通过恒定样品体积除以当前样品高度进行校正。
40.其计算公式：轴向应变可通过轴向位移进行计算求得。通过轴向位移除以试样的原始高度来求得轴向应变。
41.加载装置的荷载传感器的采样频率设置为1s/s，外部位移传感器采样频率设置为1s/s，声发射测量系统采样频率设置为2ms/s；采集的原始声发射时域信号如图4所示；同时采集的声发射信号主要来源为颗粒滑移、颗粒摩擦、颗粒内部裂纹的萌生和发展等。
42.s05处理分析声发射原始时域电信号，提取声发射特征参数声发射事件率，根据峰值偏差应力和峰值声发射事件率判断散粒体试样破坏行为；声发射测量系统接收的原始声发射时域电信号，分析时应根据电气和环境噪声引
起的电压水平，设置电压阈值，判断逻辑为一旦信号超过阈值，声发射信号即被识别并定义为一次声发射事件（如图5所示），以固定时间间隔累计声发射事件量并定义为声发射事件率。
43.其中，散粒体试样破坏过程中的偏差应力为轴向应变变化曲线；散粒体硅砂试样破坏过程中的声发射事件率随轴向应变变化曲线；根据偏差应力、轴向应变关系曲线确定峰值偏差应力。（如图6所示）通过以上得知的峰值应力反映了砂子可以承受的剪切应力的大小，通常与砂子的初期破坏相关。
44.根据声发射事件率、轴向应变关系曲线确定峰值声发射事件率。（如图7所示）峰值声发射命中率，代表最严重的粒子相互作用，与砂子的破坏相关；根据峰值偏差应力和峰值声发射事件率确定散粒体硅砂试样的破坏行为。
45.通过分析后的数据出现的时间先后顺序，及时有效地发布材料破坏的早期预警信息。
46.其中，分析后的数据出现的时间先后顺序，发布材料破坏的早期预警信息包括：偏差应力和声发射事件率；偏差应力是通过轴向应变关系曲线确定峰值偏差应力所对应的轴向应变；声发射事件率是通过轴向应变关系曲线确定峰值声发射事件率所对应的轴向应变。
47.建立并对比峰值偏差应力、峰值声发射事件率出现的时间先后顺序，发布材料破坏的早期预警信息。（如图8所示）其中，散粒体试样峰值偏差应力、峰值声发射事件率出现的时间先后顺序包括：第一阶段：峰值后阶段，当三轴装置的围压系统对散粒体试样施加的围压低（如100kpa，200kpa）时，峰值声发射事件率迟于峰值偏差应力出现时为的峰值后阶段。
48.第二阶段：峰值阶段，当三轴装置的围压系统对散粒体试样施加的围压适中时，峰值声发射事件率与峰值偏差应力同时出现时为的峰值阶段。
49.第三阶段：峰值前阶段，当三轴装置的围压系统对散粒体试样施加的围压高（如600kpa）时，峰值声发射事件率先于峰值偏差应力出现时为的峰值前阶段；三轴装置的围压系统对散粒体试样施加高围压时，峰值声发射事件率先于峰值偏差应力出现的现象，可基于声发射特征发布散粒体试样破坏行为的早期预警信息。
50.本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
51.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。