基于高频声发射特性的砂土颗粒破碎行为全过程表征方法

本发明涉及基于高频声发射特性的砂土颗粒破碎行为全过程表征方法，属于岩土工程与声学。

背景技术：

1、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。砂土体在破坏过程中表现出明显的渐进式破坏特性，一般由局部应变化发展为剪切带，并随着剪切带的进一步发展至完全破坏。剪切带萌生发展是渐进式破坏的关键所在，对其深刻认识需从微观力学机制入手。砂土的微观力学机制主要表现为颗粒破碎和粒间滑移等，其中颗粒破碎影响机制尤为显著。颗粒破碎多集中于剪切带内，以颗粒研磨、劈裂、碎屑化等形式引起粒径级配重分布，改变着砂土的剪切应力-应变-强度特性，如：抑制剪胀、降低摩擦角、改变强度特性和临界状态等，加剧了土体结构性软化；同时，颗粒破碎伴随着局部应力调整，牵引着剪切带的发展轨迹，进而影响砂土地基、路基等渐进式破坏的形态和规模。基于传统连续介质和唯象的常规土力学理论和方法，难以揭示岩土体复杂宏观力学问题的深层机理，深刻认识包括剪切应力-应变-强度渐变特性在内的砂土剪切带萌生发展机制，核心在于探究颗粒破碎等微观力学行为规律及影响机制。

2、人们已充分认识到岩土材料宏微观物理力学行为间密切关联，并通过以数字图像(dic)、x射线断层扫描(x-ray ct)等为代表的实验技术手段为两者搭建了桥梁，从颗粒运动轨迹、形态变化等角度，深刻了对砂土等岩土材料渐进式破坏机制的认识，但仍难以实时连续、三维可视化材料内部微观力学行为。原因在于dic技术局限于表面二维观测；x-rayct技术需以牺牲试验连续性为代价，满足x射线环扫试样的长时间操作需求，且设备价格昂贵。

3、考虑到前述挑战，仍然需要一种可以实现颗粒土壤中颗粒相互作用的定量和演化测量的测量方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供基于高频声发射特性的砂土颗粒破碎行为全过程表征方法，通过高频声发射技术对三轴剪切过程中的颗粒破碎全过程进行量化表征，以深入了解在剪切过程中砂土颗粒的相互作用机制和破坏过程。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、基于高频声发射特性的砂土颗粒破碎行为全过程表征方法，所述方法基于三轴加载装置和声发射测量系统实现，所述方法包括如下步骤：

4、步骤1，将预制好的砂土颗粒试样放置于所述三轴加载装置内部的基座上，在所述砂土颗粒试样的外壁连接所述声发射测量系统中的声发射传感器；

5、步骤2，控制三轴加载装置中的围压系统和加载系统对砂土颗粒试样进行破坏，直至砂土颗粒试样的轴向应变为30％时，停止破坏；

6、步骤3，利用声发射测量系统全过程获取所述砂土颗粒试样在破坏过程中产生的原始声发射时域电信号；

7、步骤4，对破坏后的砂土颗粒试样开展颗粒筛分试验，基于砂土颗粒试样破坏前后的颗粒级配曲线计算相对破碎率；

8、步骤5，提取步骤3获取的原始声发射时域电信号的高频部分，确定累计高频声发射事件数和高频声发射事件率；

9、步骤6，建立相对破碎率与累计高频声发射事件数之间的定量关系，对砂土颗粒试样破碎全过程进行量化表征。

10、作为本发明的一种优选方案，所述声发射测量系统包括依次连接的声发射传感器、声发射信号放大器、数据采集仪和计算器，所述声发射传感器头部粘贴尺寸为10mm×10mm×1mm大小的铝板；所述声发射传感器的型号为m304a，所述声发射信号放大器的型号为a1201，所述数据采集仪的型号为pxie-6366。

11、作为本发明的一种优选方案，所述步骤2中，在干燥条件下，对所述砂土颗粒试样施加目标围压应力，然后进行30分钟的等向压缩固结，待固结排水量稳定后开始剪切破坏。

12、作为本发明的一种优选方案，所述步骤4中，统计砂土颗粒试样破坏前后的颗粒级配曲线，将破坏前后的颗粒级配曲线与0.074mm粒径线所围成的面积进行比较计算相对破碎率。

13、作为本发明的一种优选方案，所述步骤5中，通过chebyshev滤波法提取原始声发射时域电信号中的高频部分，高频部分即大于100khz的信号分量。

14、作为本发明的一种优选方案，所述步骤6中，绘制相对破碎率与累计高频声发射事件数的曲线图，通过拟合分析建立两者的定量关系，基于相对破碎率与累计高频声发射事件数的定量关系，在半对数图中通过高频声发射事件率-应变关系曲线的演变表示相对破碎率的变化率以表征破坏过程中的颗粒破碎。

15、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

16、本发明通过在三轴装置中的底部基座上放置圆柱形砂土颗粒试样，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和加载系统对砂土颗粒试样进行剪切破坏，通过声发射测量系统全过程获取试样在剪切破坏过程中产生的原始声发射时域电信号；获取破坏后试样的颗粒级配曲线并计算剪切前后的相对破碎率；处理分析声发射原始时域电信号，提取声发射特征参数高频声发射事件数；建立相对破碎率与高频ae信号之间的定量关系，通过高频声发射信息对三轴剪切过程中的颗粒破碎全过程进行量化表征，以帮助深入了解在剪切过程中砂土颗粒的相互作用机制和破坏过程。

技术特征：

1.基于高频声发射特性的砂土颗粒破碎行为全过程表征方法，其特征在于，所述方法基于三轴加载装置和声发射测量系统实现，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于高频声发射特性的砂土颗粒破碎行为全过程表征方法，其特征在于，所述声发射测量系统包括依次连接的声发射传感器、声发射信号放大器、数据采集仪和计算器，所述声发射传感器头部粘贴尺寸为10mm×10mm×1mm大小的铝板；所述声发射传感器的型号为m304a，所述声发射信号放大器的型号为a1201，所述数据采集仪的型号为pxie-6366。

3.根据权利要求1所述的基于高频声发射特性的砂土颗粒破碎行为全过程表征方法，其特征在于，所述步骤2中，在干燥条件下，对所述砂土颗粒试样施加目标围压应力，然后进行30分钟的等向压缩固结，待固结排水量稳定后开始剪切破坏。

4.根据权利要求1所述的基于高频声发射特性的砂土颗粒破碎行为全过程表征方法，其特征在于，所述步骤4中，统计砂土颗粒试样破坏前后的颗粒级配曲线，将破坏前后的颗粒级配曲线与0.074mm粒径线所围成的面积进行比较计算相对破碎率。

5.根据权利要求1所述的基于高频声发射特性的砂土颗粒破碎行为全过程表征方法，其特征在于，所述步骤5中，通过chebyshev滤波法提取原始声发射时域电信号中的高频部分，高频部分即大于100khz的信号分量。

6.根据权利要求1所述的基于高频声发射特性的砂土颗粒破碎行为全过程表征方法，其特征在于，所述步骤6中，绘制相对破碎率与累计高频声发射事件数的曲线图，通过拟合分析建立两者的定量关系，基于相对破碎率与累计高频声发射事件数的定量关系，在半对数图中通过高频声发射事件率-应变关系曲线的演变表示相对破碎率的变化率以表征破坏过程中的颗粒破碎。

技术总结
本发明公开了基于高频声发射特性的砂土颗粒破碎行为全过程表征方法，该方法通过在三轴装置中的底部基座上放置圆柱形砂土颗粒试样，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和加载系统对砂土颗粒试样进行剪切破坏，并通过声发射测量系统全过程获取试样在剪切破坏过程中产生的原始声发射时域电信号；获取破坏后试样的颗粒级配曲线并计算剪切前后的相对破碎率；处理分析声发射原始时域电信号，提取声发射特征参数高频声发射事件数；建立相对破碎率与高频AE信号之间的定量关系，通过高频声发射信息对三轴剪切过程中的颗粒破碎全过程进行量化表征，深入了解了在剪切过程中砂土颗粒的相互作用机制和破坏过程。

技术研发人员：刘昂,何德祺,林文丽,王乾坤,施高波,王元淋
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21