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基于小波分析的岩石声发射凯塞点修正及浮动阈值研究

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作者:
彭冠英
导师:
张永兴,谢强
学科专业:
岩土工程 
文献出处:
重庆大学 2016年
关键词:
声发射论文  效应论文  小波基函数论文  伪点论文  浮动阈值论文  

摘要:由于采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路等工程需要,如何准确的测定地应力一直以来都是一个重要的课题。近年来,一方面在采矿、地下工程等方面进一步走向深部,另一方面,地下工程建设周边环境也越来越复杂,这对常规原位测量地应力的方法带来了巨大的挑战。不少学者另辟蹊径开始研究原位取样、实验室求值的方法。其中岩石声发射的凯塞效应(Kaiser effect)测定地应力的方法,因为其经济、便捷,发展潜力备受关注。但在利用Kaiser效应测定地应力的实践中,很多问题一直都没得到较好解决,阻碍了该方法的推广。其中较为突出的问题就是关于试验Kaiser点是否能准确反映地应力的问题。研究表明,试验Kaiser点一方面可能由于试验本身会产生偏差,另一方面由于试验曲线拐点不明显也会因人为选择不准确而产生偏差。Kaiser点的准确性直接影响岩石声发射成果的应用试验,也影响该技术在实际工程中的推广。针对岩石声发射Kaiser点问题,国内外学者做了大量研究工作,但大多数均建立在声发射参数分析的基础上,一个声发射脉冲对应一个声发射计数(该脉冲信号超过系统阈值),而信号本身蕴含的信息却往往被忽略。本文研究技术核心就是基于波形分析思想,分析Kaiser点(或其它特殊点)的瞬时信号特征,并以此为基础判断试验Kaiser点真伪并对伪Kaiser点进行修正。最后延伸讨论了岩石声发射试验的浮动阈值。本文所作主要工作和结论如下:(1)岩石声发射试验试验样本全部选择砂岩取自重庆市中梁山某采矿区,按深度划分为三个区段:70~130m为浅层段;130~230m为中层段;230~440m为深层段。采用PCI-2声发射系统进行。共取282组样本(选择其中60组)经常规声发射试验、循环加载试验、验证试验等三步进行,试验结果作为本文的样本依据。(2)构造岩石声发射信号的专用小波基函数选用波形与岩石声发射原始信号相似的二阶弱阻尼振动单位脉冲函数作为小波构造函数的基础函数。提出构造函数必须具有非周期性、由多个不同振幅不同形式的振动函数组成、有突变信号并在之后迅速衰减三个构造条件,经论证改造最终确定基于岩石声发射信号特征的构造小波基函数。通过验证,构造函数从与原始声发射信号相似度比较值、信号保留的完整性、参数的实际意义等三方面均优于通用小波基函数。(3)岩石声发射Kaiser点瞬时信号频段能量特征研究对样本进行常规声发射试验,首先找出各样本的试验Kaiser点,对比理论计算出大致应力状况;其次,对所有岩石样本的声发射试验Kaiser点瞬时信号进行三层小波包分解,分析每个样本Kaiser点信号频段能量,发现岩石声发射信号在937.5k Hz以下的低频能量占该信号能量的绝大多数,同时真正Kaiser点信号频带能量主要集中0~312.50k Hz频率范围内,非Kaiser点信号频带能量符合绝大部分集中在937.5k Hz以下低频的特点,但在0~312.50k Hz频率中并不占总能量的大部分。(4)试验Kaiser点偏差修正研究试验得到Kaiser点可能存在很大偏差,通过推导分别明确了声发射信号中,能量E与频带振幅、能量E与声发射振铃计数、能量E与应力状态的关系,最终得到试验Kaiser点偏差修正函数。利用修正函数,以试验样本为例,分别进行了正、逆向修正,并将最终修正后的Kaiser点进行三层小波分解,确定其频带能量特征。(5)试验声发射累积能量曲线无拐点问题研究从能量曲线光滑原因开始分析,提出在“高应力”状态下基于大裂纹的Kaiser点研究。利用裂纹应力强度因子与应力之间的关系推导得到岩石开裂能量释放率与裂纹应力强度因子的关系,最终得出岩石开裂的过程就是一个裂纹岩石所储存的应变能向外释放的过程,而应力强度因子越大,裂纹能量释放率也就越大的结论,并以试验样本为例进行了验证。(6)岩石声发射试验的浮动阈值研究为取得低能量点信号,本文在双阈值试验设计的基础上,得到浮动阈值公式,建立了变化的阈值与荷载之间的关系。通过与固定阈值系统试验结果的对比发现:采用浮动阈值公式降噪的样本,能正确反映Kaiser点信号,同时,在低能量点及低能量分布频率段均有较高的信号保留,从信号保留的角度上看,优于传统的固定阈值(合理的固定阈值在对Kaiser点等高能量点进行分析时准确)。

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 小波分析及小波基函数构造研究现状

1.2.2 岩石声发射Kaiser点的原岩应力偏差研究现状

1.2.3 岩石声发射累积振铃曲线Kaiser点确定研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究技术路线

2 试验方案及样本处理

2.1 试验系统

2.1.1 WAW-1000 型加载系统

2.1.2 声发射采集系统

2.2 试件

2.2.1 试件选择

2.2.2 试件编码

2.3 试验方案

2.3.1 参数取得

2.3.2 常规岩石声发射实验

2.4 样本预处理

2.4.1 去噪函数选择

2.4.2 对试样进行去噪

2.5 本章小结

3 基于岩石声发射信号的指数衰减型小波基函数构造

3.1 小波分析技术

3.1.1 傅里叶变换(FT)

3.1.2 小波分析

3.2 小波基函数

3.2.1 小波变化中小波基与原函数关系

3.2.2 几种常用的通用小波函数

3.3 基于岩石声发射信号的小波基础函数

3.3.1 岩石声发射信号特点

3.3.2 构造小波基础函数的选择及构造条件

3.4 弱阻尼振动单位脉冲基础函数构造条件验证

3.4.1 弱阻尼振动单位脉冲基础函数周期性及累加性条件验证

3.4.2 弱阻尼振动单位脉冲基础函数能量特点

3.4.3 声发射信号与弱阻尼振动单位脉冲基础函数指数衰减

3.5 构造函数参数确定

3.5.1 岩石声发射信号Kaiser点的能量

3.5.2 岩石内部开裂能量释放

3.5.3 构造基函数参数表达

3.6 构造函数优势验证

3.6.1 构造小波基分析属性对比

3.6.2 相似度比较

3.6.3 声发射Kaiser点信号能量分析

3.7 本章小结

4 岩石声发射信号的小波包能量分析

4.1 岩体地应力的理论值

4.2 样本小波包频带分解

4.2.1 小波分析频带分解机算理论

4.2.2 小波包频带划分

4.2.3 小波包频带分解

4.2.4 小波包分解各频带能量特征

4.2.5 偏差较大的试验Kaiser点样本小波包能量频带分析

4.3 本章小结

5 岩石声发射试验Kaiser点偏差修正

5.1 岩石声发射能量特点

5.1.1 岩石声发射阶段分析

5.1.2“伪”Kaiser点“桥梁参数”选择

5.1.3 应力与声发射能量的关系

5.2 岩石声发射“伪”Kaiser点修正

5.2.1 小波能量分析对“伪”Kaiser点修正的理论推导

5.2.2 小波能量分析逆向修正

5.2.3 小波能量分析正向修正

5.3 本章小结

6 高应力状态下“大破裂”岩石Kaiser点

6.1 岩石声发射能量曲线特点

6.2 试验设计及结论

6.2.1 循环加载试验设计

6.2.2 循环加载试验及结果

6.3“高应力”下岩石声发射Kaiser点研究

6.3.1 声发射能量与裂纹关系研究

6.3.2“高应力”状态下岩石声发射Kaiser点

6.4 本章小结

7 能量原理下的阈值研究

7.1 双阈值降噪

7.2 阈值对能量分布影响

7.3 浮动阈值研究

7.3.1 能量原理下的浮动阈值

7.3.2 浮动阈值应用分析

7.4 本章小结

8 结论及展望

8.1 主要结论

8.2 本文创新点

8.3 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读博士学位期间参与科研项目