基于声弹性效应的钢绞线张拉力识别方法

钢绞线是预应力结构和大跨索承体系桥梁的核心受力构件,其实际保有应力值将决定结构的承载能力和耐久性。进行了钢绞线张拉实验,并以不同中心频率的信号作为激励源,通过接收导波信号测定首波波峰到达时间,计算首波波速。建立起首波波速随张拉力变化曲线,并进行线性拟合,拟合效果达到96%以上,300 k Hz频率下拟合直线K值绝对值最大,首波波速随张拉力变化最敏感。加卸载过程中导波首波波速-张拉力曲线具有相似的规律性,随张拉力的增大成线性下降,低张拉力段数值上的差异是由于钢绞线内残余应力引起的。结果表明声弹性效应造成导波首波波速下降,基于声弹性效应建立起钢绞线张拉力识别方法切实可行。     

砂岩弹性参数与波速关系的实验研究

为进一步了解岩石弹性参数(如杨氏模量、泊松比)与超声波波速的关系,将岩石加卸载循环实验和超声波测量实验同时进行,得到同一组样品的测量数据并作对比分析。实验结果表明,应力的变化会导致岩石样品的孔隙度、裂隙、岩石结构和构造的改变。受这些因素的影响砂岩的杨氏模量、泊松比、波速,也都会有规律地变化。较低应力水平时用小循环加卸载测得的动态弹性模量是不准确的,计算的波速也不准确,只有通过波速实验才能准确测出;饱水情况的加卸载纵波波速之差比干燥情况小,饱水波速大于干燥波速;动态泊松比比较稳定,但静态泊松比随着应力的增加而增加,从0.07增加到0.12,有趋近于动态泊松比的趋势;用P-M模型从微观概率分布入手,能够很好地解释静态和动态弹性参数的差别。通过本实验,采用回归分析的方法,成功建立起了岩石介质中弹性参数与波速的关系,为类似实验提供参考依据。     

LM-BP神经网络在泥页岩地层横波波速拟合中的应用

首先依据弹性波理论对影响纵横波波速的参数进行分析,明确影响横波波速的参数主要包括密度、应力载荷及应变量。根据分析结果,分别测试不同岩性、饱和状态、围压及轴压条件下的岩石纵横波波速。最后以实验结果为最初样本,通过训练LM-BP神经网络,对横波波速实验结果进行拟合,拟合平均相对误差为2.22%。结果表明,岩性、含气性及应力状态是影响纵横波波速主要因素,利用LM-BP神经网络的多条件拟合横波波速具有更高的精度。     

载荷岩石材料在加载-卸荷扰动作用下声发射特性

通过在不同应力水平下对岩石试样的加载-卸荷实验,对岩石试件在不同应力状态下受到"加载-卸荷"扰动时的声发射特征进行了试验研究.结果表明:在较低的应力水平下,岩体在受到加载作用时,会产生少量离散的声发射,而在卸载过程中几乎不产生声发射;而在较高的应力水平下,在受到加载扰动作用时,声发射活动相对活跃,而且在卸载时也有明显声发射信号出现.因此,在不同应力水平和应力状态下的声发射信号所反映的是材料不同的本构特征,在进行地下工程原位岩体的稳定性检测与评价时,必须考虑这种特性.     

声发射信号与尖点突变模型预测岩爆

为研究岩石的应力和强度与声发射的AE数和能量等之间的关系.在单轴加卸载的条件下,对中深部岩石进行岩爆倾向性实验,同时进行声发射监测.实验结果表明:在室内岩爆倾向性实验中,岩石只经过初始压密阶段、弹性变形阶段、非弹性变形阶段初期;在初始压密阶段,岩石的AE数出现少量短时突增,在弹性变形阶段,岩石的AE数和能量迅速增长;利用尖点突变模型,对岩石的声发射参数进行突变分析,进而实现对岩爆的判别.通过声发射参数和尖点突变模型可为预测和防治岩爆提供理论支持.     

激发应力波在锚杆锚固体中传播规律的实验研究

通过理论分析和实验研究,证明了锚杆锚固体中弹性应力波的波速确实会发生变化,给出了锚杆锚固质量与锚固体中弹性应力波波速之间的定性关系。     

复杂应力状态下岩石弹性波传播特性的研究

本文以探讨地下岩体处于三向不同应力状态下其内部弹性波的传播规律为目的,研究了两种不同致密程度的岩石(沙岩、灰岩),在单轴压力和三轴不同压力下,弹性波的传播特性和波速与应力的关系。结果表明,不同应力状态下岩石的弹性波速随应力的变化阶段与应变随应力的变化阶段大致相同,可分为三个变化阶段;对于处于弹性应力状态下的岩石,应力与弹性波速的关系可用不同的依赖系数线性表示。同时,对用弹性波法确定岩体地应力及水平构造应力进行了探讨。     

冲击荷载下煤岩损伤演化规律

冲击荷载下煤岩损伤演化规律的认识对动力学灾害防控至关重要。为了得到煤岩在冲击荷载下的损伤演化特征,通过开展冲击试验,运用超声波检测装置和声发射仪器分别测量冲击前后煤样的波速变化与冲击过程的声发射特征,用波速和声发射的变化反映煤样内部损伤特征。结果表明:冲击荷载的作用次数、单次冲击能量的大小和施加顺序均会对煤样内部损伤演化造成影响;煤样内部损伤随冲击次数增加呈幂函数增长,与单次冲击能量呈线性增长;冲击能量由大到小进行施加更容易使煤样发生破坏。煤样内部损伤变化越剧烈,声发射信号特征越明显。用波速表征的煤样内部损伤变化与声发射在每个阶段监测到的事件数和能率变化有较好的一致性。这为矿井开采动力灾害预报与控制提供了科学依据。     

脆性岩石应力-应变全过程声学特征演化规律

采用岩石加载系统获得脆性花岗岩单轴压缩全应力-应变曲线,同步测试声发射(AE)和超声波变化,研究应力-应变全过程AE特征、声波波速、波速各向异性及透射波频谱特征随岩石破裂的变化规律,并结合宏观变形和声学特征综合分析花岗岩破裂过程。研究结果表明:破裂全过程AE频谱表现出双峰值或多峰值特征,主频及振幅先增后减;起裂应力附近AE主频快速增大,损伤应力后高频大幅值AE信号数量快速增多,对应中尺度裂纹扩展,同时AE频带宽度增大,峰值应力附近低频大幅值AE急剧释放对应大尺度破裂发生;波速先增后减,波速各向异性逐渐增大,峰后段波速降低幅度超过40%;透射波频谱振幅和主频随着微裂纹的压密闭合而逐渐增大,并伴随裂纹的萌生扩展逐渐减小,且频谱幅值变化比波速和频谱主频的大;大幅值AE震源在峰值应力附近局部聚集成核;AE数量显著增加早于波速下降及宏观扩容发生,AE事件对裂纹萌生、扩展的敏感性比波速和宏观变形的大,但峰后卸载段宏观变形对裂纹扩展的响应比AE事件对裂纹扩展的响应大,这与峰后破坏模式相关。     

按非Fourier定律分析陶瓷薄膜受热沉积作用的热力耦合问题

考虑热传导的非Fourier定律,并且在温度控制方程中计入应变和应力变化的热效应,在应力本构方程中计入了温度变化的影响,得出了各向同性线性热弹性温度梯度非Fourier物质的热力双向耦合方程,且对有限厚度陶瓷薄膜,给出了边界受单一脉冲热沉积的典型一维瞬态问题的数值结果.讨论了延迟时间对温度增加量和应力分布的影响.主要结论:对陶瓷类介质,由于热渡波速和膨胀波波速有极大的数量级差异,热力耦合对传播速度影响甚微,即以十分接近热波波速和膨胀波波速传播.由于外加作用是以热学量给出的脉冲热沉积,因此传播的主要控制速度是热波波速.传播的力学量属高阶小量.     

砂岩单轴循环加卸载过程中声发射信号特征与时空演化规律

为深入研究循环荷载作用下岩石内部微裂纹萌生、发展及贯通的时空演化规律,以砂岩为研究对象,开展了砂岩在单轴循环加卸载下的声发射试验。结果表明:借助不同方向的波速测试,可获得声波在岩石中的传播速度,为声发射定位提供合理的波速参数;通过合理布置传感器的位置,可准确定位破裂面的空间位置;加卸载过程中声发射事件数和能量呈现台阶状上升,表明声发射具有记忆效应;通过声发射事件空间定位与破坏岩样的对比,验证了两者的位置基本一致,表明声发射可有效获得岩石内部微裂纹发展的全过程。     

三轴加载过程中大理岩力学及声波响应特征研究

深部地层岩石所处力学环境异常复杂,高应力下岩石力学性能、破坏规律及声波响应特征研究可为深井关键参数科学化设计提供依据。对大理岩开展了不同围压条件下的三轴力学实验,分析了不同围压条件下加载过程中大理岩的应力-应变、声波特征,探讨了强度准则适用性和岩石应力-应变与动态声学响应机制。研究表明,力学加载过程中,岩样波速变化分为“迅速增加-匀速增加-阶梯下降”和“迅速增加-匀速增加-保持稳定-阶梯下降-减速下降”两种类型,在岩样破坏之前,岩样的波速和振幅均有不同程度的减小;随着围压的增加,大理岩抗压强度和弹性模量均增加,岩样破坏形式由劈裂式向剪切式过渡。围压对大理岩次生裂纹的产生有抑制作用,直线型Morh-Coulomb准则和单参数Bieniawski强度准则分别适用于低围压和高围压条件下大理岩的强度特征描述。研究为深井岩石破裂的预测以及强度准则的建立提供了重要理论依据。     

脉冲水射流破岩过程中的应力波效应分析

引入Johnson-Holmquist-Concrete岩石非线性本构关系,利用光滑流体粒子动力学方法,模拟了脉冲射流在破岩过程中应力波形成、传播及衰减过程,得出了高速脉冲射流作用下岩石表面不同位置处应力值随时间变化曲线,以及应力波峰值强度与离射流作用点距离的关系曲线,根据计算结果分析了岩石在应力波效应下的破坏行为以及射流速度、岩石性质对应力波效应的影响。分析结果表明：脉冲射流的应力波效应具有较强的局部性,应力波峰值强度随与射流作用点距离的增大而急剧减小;脉冲射流应力波强度、作用范围与射流速度呈正比例关系,其对岩石的体积破坏存在一个门限速度;不同岩性岩石在脉冲射流应力波作用下的破坏形式有所不同,砂岩等强度较低岩石的破坏形式主要为应力波对岩石加卸载过程中的拉应力下的裂纹扩展,而石灰岩、花岗岩等脆性硬岩的破坏形式主要为应力集中导致的纵向破坏。     

不同影响因素下致密灰岩声波特性研究

在研究岩石力学性质、获取地层参数的过程中,岩石的声波特性发挥着重要作用。为了研究致密灰岩的声波特性,从鄂尔多斯盆地3 500 m以下4段灰岩地层取不同孔隙度的岩样进行实验,研究了不同孔隙度、层理、围压、轴压对致密砂岩声波性质的影响。实验结果表明,3 500 m以下致密灰岩的孔隙度分布在5%~13%之间,并且随着孔隙度的增加,灰岩的弹性模量减小,纵横波速呈线性减小;致密灰岩在平行层理方向纵横波速大于垂直层理方向,因为垂直层理方向灰岩声阻抗大;在0~5 MPa内,随着围压增大致密砂岩纵横波速增大明显,围压继续增大,纵横波速变化不明显;轴压较小时,致密灰岩的纵横波速随着轴压的增大变化不明显,当轴压增大到一定程度时,不同围压下纵横波速基本一样,围压对其影响减小。     

基于多源地震干涉法隧道断层位置预测数值模拟

西部山区在建或即将修建的大量隧道都具有高地应力特征,如何提高高地应力隧道超前地质预报的准确性是当前工程界面临的一大关键难点,而地应力增加是岩体波速增加的主要因素之一。采用多源地震干涉法模拟了在断层波速一定的条件下围岩波速和断层倾角变化对隧道掌子面前方断层位置识别的影响。数值模拟结果表明:围岩波速和断层倾角的增加会导致预报的断层位置比实际位置更接近掌子面,计算结果间接表明了地应力对识别断层位置的影响。通过二元二次函数回归分析拟合出一个含地应力和断层倾角的修正公式,依据修改公式,对白马隧道高地应力洞段掌子面前方不良地质体进行了超前地质预报,隧道现场开挖结果与修正后的预报结果基本一致。     

不同条件下花岗岩中声波传播速度的规律

应用超声波混凝土测试仪(TICO),系统研究了含水率、裂纹、应力和温度对花岗岩内波速传播的影响.实验发现含水率对波速影响比较大,饱和岩样的声波传播速度高于不饱和岩样的声波传播速度;人工预制裂纹对声波传播速度影响不大;单轴压缩条件下,声波传播速度随应变增加逐渐降低;在同一温度(160℃)下,波速随保温时间的增加而逐渐降低;在对岩样逐渐加热情况下,初始加热阶段波速略有升高,当温度达到60℃时,岩样波速达到峰值,之后随着温度继续升高其波速逐渐下降;波速随温度变化具有一定的尺寸效应.实验结果表明,声波在岩石内传播速度受很多外在因素影响,并具有一定的传播规律.     

波速赋值范围对PSO定位算法精度的影响

针对已知波速型声发射定位算法精度高度受制于初始波速测试准确性的问题,基于粒子群优化算法(PSO)开发了一种声发射定位算法,无需预先测试波速.以传感器接收到时差构建适应值函数,通过该算法求解此函数,得到声发射源位置和波速.研究不同波速赋值范围差、不同波速赋值范围上、下界与真实波速值的差值比(φ)对算法精度的影响. 在此基础上,开展断铅试验,对比分析PSO定位算法与单纯形定位算法的定位精度. 结果表明:不同波速赋值范围差、不同φ值下的PSO算法定位误差小于10%;当波速赋值范围差为2000m/s,且φ取1时,算法精度最高;本文算法定位精度明显优于传统单纯形定位算法.     

超声波多普勒流速测量方法的信息窗区域控制研究

通过对超声波多普勒信息窗区域的控制，实现了管流内部流速的分区测量，研制出的发射传感器和接收传感器，能够分别产生细小的发射声束和接收声束，使信息窗区域面积能够控制在很小的范围内，位置也被控制在设计值处，满足了分区测量的要求，设计的模拟管道流动装置，能够提供管道流动截面上某一小区域上的流速，为分区测量提供了信号源，成功地进行了信息窗区域面积的控制和位置的实验测量，测量值与设计值吻合得很好。     

岩石加载过程声波波速变化规律实验研究

通过对花岗岩、片麻岩、大理岩和砂岩进行加载,探寻岩石波速随应力变化的响应特征.实验结果表明:花岗岩和片麻岩在线弹性加载阶段,波速-应力呈线性上升;波速达到峰值之后,波速-应力为二次函数非线性变化,再继续加载则岩样发生破坏.大理岩及砂岩在整个加载过程中波速基本保持恒定.依据成岩类型将波速变化分为两种类型:Ⅰ型,波速线性增加—峰值波速—缓慢下降—突然下降(破坏);Ⅱ型,波速不变—突然下降(破坏).在循环荷载作用下,岩石在线弹性加载阶段,波速呈线性上升;当增加到一定载荷,波速突然下降,岩样发生破坏.以上研究表明,在线弹性加载阶段,波速增加主要是密度变化引起的,裂纹萌生、扩展、贯通直接影响波速随应力的...