一种利用声发射功率谱解析岩石微损伤及裂缝形态的方法与流程

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其涉及一种利用声发射功率谱解析岩石微损伤及裂缝形态的方法。

背景技术：

岩石在荷载作用下的破坏过程，是损伤逐步形成、发展和积累的过程。随着损伤的不断形成、汇集和扩展，由微观裂纹的形成、交汇和贯通，到宏观裂纹面的逐渐形成，是岩石内弹性能由少到多的逐渐释放过程，也正是这种损伤的逐步形成、汇集和发展，使岩石内部弹性能不断释放，形成了可以被测试传感器探测的ae信号，声发射(acousticemission，简称ae)技术是利用岩石变形过程中，内部破裂的产生和破裂面之间的摩擦滑动所辐射的超声波信息，连续不断地观测岩石材料内部微破裂的动态演化，以此来研究岩石变形、破坏的微观机制。在岩体的稳定性研究方面有重要作用，被广泛应用于研究岩石等材料的破坏研究。但目前通常使用声发射技术探测ae信号，对岩石的破坏研究比较片面，不能定量的进行评价。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用声发射功率谱解析岩石微损伤及裂缝形态的方法，更好了解岩石破坏机制及产生裂缝形态的定量评价。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用声发射功率谱解析岩石微损伤及裂缝形态的方法，包括：

对获取的岩石试样进行声发射试验，得到声发射信号；

利用数字图像技术获取所述试样破裂形态的高清图像；

对所述声发射信号进行处理，提取主频和次主频并归纳功率谱特征；

将所述高清图像与所述功率谱特征结合，建立功率谱分布与裂缝形态的对应关系。

其中，所述对获取的岩石试样进行声发射试验前，所述方法还包括：

将获取的岩石试样在垂直层理方向钻取直径为80mm的圆柱，并对所述圆柱的轴线进行切割，得到直径为80mm，高为40mm的圆盘试样，并采用不同等级的细砂纸打磨所述试样端面，控制端面平整度误差小于或等于0.02mm，端面与所述试样轴线垂直，允许误差为0.25度。

其中，所述对获取的岩石试样进行声发射试验，得到声发射信号，包括：

将所述圆盘试样分为4组，每组试样的层理与竖直加载方向之间的夹角分别为0度、30度、60度和90度，保证加载速率为0.5kn/s，直至所述试样完全破坏。

其中，所述对获取的岩石试样进行声发射试验，得到声发射信号，还包括：

将压力作为外接参数，采样设置为40mhz，门槛值40db，采样频率为1msps，并将声发射设备的连接前置放大器的两个传感器置于所述试样背面，设置放大倍数为40db，得到声发射信号。

其中，所述利用数字图像技术获取所述试样破裂形态的高清图像，包括：

利用工业相机拍摄所述试样正面，并控制拍摄速率为200帧/秒，分辨率为2448像素*2048像素，得到所述试样破裂形态的高清图像。

其中，对所述声发射信号进行处理，提取主频和次主频并归纳功率谱特征，包括：

利用fft对所述声发射信号进行处理，得到频率-幅值关系的功率谱，并设定主频和次主频及对应的幅值，统计所有所述主频和所述次主频的分布特征，并将大于或等于200khz的频率设置为高频带，小于200khz的频率设置为低频带。

其中，对所述声发射信号进行处理，提取主频和次主频并归纳功率谱特征，还包括：

分别对4组所述圆盘试样的所述主频和所述次主频进行提取和归纳，设定所述主频和所述次主频分布的集中值，对所述主频和所述次主频分别在所述高频带和所述低频带内的数量分别求和后求取比值，得到比例参数。

其中，将所述高清图像与所述功率谱特征结合，建立功率谱分布与裂缝形态的对应关系，包括：

将所述高清图像与所述功率谱特征结合，若为高频声发射信号，则页岩基质张拉，若为低频声发射信号，则页岩层理张拉，并且所述比例参数随层理角度的增加而增加，利用所述比例参数值对应表征所述岩石试样在不同层理角度的裂缝形态。

本发明的一种利用声发射功率谱解析岩石微损伤及裂缝形态的方法，将获取的岩石试样进行加工，得到直径为80mm，高为40mm的圆盘试样，并采用不同等级的细砂纸打磨所述试样端面，并控制误差精度，将所述圆盘试样分为4组，控制层理与竖直加载方向之间的夹角，然后进行声发射试验，得到声发射信号，利用数字图像技术获取所述试样破裂形态的高清图像，利用fft对所述声发射信号进行处理，提取主频和次主频并归纳功率谱特征，对所述主频和所述次主频分别在所述高频带和所述低频带内的数量分别求和后求取比值，得到比例参数，将所述高清图像与所述功率谱特征结合，建立功率谱分布与裂缝形态的对应关系，利用所述比例参数值对应表征所述岩石试样在不同层理角度的裂缝形态，更好了解岩石破坏机制及产生裂缝形态的定量评价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种利用声发射功率谱解析岩石微损伤及裂缝形态的方法的步骤示意图。

图2所示为本发明实施例页岩四种功率谱图对比。

图3所示为本发明提供的高低频数量比例参数图。

图4所示为本发明实施例页岩巴西劈裂试验裂纹宏-微观特征统计表。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1至图4，本发明提供一种利用声发射功率谱解析岩石微损伤及裂缝形态的方法，包括：

s101、对获取的岩石试样进行声发射试验，得到声发射信号。

具体的，将获取的岩石试样在垂直层理方向钻取直径为80mm的圆柱，并对所述圆柱的轴线进行切割，得到直径为80mm，高为40mm的圆盘试样，其中，所述圆盘试样的尺寸是严格按照国际岩石力学学会试验建议加工的，并采用不同等级的细砂纸打磨所述试样端面，控制端面平整度误差小于或等于0.02mm，端面与所述试样轴线垂直，允许误差为0.25度，将所述圆盘试样分为4组，每组试样的层理与竖直加载方向之间的夹角分别为0度、30度、60度和90度，保证加载速率为0.5kn/s，直至所述试样完全破坏，利用美国pac公司的pci-2声发射系列设备，将压力作为外接参数，从而确保自动采集的压力和ae数据具有时间同步性，采样设置为40mhz，采用18位a/d转换器，设置门槛值40db，采样频率为1msps，并将所述pci-2声发射系列设备的两个传感器置于所述试样背面，并且连接前置放大器，设置放大倍数为40db，得到声发射信号，其中，所述岩石试样为取自重庆石柱页岩区块原位露头页岩。

s102、利用数字图像技术获取所述试样破裂形态的高清图像。

具体的，利用basleraca2440-75um工业像机拍摄所述试样正面，设置分辨率为2448像素*2048像素，拍摄速率为200帧/秒，得到所述试样破裂形态的高清图像，主要利用dic展示裂缝的最终形态。

s103、对所述声发射信号进行处理，提取主频和次主频并归纳功率谱特征。

具体的，通过fft对声发射信号进行处理，得到的频率-幅值关系称为功率谱，定义最大幅值对应主频，第二大幅值对应次主频，统计所有试件的主频，次主频分布特征，划分200khz及以上为高频带，200khz以下为低频带，分别对4组所述圆盘试样的所述主频和所述次主频进行提取和归纳，设定所述主频和所述次主频分布的集中值，其中，所述集中值为所述试件ae波形主频、次主频集中在以某值为核心的条带范围内，为表述方便，将该值称为集中值，对所述主频和所述次主频分别在所述高频带和所述低频带内的数量分别求和后求取比值，得到比例参数h：l＝(高频数量：低频数量)，举例来说，参见图2，0度层理时主频和次主频均集中在130khz左右的低频带，同时只有少量的高主频，高次主频信号；30度层理时，主频和次主频在288khz和125khz周围集中分布，且次主频相对于主频在纵轴上离散性更强；60度层理时，主频和次主频明显集中在300khz和130khz周围，同时在上下两条带中间也有丰富的ae信号弥散分布；90度层理时，主频集中在307khz左右的高频带，次主频集中在281khz左右的高频带。

s104、将所述高清图像与所述功率谱特征结合，建立功率谱分布与裂缝形态的对应关系。

具体的，将所述高清图像与所述功率谱特征结合，若剪切破坏释放高频ae信号，则页岩基质张拉，若剪切破坏释放低频ae信号，则页岩层理张拉，并且所述比例参数随层理角度的增加而增加，利用所述比例参数值对应表征所述岩石试样在不同层理角度的裂缝形态，参见图3和图4，0度层理试件h:l＝4.28％:95.72％,裂缝为直线型裂缝；30度层理页岩试件h:l＝15.89％:84.11％；60度层理页岩试件h:l＝36.93％:63.07％，页岩圆盘劈裂产生圆弧型裂缝；90度层理页岩试件h:l＝93.85％:6.15％，页岩圆盘劈裂形成复合型裂缝，更好了解岩石破坏机制及产生裂缝形态的定量评价。

本发明的一种利用声发射功率谱解析岩石微损伤及裂缝形态的方法，将获取的岩石试样进行加工，得到直径为80mm，高为40mm的圆盘试样，并采用不同等级的细砂纸打磨所述试样端面，并控制误差精度，将所述圆盘试样分为4组，控制层理与竖直加载方向之间的夹角，然后进行声发射试验，得到声发射信号，利用数字图像技术获取所述试样破裂形态的高清图像，利用fft对所述声发射信号进行处理，提取主频和次主频并归纳功率谱特征，对所述主频和所述次主频分别在所述高频带和所述低频带内的数量分别求和后求取比值，得到比例参数，将所述高清图像与所述功率谱特征结合，建立功率谱分布与裂缝形态的对应关系，利用所述比例参数值对应表征所述岩石试样在不同层理角度的裂缝形态，更好了解岩石破坏机制及产生裂缝形态的定量评价。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。