[发明专利]基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法

说明书

本发明公开了一种基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法，通过在单颗粒加载装置的下载荷板放置散粒体颗粒，安装声发射测量系统，控制单颗粒加载装置的上载荷板对散粒体颗粒进行压碎，获取加载全过程单颗粒加载装置施加给散粒体颗粒的轴向荷载，获取加载时压缩散粒体颗粒时产生的轴向位移，并通过声发射测量系统全程获取散粒体颗粒在破碎过程中产生的原始声发射时域电信号，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为，能够对散粒体间微观力学行为进行准确辨识，具体可以进行各种加载过程中的散粒体材料内部微观机理研究，可实时连续判定颗粒所处的破坏阶段、量化其破坏程度，有效简化了辨识过程，提高了辨识效率。

技术领域

本发明涉及岩土工程与声学技术领域，尤其涉及一种基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法。

背景技术

颗粒破裂被公认为是影响散粒体材力学行为的关键因素，例如可降低散粒体集料的渗透率、减小摩擦角、改变临界状态线的位置以及抑制剪胀破坏等。为了了解颗粒破裂的潜在微观力学行为及其与散粒体集料强度参数之间的关系，通常采用先进无损检测技术与单颗粒压碎试验相结合的方式，对不同的矿物类型和矿物粒径进行研究。

先前的研究涉及的技术主要集中于边界测量(例如高速显微镜相机)或具有宽测量时间间隔的局部密度检测(例如X射线计算机断层扫描)，这些技术难以实时、连续评估单颗粒在压碎过程中的内在微观力学行为的强度和模式。

声发射技术作为一种无损检测方法，能够连续捕获应力材料内部释放的弹性波，目前已广泛用于准连续体介质材料，如金属、岩石和混凝土等。当材料受到外部荷载时，材料内部微尺度劣化过程(如开裂)往往伴随着应变能的释放，这种应变能大部分以弹性波的形式释放。这种弹性波可被声发射传感器检测到并记录为声发射信号。已有研究表明，通过对声发射波形所携带的信息(如信号到达时间、声发射事件率、声发射频率等) 进行解析，可以准确定位破坏发生的位置、诊断故障强度、区分相关微力学行为模式等。

颗粒破碎相关的微观力学行为(如：颗粒调整、磨损和微裂纹等)也会产生声发射信号，对声发射行为的分析可为了解散粒体集料的微观力学行为提供有益的信息。研究表明：声发射特性与颗粒材料的潜在微观力学行为之间联系密切。例如，关于声发射的事件率，Dixon等人和Smith等人建立了声发射的事件率与位移率之间的线性关系，用于土质边坡不稳定性的监测预警；在声发射频率方面，Mao等人发现，无论是何种矿物成分，砂质颗粒的破碎过程都伴随着高频声发射分量(100kHz)的显著升高，而颗粒间的滑移过程则以低频分量为主；最近，Luo等人和Ibraim等人进行了大量的单颗粒压缩试验，表明声发射特性可以表征颗粒的破碎机理和特征。相关传统方案虽然在一定程度上能够实现散粒体间微观力学行为的检测，然而检测过程较为复杂。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法。

为实现本发明的目的，提供一种基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法，包括如下步骤：

S10，在单颗粒加载装置的下载荷板放置散粒体颗粒；

S20，在单颗粒加载装置底座上安装声发射测量系统；

S30，按照预设的加载速度控制单颗粒加载装置的上载荷板对散粒体颗粒进行压碎；

S40，通过压力传感器获取加载全过程单颗粒加载装置施加给散粒体颗粒的轴向荷载，通过位移传感器获取加载时压缩散粒体颗粒时产生的轴向位移，并通过声发射测量系统全程获取散粒体颗粒在破碎过程中产生的原始声发射时域电信号，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为。

在一个实施例中，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为包括：

根据轴向荷载确定压碎过程中散粒体颗粒的轴向荷载随时间变化曲线；