[发明专利]一种基于矩张量分析的岩石起裂应力与损伤应力辨识方法

权利要求书

1.一种基于矩张量分析的岩石起裂应力与损伤应力辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备标准岩石试件；

对标准岩石试件进行破坏过程声发射震源定位试验，获取声发射震源位置；

采用矩张量理论对声发射震源类型进行辨识；

根据不同类型震源快速增长起点对应的应力对岩石起裂应力σ_ci、损伤应力σ_cd进行辨识；

辨识声发射震源类型包括：波形文件的提取、P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取、矩张量求解与震源类型辨识四步骤；其中，

波形文件的提取：提取每个震源对应的波形文件，利用人工或程序进行波形文件的提取；

P波到达时间t_i和初动振幅A_i的拾取：采用F_C3作为拾取P波到达时间的特征函数，同时选择信号起点至能量变化最大点作为检测区间，计算AIC函数值：

AIC(k_w)＝k_w·log(var(R_w(1,k_w)))+(n_w-k_w-1)·log(var(R_w(1+k_w,n_w))) (1)

式中：R_w、k_w分别为所选窗口的时间序列与所有的时间序列；var、n_w为方差函数和采样长度；

将AIC函数最小点作为P波到达时间t_i，以t_i之后振幅中第一个极值点作为初动振幅A_i的值；

矩张量求解：通过提取有效信号的初动振幅A_i、震源与传感器的距离R和方向余弦r，求解矩张量M的独立分量：

式中：A(x)为初动振幅；R,r分别为声源与传感器之间的距离和方向余弦；C_S为传感器灵感度相关系数；Ref(t,r)为反应系数，取2；

矩张量各元素关于对角线对称，即m_ij＝m_ji，完成矩张量各元素m_ij的求解；

震源类型辨识：从矩张量中得出3个特征值，将最大、中间与最小的特征值分别定义为λ_max、λ_int、λ_min；对3个特征值进行归一化处理，得到X,Y,Z，其中X＝λ_max/λ_max,Y＝λ_int/λ_max，Z＝λ_min/λ_max，归一化处理公式如下：

根据X的取值，对震源类型进行辨识，辨识依据如下所示：

起裂应力σ_ci和损伤应力σ_cd辨识方法如下：

确定震源产生时间标度：以各传感器接收到声发射信号最小时间min(T_i)作为该震源的时间标度；采用位移控制进行声发射震源定位试验加载，试件轴向应变与试验时间呈线性关系，如下所示：

式中：ε—为试件轴向应变值；

Δl，l—分别为试件变形量与试件高度，单位mm；

k—为加载速率，mm/s；

x—为试验时间，单位s；

将每个震源对应的时间T_i代入式(4)，求出该震源对应的应变值ε_i，以震源对应的应变值ε_i为X轴，以震源数为Y轴，分别绘制累计剪切震源数、累计张拉震源数与累计混合震源数曲线，并将它们叠加在试件应力-应变曲线之上；

划分微裂纹演化不同阶段：取应力-应变曲线近似直线段AB为微裂纹稳定发展阶段，取应力-应变曲线A点之前为微裂纹压密阶段，取应力-应变曲线B点之后峰值应力σ_c之前为微裂非稳定发展阶段；

不同类型震源快速增长起点确定：自弹性至微裂纹稳定发展阶段作剪切震源累计曲线第一条近似直线l_J，以剪切震源累计曲线第一个偏离直线l_J的点为J点，则J点为剪切震源快速增长的起点；自弹性至微裂纹稳定发展阶段作张拉震源累计曲线第一条近似直线l_Z，以张拉震源累计曲线第一个偏离直线l_Z的点为Z点，则Z点为张拉震源快速增长的起点；自弹性至微裂纹稳定发展阶段作混合震源累计曲线第一条近似直线l_H，以混合震源累计曲线第一个偏离直线l_H的点为H点，则H点为混合震源快速增长的起点；

起裂应力σ_ci和损伤应力σ_cd的辨识：过J点作Y轴平行线，交应力-应变曲线于JJ点，取JJ点的坐标为(ε_J,σ_J)；过Z点作Y轴平行线，交应力-应变曲线于ZZ点，取ZZ点的坐标为(ε_Z,σ_Z)；过H点作Y轴平行线，交应力-应变曲线于HH点，取HH点的坐标为(ε_H,σ_H)；取σ_J、σ_Z、σ_H的最小值为起裂应力σ_ci，即起裂应力σ_ci＝min(σ_J,σ_Z,σ_H)；取σ_J、σ_Z、σ_H的最大值为损伤应力σ_cd，即损伤应力σ_cd＝max(σ_J,σ_Z,σ_H)。