岩石压裂声发射源定位方法的数值模拟研究

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1、岩石压裂声发射源定位方法的数值模拟研究第1章绪论1.1选题背景及研究意义自进入21世纪大力发展经济建设以来，我国大型和特大型工程项目的建设如火如荼，先后完成了铁路第五次大提速，水利水电的西电东送工程。目前国内高速铁路里程己达到上万公里，并且修建了世界上海拔最高的青藏铁路，同时海拔落差最大的川藏铁路也己在规划修建中。这些超级工程往往都要跨越沟谷、河流、冰川地带、冻土地区和地震断裂带，而这些地区容易诱发一些地质灾害，如泥石流、若爆、山体滑坡等。水利工程如锦屏二级水电站，地处地质条件极为复浓的高地应力西南山区，引水險洞在开挖的时候容易遇到突水、突泥、塌方等地质灾害。如果在施工过程中

2、没有对險道的围岩进行损伤监测，便不能及时对施工过程中出现若爆，塌方等地质灾害进行预防，轻则延长工期、增加投资，重则毁坏机械设备，甚至造成人员伤亡，并且事故处理难度大。因此，在修建这些大型、特大型工程的过程中，如何科学的开展声发射监测为设计、施工提供必要的资料就成为一个急需解决的问题。目前，声发射技术正广泛的应用在矿山监测，容器管线检测，而岩土工程领域则主要应用在岩体破坏监测，隧道岩爆监测、围岩损伤监测等方面，并且成为險道爆破开挖后掌子面岩体稳定性评价的重要指标。因为若体内部本身具有缺陷，并且分布是不均匀的，所以在外力作用下最薄弱的部位会出现微破裂，这种微破裂会伴随着产生一种弹

3、性波，弹性波释放的过程就是声发射现象。要准确地知道出现微破裂的位置，就需要对声发射源进行追踪，那么确定声发射源的位置就成为声发射监测中最主要的环节之一。通过监测计算得到的声发射源的活动区域与实际的声发射源活动的位置的符合程度直接影响岩体稳定性评价结果，并且还可以通过对声发射源定位结果的分析，进行声发射源机制、岩石破裂机理和微破裂聚集成核等方面的研究。........1.2国内外研究现状I960年前后，国际上兴起了声发射源计算机定位的热潮。美国和日本的学者率先后在这方面展幵了大量的研究工作，总结归纳了声发射的物理机制，并逐渐引入到了岩土工程领域。世界上最早用电技术进行AE测量的

4、是20世纪30年代初在日本进行的。东京大学地震研究所的岸上教授在实验室用容易破坏的木材，使其发生破坏，根据其与地震波相类似的现象研究地震发生的机理。而后国外从20世纪50年代开始逐渐将声发射技术引用到險道及地下工程的监测和预报中来，其他领域声发射技术也被广泛的应用，例如地应力测量、边坡监测以及混凝土施工监测、地下注衆监测等各个方面。茂木青夫在实验室通过对若石实验样本的测定得到P波波速的情况下，对花岗岩板在弯折作用下的声发射事件进行了二维定位，发现声发射事件在若石材料内部微破裂的不可观测性和时空分布的随机性，最终声发射事件大多集中在岩石破裂面上，可信度极低。上述实验虽然利用了多

5、通道的AE传感器，但由于探头布置的少，所定位出来的结果精度有限，并不能很好的满足实验研究的需要。与此同时的Scholz[5]对花岗岩作了单轴压缩，采用了六通道的声发射探头并利用S波的初动到时时差进行了三维定位，而且同前震序列进行了对比，得出了微震活动与主震活动之间具有对应的关系。该实验使得多通道联合定位以提高AE定位精度成为可能，Scholz也是建立在通过实验测定样本的平均波速的条件下，利用最小二乘法完成的声发射源定位。由于当时可用于采集的声发射通道个数有限，定位的算法也是受到各方面的限定，所以实验得到的定位结果与实际声发射源位置有所误差。但是Scholz幵辟了实验室中采用多

6、通道传感器拟合声发射源定位算法的先例。1975年美国召开了声发射学术会议，报道了围压条件下岩石样本压裂过程中AE源定位的自动到时测量方法的研究，从而解决了人工读取声发射到时的问题，为实现之后的计算机快速拾取有效数据奠定了基础。后来Byerlee[6]改进了声发射源定位的算法并建立声发射源定位结果的判断准则，使得声发射定位技术又向前跨越了一大步。......第2章声发射信号及源定位方法的基本理论2.1声发射技术理论基础岩体受到外界作用力，会出现变形或者应力重分配的情况。从微观的角度上来讲，其内部的晶格会产生位错。由于岩体本身具有缺陷，在应力发生重分配的时候，这些微观的缺陷会因外

7、力作用而短暂的发生闭合的现象。当若体内部的晶格不能持续承受外力作用时，就会在若体内部开始出现细小的裂纹。这种破坏的过程实际上是一种能量的转换过程，即以应变能转换为弹性波的形式释放出去。从宏观的角度上来讲，岩体内部的缺陷在外力作用下贯通形成裂纹的过程会产生声发射现象。一般而言，若体在外力的作用下一般会经历大体四个阶段：内部缺陷压密、弹性变形、塑性变形和完全被压坏的阶段。这四个阶段分别会有不同强度、频率和数量的声发射事件的信号出现。由外力作用在岩体内部产生的裂纹及岩体内部缺陷产生的AE波以弹性波形式在岩体内