基于混沌理论的岩石声发射性能研究

论文摘要

声发射技术作为对岩土工程进行安全监测的有效手段之一,近年来越来越得到广泛应用,然而在声发射技术的实际监测预报应用中却还存在一些问题。究其原因是岩体系统是高度非线性复杂大系统,并处于动态不可逆演化之中,人们尚未完全掌握岩石破坏的特征。要对岩石（体）的力学行为进行预测和控制,应该借助当代非线性科学,建立适合于岩石力学与工程特点的岩石非线性静力和动力系统理论。而混沌是非线性数学、力学研究的一个热点,它也是非线性系统的根本特征之一。岩体系统中存在大量的非稳定数据和离散的非均匀数据,如位移、声发射、地震的时序记录数据等,均有可能用混沌模型予以很好的描述,并能揭示出更深刻的岩体力学机制与规律。基于以上思想,本文主要研究工作为:①本文采用AG-I液压伺服材料试验机以及PCI-2声发射仪等仪器设备,对钙质泥岩、砂岩、细砂岩、高丽山砂岩四种不同的岩石,进行单轴压缩破坏试验和声发射试验,运用声发射仪器监测岩石损伤破坏过程中的声发射现象,记录下声发射事件数时序、声发射能量时序、位移（应变）时序及应力时序,运用非线性动力学原理建立岩石在失稳破坏过程中的非线性动力学数学模型。②对声发射事件数时序,进行了小波降噪处理,并进行了降噪后的混沌特征量的计算,与原始数据序列的结果做了对比,研究噪声对计算结果的影响。③针对试验记录的声发射事件数时序,分别计算了声发射时间序列的嵌入维数和延迟时间,延迟时间的选取采用互信息量法,嵌入维数的选取采用Cao方法和饱和关联维数法。④计算了声发射时间序列的特征量,分维数和Lyapunov指数（主要是最大Lyapunov指数）。分维数的不同定义和估计有不同结果,关联维数是最常用的分维数估计值,因此本文只采用了G-P关联积分法计算关联维数。对于最大Lyapunov指数的计算,则采用了小数据量法。从定性、定量两个方面对岩石声发射时间序列的混沌性质进行了判别,采用的定性方法为:主分量分析（PCA）方法;采用的定量分析方法为:饱和关联维数法和最大Lyapunov指数法。⑤对岩石破坏声发射信号前兆特征进行了探讨,对应用声发射基本参数判断岩石破坏进行了讨论,运用混沌分形理论建立声发射时间序列分维模型,通过讨论岩石破坏各阶段分形维数的变化,对岩石破坏的声发射前兆特征进行研究,寻找岩石破坏的判据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 声发射技术研究进展
• 1.2.2 混沌时间序列分析研究进展
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 技术路线
• 2 岩石声发射信号的小波去噪研究
• 2.1 引言
• 2.2 小波去噪的基本理论
• 2.2.1 小波分析
• 2.2.2 小波去噪基本理论
• 2.2.3 岩石声发射时间序列去噪时小波基的选取
• 2.2.4 岩石声发射时间序列小波基选取规则
• 2.3 实例分析
• 2.3.1 洛伦兹混沌序列去噪
• 2.3.2 岩石声发射时间序列去噪
• 2.4 本章小结
• 3 岩石声发射时间序列的混沌分析
• 3.1 引言
• 3.2 岩石声发射试验
• 3.2.1 试验原理
• 3.2.2 测试过程
• 3.2.3 声发射信号基本参数
• 3.2.4 试验结果及分析
• 3.3 岩石声发射时间序列相空间重构
• 3.3.1 互信息量法和延迟时间的确定
• 3.3.2 嵌入维数的确定
• 3.4 岩石声发射时间序列混沌识别
• 3.4.1 主分量分析（PCA）法
• 3.4.2 饱和关联维数法
• 3.4.3 小数据量法计算最大Lyapunov 指数法
• 3.5 本章小结
• 4 岩石破坏声发射前兆特征
• 4.1 引言
• 4.2 岩石破坏声发射前兆信息
• 4.2.1 声发射参数趋势预测法
• 4.2.2 岩石破坏分形识别特征
• 4.3 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 后续工作及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录