文摘

岩体的稳定性是被自然或人类活动,导致压力重新分配,导致岩体在一定压力的环境。本研究对砂岩进行了小扰动影响测试杆加载压力下修改分离式霍普金森压杆(SHPB)。结果表明,应力波的反射和透射特性的影响由于加载应力砂岩孔隙度的变化。加载应力都有一个特定影响应力波的频谱分布。频谱曲线经历了三个阶段,逐步增加,然后迅速衰减,最后顺利发展随着频率增加,和它的主导频率主要集中在0∼2千赫。加载应力有很大影响的主导频率的变化趋势。主导频率经历一个缓慢增加,然后趋于稳定,和总能量的频段显示快速衰减,然后温柔的发展,及其应力边界点σ/σc= 30%。总能量变弱为一阶指数函数及其衰减率显示了exponential-linear随着加载应力函数,从冲击端越远,总能量衰减越快。砂岩可以过滤高频波和低频波可以穿透岩石媒体更好。源越近距离的影响,频带的总能量就越大。频带能量主要集中在0∼36.62 kHz,频带的频率越高,能量越小比。因此,这些结论可以提供一个参考的进化分析开挖岩体应力波频谱。

1。介绍

岩体活动和岩石爆破所引起的应力波运动,机械钻孔、和振动的分类是最基本的物理现象,如隧道开挖和采矿工程(1- - - - - -6]。达到减少灾害预防和有效的施工的目的,研究岩体中应力波的传播特性基本上从未停止,因为能量衰减引起的应力波衰减。因此,岩体不稳定引起的自然或人类活动研究是由于这种行为不仅破坏了原岩的应力平衡,还会导致应力再分配的现象(7- - - - - -12]。

爆破信号时间短的特点,这是一个当地的非平稳信号积分时域和频域(13),因此很难观察到的振动频率和频谱能量的分布特征在时域由于复杂的应力波信号的频率分量。研究爆破振动信号是一个重要的组成部分,爆破震动场(14]。小波分析提供了一种新方法反演的实际波形和频域特征分析15]。小波分析被应用于工程检测(16,17和岩体爆破18,19]。然而,频带通过小波包变换的顺序不符合节点顺序由于数学算法的局限性,而且会有跳频现象(20.]。如果这个问题被忽略,频带不能准确定位,这将影响随后的时频分析的正确性。因此,它具有相当大的意义阐明频带之间的对应关系和小波包树中的节点顺序进行时频分析。陈等人。21分解和重构实测爆破振动波信号,然后获得了时间信号频谱重构的子频带。赵et al。22)发现,总能量和持续时间的主要频率几乎线性增加(23]。Zhang et al。20.)提出了一种预测方法的主导频率和振动频谱曲线根据粒子位移,振动速度和加速度谱。Trivino et al。24)研究了不同爆破条件的影响引入的信号频率和能量变化和平均频率的概念。歌和曹25]提出的爆破振动安全判据和阻尼措施围岩。

应力波的频谱特征反映了岩石损伤的基本信息和研究具有重要理论和应用价值。贾et al。26]分析了原始波形特征和二维谱特征,寻求内在频谱的破裂时间。金等。16]分析了主要频率和频谱形状的反射和透射波在围压下。可以看出,光谱的分布特征和频谱的能量冲击波信号从不同角度更加关注,这具有重要的理论和实践意义的安全爆破开挖的岩体。然而,频谱的分布特征和频带能量的岩石应力波在不同加载压力尚未报道。分离式霍普金森杆(SHPB)是最常用的技术调查的岩石性质和冲击荷载下的冲击波传播的问题17]。典型的SHPB由一个前锋酒吧,事件酒吧,酒吧和输出。事件之间的岩石样本放置栏和输出栏,和一个前锋酒吧冲击入射杆的一端生成一个压缩波。压缩波的传播通过事件栏向另一端接口标本。应变仪通常贴在入射杆和传动杆动作捕捉下的冲击波信号的影响。above-given过程如何影响压缩波应用于岩石样本。整个变形岩石中应力波的衰减特性不能获得,和岩石更重要的长度:直径比可以达到预期的效果通过设置多个测试点同时测量多个multidata应力波信号(27]。

在这项研究中,实验设计砂岩酒吧长径比为65,逐步改进的SHPB负载13个不同的加载压力,其次是分析关于波形特征从时空的角度衰减特征。然后,频域的分布特征,应力波的频谱,频带能量加载应力条件下基于实验数据进行了研究。希望这些实验结论可以为进化提供实际参考的频谱分析应力波在岩体开挖。

2。实验方案

2.1。监测装置

SHPB系统加载静态压力和动态加载的功能,它可以提供监测岩石中应力波传播的可能性。实验系统主要由轴向加载装置,速度计装置,动态加载设备,数据采集,并显示设备,如图1。因为大长径比的岩石样本,传统的SHPB实验原理不再适用于这个测试(18]。因此,多个应变仪直接结合到样品表面捕捉每个加载应力下的应力波信号。入射杆和传动杆的直径50毫米的SHPB试验系统,和他们的长度是2000毫米和500毫米,分别。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
实验系统图。

总结了设备参数如下:(我)轴向加载装置由液压泵控制实现静态应力的加载。液压泵的加载范围是0∼25 MPa,及其最小规模为0.50 MPa。油压力设置为0 MPa, 1, 2, 3,…,nMPa。最大油压n相关的最大抗压强度(σ米砂岩的酒吧。(2)测速仪设备由JXCS-02记时计、激光发射和接收装置。监测范围和分辨率0.1∼99999.9μ年代和±0.1μ年代,分别。测速仪的设备可以用来衡量前锋栏速度的影响。(3)动态加载装置包括影响酒吧,高压气体,发射腔。高压空气可以提供影响动能发射腔前锋的酒吧里,和输入产生的应力波在砂岩栏。前锋栏可以负载half-sine波和消除Pochhammer-Chree振荡(3,16]。(iv)数据采集设备是一个SDY2017A动态应变仪的应变灵敏度系数和2.00 k和0.001 V /με。示例中的应力波信号可以收集的动态应变计和应变仪连接,和它的采样时间范围从−100μ年代到900μ年代。数据显示设备是YokowagaDL850E示波器信号放大功能,测试精度,转换分辨率0.005%,12位a / D,分别。

2.2。实验材料

样本来自赣州华平采石场,中国。砂岩是红色的和具有良好的完整性和均匀性。纵波速度、密度、粒径和原始孔隙度是2390.00 m / s, 2.35克/厘米3分别为5.22%和0.05∼2.00毫米。荧光分光光度法检测显示的主要矿物组成是石英(SiO2)与76.80%的组成内容。图2显示了标准样品的应力-应变曲线(Φ50毫米×100毫米)(3),这表明失败过程经历压实(OP),弹性变形(PQ),裂缝发展和扩张阶段(MN) (QM)和失败。单轴抗压强度(σc)和弹性模量(E)是52.00 MPa,分别和5.65的绩点。


图2
标准砂岩的应力-应变曲线。

得到应力波在不同加载压力和调查频谱的分布特征和频带能量,需要考虑三个因素包括多点安排,砂岩脆性,和加载应力范围(17]。实验目的,采取以下措施:(我)需要测试多个组的应力波信号在每个加载压力,和岩石样本应设计成大长径比坚持各种应变仪。(2)考虑砂石材料的脆性破坏特征和处理困难,样品处理与一段砂岩酒吧80毫米×80毫米和1500毫米的长度勘探测试后,其最终平滑度小于0.02毫米。(3)较大长径比的临界失稳压力低于标准样品(Φ50毫米×100毫米),因此它也是必要测试最大加载应力(临界失稳应力)砂岩酒吧。砂岩栏固定入射杆和传动杆之间,和轴向加载设备负载加载应力根据测试计划。三个小扰动影响每个轴向载荷下进行压力测试。砂岩栏被摧毁(如图3当轴向载荷压力为39.00 MPa)。临界失稳压力是39 MPa。


图3
临界不稳定砂岩酒吧。

应该指出,横截面积之间的比例系数的入口管的液压油泵和有效砂岩酒吧的横截面积是1:2.76。最大油压n设置为12 MPa,即最大加载应力可以被确定为2.76 MPa×12 = 33.12 MPa < 39.00 MPa。因此,加载应力(σ砂岩的酒吧都是0,2.76,5.52,8.28,…,24.84,27.60,30.36,33.12 MPa。加载压力和油压满足之间的关系σ= 2.76n。

2.3。实验的程序

得到不同加载应力下应力波信号,实验过程和原则如下:(我)应变仪排列等距的岩石表面。安排5应变仪(一个,B,C,D,E在样品表面)。两个纵向对称应变仪连接到每个测试点降低误差,其电阻值大小,电源电压,灵敏度系数,和应变极限是120±1Ω,8毫米×5毫米,3∼10 V,应变极限是20000±2.0%μm / m,分别。(2)砂岩栏组装到SHPB系统。两个钢垫耦合剂添加到砂岩栏之间的接口和事件栏(bar)传播,防止应力集中现象的发生,减少inter-facial摩擦,保证优秀的应力波的传播。(3)连接压力计和压力负荷。砂岩栏是由轴向载荷加载到一定值的设备。三个影响测试相同的打击力量在每个加载应力并保存进行应力波。先前的研究表明,当应力波振幅小于60%的单轴抗压强度、循环应力波造成的损害可能被忽略28]。高压气体的力量被设置为0.25 MPa达到4.38 m / s的速度产生影响。速度由速度计测量装置的影响。

3所示。结果和讨论

3.1。波形特点和乐队选择应力波

它是可行的和有效的方法来研究应力波的传播特性或冲击波通过测量电压信号时岩石应力、应变等参数无法测量(28]。图4显示了典型的应力波加载应力为0,2.76,11.04,19.32,27.60,和33.13 MPa。应力波的振幅特点是电压值,和积极的和消极的纵坐标表示拉伸波和压缩波。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图4
应力波在不同加载压力(14]。(一)0 MPa。(b) 2.76 MPa。(c) 11.04 MPa。(d) 19.32 MPa。(e) 27.60 MPa。(f) 33.12 MPa。

图4显示加载压力的存在与否有显著影响应力波的波传播。当没有加载压力,只有存在压缩波和几乎没有拉伸波,这是由于毛孔的主要存在于样本没有次生孔隙,在孔隙和应力波的反射现象界面不明显。当加载应力超过0 MPa,拉伸波出现在应力波的尾巴在每个测试点,和加载应力越大,发生拉伸幅度越明显。除此之外,随着时间增加,应力波的第一个跳沿负方向达到压缩波,然后应力波继续爬到形成一个拉伸波,然后逐渐趋于稳定,显示压缩波和拉伸波的共存。此外,在相同的加载压力,随着传播距离的增加,压缩波的峰值逐渐降低,波形是相似的。

爆炸引起的压缩波或影响行为会发生透射和反射现象在岩石孔隙或裂缝界面(29日),其透射系数和反射系数与波阻抗和岩石孔隙度有关。在应力波传播过程中,压缩波和拉伸波会产生压应力和拉应力,从而导致岩石受重复compression-tension效应和岩石将导致失败当这个compression-tension动作达到临界程度。图4表明,随着传播时间增加,压缩波输入的影响酒吧正逐渐变成一个拉伸波和之间有一个明显的延迟现象压缩波的峰值和拉伸波高峰,和延迟特性明显受到荷载应力的影响。时空衰减法、波形特征和应力波的能量耗散在其他论文。有必要分析频谱分配和频带能量的变化规律的过程中压缩波转换为拉伸波。因为实验采集的时间远远长于应力波延迟,同时改进应力波数据,所以我们选择合适的波段数据进行小波分解。小波分解的波段数据如表所示1,起点和终点的波段是压缩波的峰值和拉伸波的峰值,分别。工作条件63∼522μ年代是一个很好的例子,当加载压力是0 MPa在应变计,表明63年起点和终点μ年代和522μ年代,分别。

表1
波段数据的小波分解。
3.2。频谱分布特征

加载压力对压力波形有显著的影响,以及时域波形变化密切相关的分布特征在频域频谱。由高频应力波和低频波,和应力波在不同频段对应不同的衰减特征(30.]。相应的频谱曲线是通过快速傅里叶变换频谱特征,如图5。的最大振幅频谱称为主导频率峰值,对应于最大振幅和频率称为优势频率。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图5
应力波的频谱曲线。(一)0 MPa。(b) 2.76 MPa。(c) 11.04 MPa。(d) 19.32 MPa。(e) 27.60 MPa。(f) 33.12 MPa。

从图可以看出5上的加载压力有一定影响应力波的频谱分布。可以总结以下结论:(1)频谱的形状和它的发展趋势是相似的任意载荷作用下压力。频谱曲线经历了三个阶段,逐步增加,然后迅速衰减,最后顺利发展随着频率的增加,这一现象可以解释通过一维应力波理论31日]。因为不同的加载应力下的应力波具有相同的冲击强度,应力波在同一时域频域也有类似的特点,符合结果的金等。16]。(2)的主要频率峰值频谱曲线更加突出在相同加载压力,几乎没有二级主频率、应力波的主导频率集中在0∼2 kHz的频率相对较低。频谱曲线逐渐趋于0 mV时4∼10 kHz的频率阶段。(3)应力波的峰值的主要频率逐渐降低,增加传播距离和加载压力,和衰减程度与砂岩孔隙度的演化。

3.3。加载压力主导频率的影响

图6显示了优势频率的变化趋势随着加载应力在不同应变指标,表明加载应力有很大的影响占主导地位的应力波的频率。主导频率变化曲线的发展趋势是相似的,在不同的点,所有经历一个缓慢增加第一然后趋于稳定。如果加载应力的比值(σ)到单轴抗压强度(σc)选为判断依据,above-given压力边界点的两个阶段的主导频率变化曲线σ/σc= 30%,符合划分点的应力波的峰值3]。


图6
主频率变化的趋势。

非线性阶段的主导频率变化特性和线性分析如下阶段:当σ/σc小于30%,但占主导地位的频率具有一定程度的离散特征,它往往非线性增长缓慢不同强度与加载应力的增长。这是因为砂岩原生孔隙内部似乎压缩和调整的地方断裂结构在应力强化阶段随着加载应力增加,导致应力波的传播和反射能力。孔隙度的减少导致的减速孔隙应力波的能量吸收能力,然后导致优势频率增加缓慢。随着加载压力继续增加,占主导地位的频率逐渐趋于稳定发展应力比大于30%时,和它的变化范围是0.60∼1.20 kHz。这是因为随着加载应力增加,毛孔关闭,新的砂岩孔隙的数量大约相等,总孔隙的数量在一个相对稳定的状态,和应力波能量的吸收程度逐渐稳定,导致一个较小的范围内波动的主导频率。

除此之外,它是发现,越接近测量点是砂岩与主导频率的事件结束在相同加载压力、主频率值越大。原因是收集到的应力波信号主要是宽带波组成的不同频率和不同衰减水平。人们普遍认为,高频应力波的衰减强度高于低频应力波(32]。高频波在砂岩通过毛孔吸收或损坏,和相对较少的高频应力波拦截在后来的测试点。这也表明,砂岩在不同加载压力过滤操作在不同程度的高频应力波。上述分析表明,加载应力的增加导致孔隙度的变化和导致的非线性和线性阶段占主导地位的频率。主频率的变化趋势也表明应力波的频谱不同的敏感性不同加载应力范围。回归分析显示了指数函数可以描述主频率和加载应力之间的关系。

图7展品衰变率的变化趋势(Vfd)的优势频率计算(f达−f德)/ 0.80,f达和f德应变仪的主要频率吗一个和E0.80(米)应变仪的距离一个和E。可以得出结论,优势频率的衰减率逐渐降低,增加加载压力、主频率的衰减率离散程度较高但减少非线性压力小的地区作为一个整体。在高压力的地区,衰变率的离散程度随着加载应力逐渐减小,显示一个典型的线性衰减。高压区域和低应力区域的分界点σ/σc= 30%,这与之前的分析是一致的。此外,鉴于linear-exponential函数来描述之间的关系优势频率和加载应力的衰减率。


图7
衰变率的优势频率的变化趋势。
3.4。频带能量特征
3.4.1。乐队的频带分解和重新排序

分解层数应该决定根据测量应力波信号,采样频率时应力波信号小波包分解。考虑到half-sine波相同的冲击强度和采样频率是1 MHz,奈奎斯特频率是500千赫基于抽样理论(33]。因此,收集到的应力波信号分解在12层,其中包括4096小波包,每个小波包系数对应于一个频带,和带宽中每个节点对应层12是122.07赫兹。小波包系数根据Parlay秩序[命令23),导致层12排序的频带x(12,我)(我= 1∼4095)小波包分解后并不是一个严格的自然数序列增量。nonincremental系数需要重新安排,表示N(我)(我= 1∼4095)。重新排序系数在小波包分解得到根据基于MATLAB的小波包分解算法编程,同时重新排序的频带范围从低到高如表所示2。

表2
重新排序的频带范围内。
3.4.2。加载应力对频带能量的影响

的分解系数可以重构小波包分解后的频带,然后可以提炼出不同频段的压力波实现频带能量分析。应力波的频带能量被定义为振幅的平方,和频带j12层表示为 。频带能量可以表示如下: 在哪里 代表了离散重构信号的振幅 ,j= 0,1,2,…,212−1;k= 1,2,…米;米代表抽样数量。

的总能量(Ef)的频段可以表示如下:

频带的能量配给可以写成:

图8显示了总能量的变化趋势与加载压力的增加,表明总能量频带的类似的发展趋势,以及所有体验一次快速衰减,然后顺利发展。两个阶段的应力边界点σ/σc= 30%,一样的应力边界点的主导频率的变化趋势。的相对变化的总能量频带时41.69∼49.98%应力比σ/σc从0增加到30%,显示出显著的非线性衰减。只有0.56∼12.26%相对应力比时总能量的变化σ/σc超过30%,有一个稳定的线性发展。


图8
总能量的变化趋势随着加载应力的增加。

此外,图8体现的总能量频带相同载荷作用下应力满足E足总>E神奇动物>E足球俱乐部>EfD>E菲随着传播距离的增加。描述总能量的衰减程度与加载压力的增加,回归分析表明,总能量和加载应力之间的关系是一个指数函数。回归参数如表所示3。Ef0,Ef1回归参数与加载应力有关。R0衰减系数,代表总能量的衰减程度的频带。可以看到,衰减系数随传播距离的增加,表明从冲击端越远,越快的总能量衰减频带。

表3
回归方程的相关参数。

研究总能量的衰变率的频带加载应力增加,衰减率被定义为η0= (E办公自动化−EOE)/E办公自动化, ,和 应变仪的总能量吗一个和E。图9显示之间的关系总能量的衰变速率和加载压力,揭示衰变率缓慢衰减的振荡与增加加载压力作为一个整体,并逐渐趋向于稳定的应力比时σ/σc= 30%。回归方程显示之间的关系总能量的衰变速率和加载应力是一个exponential-linear函数、衰减系数、和相关系数分别是0.0040和0.7366。


图9
总能量的衰变速率和加载应力之间的关系。
3.4.3。传播距离对频带能量的影响

图10显示的总能量在不同加载应力。总能量的回归分析表明,不同强度的频段降低线性随着传播距离的增加,线性斜率是在4.14和21.94之间。线性斜率可以描述总能量的衰减强度,发现增加加载应力的衰减强度逐渐降低,如图11。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图10
总能量频带。(一)0 MPa。(b) 2.76 MPa。(c) 11.04 MPa。(d) 19.32 MPa。(e) 27.60 MPa。(f) 33.12 MPa。

图11
衰减强度和加载应力之间的关系。

可以看到,总能量衰减强度的演变趋势表明,衰减强度明显经历一个快速衰减,然后逐渐趋于稳定,有一个类似的总能量的衰变率的发展趋势图9。衰减强度从19.57减少到10.42米−1平均应力比时衰减率是17.80%σ/σc增加到30%。衰减强度从6.19减少到4.14米−1平均应力比时衰减率是6.76%σ/σc是30%以上。因此,无论是衰减强度或平均衰减率,它们的值的压力小的区域明显大于高压力的区域,这是与砂岩的应力增强程度(27,28]。此外,压力边界点的衰减强度的变化趋势σ/σc= 30%,哪些是一样的人物7。对数函数可以揭示统计衰减强度和加载应力之间的关系。

3.4.4。加载应力对频带的能量配给

所选波段数据的小波包分解在不同加载应力是由Matlab程序,即分解为12层包括4096频段带宽为122.07赫兹。然而,发现应力波信号频率的地区主要集中在相对较低的频率。现在有300频段作为一个整体,4096频段划分为14个频段,0 36.62∼36.62∼73.24,73.24∼109.86,…,439.45∼476.07,和476.07∼500 kHz,分别。应该指出,去年频带只包括196乐队,和它的带宽不同于第一个13带宽。

表4显示了在不同频带的能量比应变仪。可以看到,频带的能量比率在任何加载应力主要集中在第一个频带0∼36.62 kHz,它的能量比例相应的加载应力应变仪一个来E86.71∼91.05%,80.77∼92.94%,80.21∼86.15%,75.74∼81.15%,分别和73.65∼85.23%。然而,其他频带的能量比率不到5%。同样的应变计,能量比随频率的增加,频率越高,能量越小比例;否则,能量比越大。因此可以得出结论,砂岩的高频滤波对应力波的影响,高频应力波将过滤通过砂岩裂缝,和低频应力波有较强的渗透能力,这是符合现有的结论(32,33]。

表4
频带的能量配给。

4所示。结论

使用江西赣州砂岩,中国,作为测试材料、波形特征,频域的分布特点,频谱,频带的能量应力波加载应力条件下,研究了基于小扰动影响测试相同的冲击强度在不同加载应力。可以得出的结论如下:(1)应力波的反射和透射特性的影响由于加载应力砂岩孔隙度的变化。加载应力都有一个特定影响应力波的频谱分布。频谱曲线经历了三个阶段,逐步增加,然后迅速衰减,最后顺利发展的频率增加。主导频率峰值更突出,几乎没有二级主频率、应力波的主导频率集中在0∼2 kHz的频率相对较低。(2)加载应力有很大影响的主导频率的变化趋势。占主导地位的频率都经历一个缓慢增加第一然后趋于稳定增加加载压力,及其应力边界点σ/σc= 30%。主频率增加指数及其衰变率变弱linear-exponential函数随着加载应力的增加,这意味着应力波的频谱有不同的敏感性不同加载应力范围。从冲击端越远,总能量衰减越快。总能量的衰减速度变弱显示了exponential-linear函数揭示衰减强度和加载应力之间的关系。(3)砂岩高频滤波对应力波的影响,高频应力波将过滤通过砂岩裂缝,和低频应力波具有很强的穿透能力。任何加载应力下的应力波能量主要集中在第一个频带0∼36.62 kHz。的能量比随频率增大而减小。频率越高,能量越小比。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

中国的国家自然科学基金(批准号52178393),陕西创新能力的科技创新团队支持计划(批准号2020 td005),科技创新项目中国铁建大桥工程局集团有限公司有限公司(批准号dqj - 2020 b07)。