文摘

声发射(AE)和超声(UT)同时监控程序设计使用步骤荷载作用下混凝土样本。AE-UT的时变响应特性进行了研究,得出了AE-UT之间的互相关分析参数。此外,联合UT-AE空间分布场的响应进行了分析,和一个AE-UT联合监测方法检测岩爆灾害的预警信号提出了煤层。结果显示如下。在加载过程中,AE /脉冲能量和UT衰减系数首先缓慢下降,然后稳步增加,最后迅速增加,而UT速度显示先逐渐增加,然后缓慢下降的趋势,最后急剧下降。AE脉冲和能源显著或高度相关,但速度和衰减系数。AE能量和UT衰减系数可以更好地描述加载下混凝土的损伤演化的一步。UT领域发展的断裂表面上,和长/狭长分布地区的UT参数符合未来失败区;与此同时,AE事件可以直观地反映内部损伤的演化路径以及UT领域的动态迁移机制。

1。介绍

混凝土作为一种原材料广泛用于建筑工程等建筑,道路,桥梁和隧道。是非常重要的公共安全进行损伤分析,稳定监视和剩余寿命估算的建筑使用适当的方法(1]。各种技术,如表面形貌、扫描电子显微镜(SEM)、红外热成像、计算机断层扫描(CT)和电磁辐射(EMR)被用来观察损伤过程在实验室测试2,3]。近年来,被动(AE声发射)和主动(超声、UT)测试技术已经逐渐应用于结构不稳定和安全监测4,5]。

UT监测技术是一种主动的无损检测方法。分析接收的UT波响应法律,我们可以获取材料的损伤状态,预测材料的强度,和结构不稳定的提供早期预警灾害(6- - - - - -9]。许多学者进行了大量的研究之间的相关性UT参数和应力裂纹的演化过程。努尔(10)研究微裂隙对波速的影响,以及波速之间的二次函数关系和应力在裂纹闭合阶段总结。刘等人。11UT之间)建立了多项式回归参数(速度、振幅和频率)和压力水平下的煤炭一步加载和UT速度之间的关系,讨论裂缝宽度,和损伤变量。莫利纳,瓦克(12)描述断裂领域特点结合表面裂纹图像和UT衰减,他们解释说,UT衰减有高灵敏度裂纹扩展。太阳和朱13]报道了波速与应力/应变之间的关系在脆性岩石的破裂过程和发现波速的临界点来预测地质灾害基于威布尔分布和重整化群理论。所有这些研究表明,UT参数和外加应力有着密切的关系,和关闭,启动,传播和聚结过程的内部裂缝的基本原因是UT参数的变化。

AE是一种弹性波产生的变形和一代的微裂隙,这是一个强大的工具来调查内部损伤演化的三维空间(14- - - - - -16]。作为一个被动监测方法,AE技术已广泛应用于科学研究的许多方面和领域的应用。肖et al。17)研究了AE时变和频谱响应特性在不同的动态破坏场景基于应力释放率。王等人。18)建立了AE之间的内在关系和损伤/应力/应变参数,可用于动态地评估损失和试样的应力状态AE参数。利用三维AE定位技术,刘等人。19和王et al。20.)获得微裂隙的演化路径开始,传播、聚结,视觉上成核和更好的理解岩石破裂的微观演化机制。刘等人。21)建立了一个微震的系统监控隐伏断层活化过程在采矿活动和微地震信号的获得关键信息对岩爆灾害早期预警。

通过AE持续监控、微裂隙的发展可以定量分析描述损伤状态,这是问题的根源UT加载过程中的参数变化。一些学者进行了一些有益的探索在AE和UT同时监测在加载条件下(22,23),但仍存在以下问题:AE和UT已经意识到综合监控,但是他们的分析只是从一个方面,缺乏共同响应特性;AE和UT都密切相关的破坏状态,但目前尚不清楚AE和UT参数是相关的。UT监控可以定量评估损伤状态,但它只可以损伤状态在一定压力而不是实时动态迁移路径及其机制。AE定位技术可以作为一个好的工具来观察内部裂纹的实时演化。但AE和UT空间分布特征的联合分析仍然是一个空白,虽然它是更好地理解微观演化的关键机制和灾害预警与不稳定。

在此基础上,AE和UT同步监测系统加载下混凝土的一步是设计和AE /脉冲能量的响应特性和UT速度/首先衰减系数进行了分析。然后,AE和UT参数之间的相关性研究使用相关分析。此外,联合UT和AE空间分布场的响应特性进行了分析,结合地表破裂的形象。最后,AE-UT联合监测方法提出了岩爆预警煤层。研究结果可以提供重要的实验依据损伤评估、灾害预警、不稳定和损伤演化机制的全面了解。

2。实验系统和程序

2.1。实验系统的方案

实验系统主要包括加载系统、AE监测系统,但监测系统(图1)。进行的实验是在屏蔽室可分离的大部分环境噪音和提供一个相对稳定的/安静的条件。加载系统是一个由微机控制电液伺服压力试验机(YAW4306),可进行单轴,一步,和交变载荷压缩测试。

AE监测系统的岩石测试Express-8 24通道。为了实现三维定位功能,8 AE传感器(NONA-30)被安排在不同的坐标位置(图1和表1)。AE定位算法是基于时差定位方法。纵波阈值穿越技术用于确定AE到达时间,和速度的平均值9分部分应力水平3.3。AE传感器连接和固定在样品表面的一个特殊的偶联剂。导致打破幅度应高于90 dB确保AE传感器和样品之间的耦合质量是好的。前置放大器的值和AE阈值都是40 dB和AE采样率是1议员。

UT监测系统主要包括UT信号的生成和接收系统(arb - 1410卡),生成并收到UT探针(NANO-30),和一个前置放大器。arb - 1410卡可以生成各种UT信号不同的频率和振幅,以及详细的信息生成的UT信号如图2(一个)和表2。获取UT领域,我们使用UT测试点如图91和表1。UT速度和衰减系数是最基本的UT参数关联与外加应力强。但速度和衰减系数的计算如下所示(11,24]: 在哪里但速度(米/秒);在样本的距离(米);和是修改生成的,但第一波的到达时间,分别为(s);衰减系数(dB / m);和生成的振幅和接收UT第一波,分别(dB)。

UT信号将被记录在电压形式的软件。所以,在公式(2)可以计算出来,电压信号必须转换为波信号通过以下公式: 在哪里一个UT的振幅波(dB);B是记录的UT波的电压(V);以前是前置放大器的值在表2。

UT信号的到达时间是决定使用第一波阈值由软件自动交叉技术。但是到达时间的决心有不准确的时候,因此有必要修改UT信号的到达时间手动(如图2 (b))[11]。

2.2。样品制备

本文使用的混凝土样本是多维数据集(100 mm×100 mm×100 mm)总数的4。混凝土的材料样品主要包含水泥、砂、粗骨料,和水的质量比1:1.6:0.5:0.58。这些材料混合并搅拌均匀,然后把混合物倒入模具内和强烈振动,减少泡沫样品。然后,我们应该把这些具体样品在阴凉通风的地方前28天实验。

2.3。实验测试程序

我们假设步骤加载实验中在每个加载步(图30 kN3)。应用加载速率为300 N / s。为了实现同步监测AE和UT,我们进行AE监测压力增加(SI)阶段,100年代前的压力稳定(FSS)阶段,和100年代后的压力稳定(LSS)阶段。在400年代中期的压力稳定(MSS)阶段,我们测试UT信号。完成上述准备后,我们应该开始装运机器和AE监测系统。当外加负载达到压力稳定的阶段,我们应该停止AE监测系统同时启动UT收集UT信号测试系统。完成9分的UT测试后,我们应该关闭UT AE监测监控系统并重新启动系统。这个循环重复,直到样品达到彻底失败。混凝土表面裂缝演化过程样本由数码相机记录下整个加载过程。

2.4。数据处理方法

摘要互相关分析(CCA)用于分析这两种信号的相关性。AE参数的离散系列(AE脉冲和能源)X和离散UT系列参数(速度和衰减系数)Y。所以,AE和UT信号之间的相关程度可以由相关系数表示 。 在哪里代表了th一步加载;加载步骤的总数;x_我AE参数吗th一步加载,AE脉冲和能量累积和SI的阶段,金融监督院阶段金融监督院阶段(th一步,−1)th步骤;UT速度和衰减系数的变化th一步加载;和的平均值吗x_我和y_我分别;r_xy是AE和UT信号的相关系数,和它的值范围是什么 ;当更接近于1,相关性较高,当更接近于0,两种信号的相关性很低。

两个信号的相关程度可分为4成绩根据相关系数:① 、弱或无相关性;② 、低相关;③ 显著相关;④ 、高相关性。

3所示。AE-UT时间具体步骤载荷作用下的响应特征

3.1。加载下混凝土的力学和裂缝增长特征

根据文献[13)和以前的测试结果混凝土力学性能,混凝土加载过程可以分为以下阶段(如图4):微裂纹闭合阶段我(办公自动化阶段):原混凝土内部微裂隙压实,和应力-应变曲线呈现凹类型;弹性阶段II (ab阶段):应力-应变曲线大约是线性的,少量的微裂隙将开始增长伴随着裂缝的发生,和裂缝随机分布;微裂纹萌生、稳定增长阶段III (公元前稳定阶段):微裂隙扩展,应力-应变曲线表现出非线性特征,和标本开始表现出损伤;加速微裂纹生长四期(cd阶段):微裂隙的发展呈现出一种质变和内部裂纹传播速度加快。在这个阶段,大量的内部裂缝内混凝土样品逐渐收敛和成核形成的主要断裂。

3.2。AE时变响应特性

在内部微裂隙的发展过程中,会有附带的AE信号。SI的AE时变响应特性,fs,和LSS阶段在不同加载步骤如图所示5。AE脉冲主要反映microruptures的频率而AE能量代表在断裂过程中释放的能量加载的混凝土。

在加载的初始阶段,声发射脉冲和能源的SI舞台很大,因为内部微裂隙的压实。应用负载的增加,原有的内部微裂隙变得更少,因为应用加载不到裂纹开裂应力产生新裂缝。因此,AE信号逐渐减少。然而,在fs和LSS阶段,压力是小和累积损伤效应相对较弱,所以初始微裂隙不能关闭,AE脉冲和能源都展示低价值但越来越倾向。与LSS阶段相比,金融监督院阶段的AE信号相对更活跃。当外加应力进入线弹性和微裂纹稳定增长阶段(12日到27日的MPa),内部的微裂隙开始生成样本。这些生成的裂缝是随机和数量相对稳定。所以,SI, fs,和LSS阶段,声发射脉冲和能源与一个小振幅稳定增加的趋势。当标本进入微裂纹加速成长阶段(27-36 MPa),会发生不可逆转的变形,小裂纹扩展和汇集形成大裂缝。SI的AE信号,fs,和LSS阶段都显示快速增加的趋势。 It is worth noting that the AE signals of the LSS stage begin to exceed the FSS stage, because the cracks will also develop with time although the stress is maintained. The specimen exhibits fatigue damage and shows a strong creep rheological property. When the specimen is approaching the failure stage (36–42 MPa), a large number of cracks are connected to form the macroscopic main failure. The AE signals of SI, FSS, and LSS stages reach the maximum value, and the total AE signals in the LSS stage exceed the SI stage when the specimen reaches complete failure in 9500 s.

3.3。但是时间序列响应特性

根据公式(1)- (3),但速度和衰减系数在不同应力计算,分别如图6。由于不规则的形状、大小和分布的混凝土内部裂纹试样,非均匀应力场,UT响应特性是不同的在不同的测试点虽然类似性格的改变一般。因此,本文运用平均值,最大值,最小值,和标准偏差值的9 UT测试点分析UT在每个压力响应特性。

从图6,我们可以看到,UT反应经历了三个阶段。在初始加载阶段(0 - 9 MPa),混凝土内部微裂隙压实,样本的装载加固特点一览无余。但速度增加,但衰减系数逐渐降低。随着外加应力增加,但平均速度减少慢慢地从4836 m / s MPa 9点30 MPa 3961 m / s,而衰减系数从2.36 dB /米增加到17.72 dB / m和增加15.36 dB / m。在这个阶段,应用应力超过了裂纹开裂应力,裂缝开始稳定发展。之后,样品进入加速微裂纹增长阶段,试样产生的大量的不可逆变形和小裂缝生长形成巨大的裂缝。UT速度和衰减系数都达到关键转折点对应的约70%的峰值应力。然后,UT速度开始大幅减少,平均速度在峰值应力降低了近40%,只有2659 m / s。但平均衰减系数显示急剧增加的趋势,达到59.58 dB / m在峰值应力,这就增加了7.5倍而没有应用加载下的价值。在整个加载过程中,UT的最大和最小值参数(速度、衰减系数)9测试点的平均值显示相同的趋势。 But the full range (difference between the maximum and minimum values) and the standard deviation of the 9 UT test points both decrease first and then increase. This phenomenon reveals that the concrete failure process is the combination of the identity and diversity change processes, in which the physical properties of concrete change from intrinsic heterogeneity to homogeneity and then to heterogeneity.

4所示。讨论

4.1。AE和UT参数之间的相关性分析

具体样本的断裂接种过程是一个不断发展的过程,包括初始微裂隙闭合,起始,传播和聚结。这些根源UT参数的变化。因此,必须有一个特定的UT和AE参数之间的相关性。根据公式(4),AE和UT参数之间的相关系数,计算结果如表所示3。

从表3的范围AE和UT参数之间是0.7383 - -0.7689,0.8106 - -0.8501,0.7693 - -0.8265,-0.8902和0.8446,平均值为0.7532,0.8326,0.7901,和0.8685,分别。相比之下,AE能量和UT参数之间的相关性优于AE脉冲,这表明AE能量可以更好地描述混凝土的损伤状态样本。的值UT衰减系数和AE脉冲之间和能源都是超过0.8,显示出高度的相关性,而UT速度与AE参数显著相关,而较低的相关性与衰减系数。断裂演化过程的本质是能量积累、移情、再分配和释放。AE能量和UT衰减系数都是来自能量参数的观点。他们表现出明显的优势代表试样的损伤状态和他们之间有高度的相关性。

4.2。联合AE和UT空间分布场的响应特征

混凝土样品的物理性质在空间分布不均匀。所以,这是很重要的方面的空间场分布完全理解破坏过程及其力学机制(25,26]。损伤和应力的空间分布可以获得在特定的时间使用UT监测(压力),但不能得到实时动态迁移路径及其机制。内部裂缝的发展和演化路径可以实时观察到视觉AE定位技术,它可以提供一个工具,揭示了UT空间场分布的演化过程。

在初始加载阶段(6 MPa,图7(一)和样品),内部裂缝接近逐渐变得均匀。UT速度和衰减系数的范围9测试点是4621 m / s ~ 5033 m / s, 4.09 dB / m ~ 4.52 dB / m,分别。和右上角区域是低速区与大能源AE事件集中区域一致。表面没有明显的裂纹增长断裂的形象。

当样品的线弹性阶段(15 MPa,图7 (b)),隐约可见细裂纹出现在右边的样品表面,并与大型能源AE事件的立场是一贯的集中地区。UT的分配速度降低而UT衰减系数增加从中心到边界。AE事件密度越大,越小但速度和UT衰减系数越大。大型能源AE事件开始出现和左边的损伤开始开发基于AE定位结果的领域。所有这些表明,正确的样品还在高应力区域,但是左边的压力显著增加和高压力开始迁移到左边的右边区域。

微裂纹的稳定增长阶段(21 MPa,图7 (c)),但速度和衰减系数的范围是3856 m / s ~ 4682 m / s, 14.44 dB / m ~ 17.04 dB / m,分别。UT的分散参数明显增加。高能AE事件进一步增加在左边的区域,这表明高应力区继续迁移到左边。一些可见的细裂缝开始出现左侧对应UT速度低,和裂缝进一步扩展右边底部的标本密度对应区域的AE事件。

在样品进入微裂纹加速增长阶段(30 MPa,图7 (d)右边),裂纹相互连接形成宏观裂纹。,也形成一个明显的细裂纹在左边的样品。UT速度严重减弱由于宏观裂纹的存在在右边。左边是一个高应力集中区域对应于低速度(高衰减系数)区。UT领域提出了一个狭长地带分布特点。大型能源AE事件也分布在板形,这是集中在左右的标本。这一狭长地带分布地区是未来宏观失效区。

当标本失败(39 MPa,图附近7 (e)),在左和右两端裂缝继续发展和合并形成一个宏观主要失败。失效模式是相似的“X”共轭楔分裂类型。由于宏观裂缝的存在,但参数严重减弱(速度降低,衰减系数增加)。所以,左派和右派双方速度很低(高衰减系数)区。根据AE事件字段和地表破裂图像,中间有小裂缝上方的样本,因此对应于高速区域(低衰减系数)。中间低的样本,有大量的高能AE事件和严重的裂缝发展速度对应于低区。的速度和衰减系数分布范围9测试点是2589 m / s ~ 3682 m / s, 36.36 dB / m ~ 50.27 dB / m,分别。UT的分散参数达到最大值。

5。现场应用前景和AE-UT联合监测的重要性

岩爆灾害是一种严重的煤矿地质动力灾害会导致大量的人员伤亡。尤其是开采深度的增加,地下工程面临特别严重的地理环境,如高地壳应力、高地温、高渗透压力,和强烈的干扰。在这样的地理区域,岩爆灾害的发生频率和强度逐渐增加。在开采过程中,在长壁前脸,高应力集中区域会发生。此外,采矿活动将产生强烈的扰动压力。综合效应下的静态应力和强烈的扰动应力高,工作面前方的区域更有可能出现岩爆灾害我们应该关注的地方。

根据实验和分析部分3和4,AE-UT联合监测有潜力成为一个有效的工具的岩爆预警。所以,我们建议使用AE-UT联合监测方法在长壁工作面预测岩爆灾害。详细的AE-UT联合监测煤层如图中的前景8。AE-UT监测区域内200工作面前方。有五个测量组在巷道上部和较低的道路。每组有四个UT测试点和两个AE监测传感器,如图8 (b),UT和AE传感器之间的距离在每组5米。第一组位于20米的工作面,并每组之间的距离是40米。每个AE-UT传感器的实时监控数据发送和存储在地下变电站。然后,监测数据将被转移到地面主机计算机通过通信端口。然后,我们可以分析AE-UT时空响应特性对岩爆灾害提供早期预警。在长壁工作面AE-UT监测方法有指导意义岩爆监测主要在以下两个方面。

它可以帮助确定岩爆灾害的重要前兆特征更全面、更准确地评估危险程度。AE参数开始大幅上升,但参数达到关键的转折点。UT场分布开始现在的狭长地带分布特征,和大型能源AE事件字段都聚集在一起。当上述情况出现,我们可以表明,煤层已进入加速发展阶段的损害。电脑会发出预警警报岩爆灾害发生的时间和地点。然后,采矿工人将采取一些措施,防止发生或减少灾害的后果。

它有利于进一步理解岩爆灾害的损伤演化过程和机制。岩爆灾害的发展期间,小骨折收敛形成大型骨折和骨折合并成大的主要失败。UT领域的进化可以反映应力场的迁移,而AE事件的位置可以代表微裂隙的发展和解释的动态迁移路径UT场分布。

6。结论

在压实阶段,AE /脉冲能量,呈下降趋势,但速度均呈增长趋势,而衰减系数逐渐降低。在裂纹稳定增长阶段,AE /脉冲能量与一个小振幅呈现稳定增长趋势,但速度缓慢下降,而且衰减系数逐渐增加。在微裂纹加速增长阶段,AE /脉冲能量和UT衰减系数呈现快速增长趋势,达到最大值,而速度极大地降低到最小值。

AE脉冲和能源与UT速度显著相关,而UT衰减系数变化与AE脉冲和能源高度相关。从能源的角度来看,AE能量和UT衰减系数可以携带更多的丰富信息的破坏状态,显示了明显的优势在代表连续损伤演化过程。

混凝土的破坏过程是身份和多样性的组合变化,加载的混凝土的物理性质的改变内在异质性同质性和异质性。UT的分散参数减少首先然后增加。在这个过程中,小裂缝收敛形成裂缝和大裂缝汇集形成的主要失败;UT领域的发展可以反映应力场的迁移,而AE事件的位置可以代表微裂隙的发展和解释的动态迁移路径UT场分布。UT和AE场分布演变的表面失败。长/窄带钢UT参数和分布地区的大能量AE事件集中区域符合未来失败区。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的基础研究基金为中央大学(2017 bscxb13)。