利用声发射监测技术通过赫斯特指数确定岩石的损伤强度

《Scientific Reports》：Determining rock damage strength with acoustic emission monitoring technique in terms of hurst exponent

　　

摘要

< />σ_cd）则是描述岩体渐进破坏过程的关键阈值参数。因此，准确确定σ_cd是实现地质灾害早期预警和短期预测的重要任务之一。本文基于声发射监测数据，提出了一种基于重叠滑动窗口的改进型重标度范围（R/S）分析方法，用于动态计算声发射计数率及声发射能量率时间序列的赫斯特指数（H），以此来表征岩体破坏过程中的统计特征变化。此外，还在五种不同的应变率条件下对花岗岩、砂岩和玄武岩进行了单轴压缩试验，并分析了加载过程中H值的变化情况。随后结合H值变化的物理机制确定了σ_cd的值。最后，通过赫斯特指数得到的σ_cd值与基于裂纹体积应变（CVS）方法确定的值进行了对比验证。研究结果表明，在准静态加载条件下，声发射计数率和声发射能量率序列中的H值在整个破坏阶段通常先下降，随后上升，最终达到峰值。当以声发射能量率而非声发射计数率、声发射累积计数或声发射累积能量来表示赫斯特指数时，基于H值的σ_cd与基于CVS方法的σ_cd之间的差异最小。本文提出的方法在低应变率条件下的硬岩研究中具有较好的适用性，为定量识别岩体不稳定性和实现地质灾害早期预警提供了新的思路。