摘 要

如今反映岩石内部结构变化最广泛的一种方式是运用声发射技术，使用相关设备监测声发射信号，并对收集到的声发射信号进行分析和研究，可以推断出岩石内部性质的变化，演化出岩石的破坏机制。

分形学是所有不规则几何物体科学的概括，能够较好的解决复杂性的岩石力学问题，而声发射信号在某种程度上具有分形的特征，所以运用分形学的理论对声发射信号的振铃计数进行计算并分析，总结出其关联维数的变化规律，以此来了解岩石破坏的变化过程。

本文主要研究了在单轴压缩加载下大理岩石的声发射特性和声发射振铃计数的分形特性，主要做了如下工作：

1. 进行了单轴压缩试验，分析了声发射信号应力和轴向应变的曲线图，振铃计数、时间和应力的曲线图，分析得出在整个大理岩石试样加载的前期，岩样的应力随着应变的增大而加速增长，随后斜率趋于稳定，这是标准的大理岩石应力应变曲线；同时，在加载的初期声发射振铃计数较少，之后随着加载的持续进行，振铃计数逐渐增多，在达到峰值应力时，声发射振铃计数达到最大值，之后随着应力的减小，声发射振铃计数大幅度减少。

(2) 结合相关分形理论的知识，并借助MATLAB计算软件对声发射信号的振铃计数的关联维数进行计算，计算关联维数是需要引入嵌入维数。经过分析得出关联维数在嵌入维数m=10时开始趋于稳定，所以m=10可以作为嵌入维数。

(3) 通过分析在不同应力区间下关联维数的变化，研究在应力坐标下关联维数的变化特性。关联维数随应力水平的变化大致可以分为较小段、突增段、起伏段和急剧变化段四个阶段，大理岩石破裂过程中小事件占主导，关联维数急剧降低到最小预示着宏观主破裂发生的前兆；同时，不同的应力水平划分方式关联维数随应力水平的变化曲线大致相同，不同的应力水平划分方式对关联维数的变化没有什么影响。

关键词：岩石破裂；声发射；分形学；振铃计数

Abstract

Acoustic emission technology is one of the most common acoustic methods to do a research on internal properties of rock. Through the test of rock acoustic emission signal, and analyze the acoustic emission signal collected ,infer the nature of change within the rock, inversion of he failure mechanism of rock .

Fractal theory is a summary of all irregular geometric objects of science，it can solve the complexity problem of rock mechanics. The acoustic emission signal in a certain extent, have fractal characteristics, so the application of fractal theory on acoustic emission signal of ring down count of calculation and analysis, summed up the correlation dimension of variation, in order to understand the change process of rock failure.

This paper mainly studies the acoustic emission characteristics and fractal characteristics of Dali rock under uniaxial compression loading. The main contents are follows:

1. For the preparation of marble specimen for cylindrical specimens, and then on the specimens made of uniaxial compression test. Analyses the curve of stress and axial strain, the curve of counting, stress and time. Analyses that in the early of Dali rock sample loading, rock stress with strain increasing and accelerating growth, then slope tends to be stable, which is standard Dali rock stress strain curve. At the same time, in the early sound of loading emission ringing count less, after with loading, ringing counts gradually increased, when the stress reaches the peak, acoustic emission ringing count reaches a maximum value, then with the decrease of stress, ring count greatly reduced.
2. Combined with the fractal theory of knowledge, and by MATLAB calculation software of acoustic emission signal ringing count of correlation dimension calculation, calculation of correlation dimension is the introduction of embedding dimension. It is concluded that the correlation dimension of correlation dimension tends to be flat at m=10, so m=10 can be used as embedding dimension.

(3) Through the analysis on the correlation dimension changes under different stress range, study on the variation law of correlation dimension under the stress coordinate. The correlation dimension can be roughly divided into four stages, which are the short, the sudden increase, the fluctuation and the sharp change. Dali rock failure process is dominated by small events, The sharp reduction of the correlation dimension to the minimum indicates the precursor of the occurrence of macro main rupture. At the same time, the correlation dimension of the different stress levels is roughly the same as that of the stress level, and the different stress levels have no effect on the change of correlation dimension.

Key words: rock damage；acoustic emission ；fractal；ringing counts

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 IV

第1章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 声发射研究现状 2

1.2.2分形理论研究现状 3

1.3论文主要研究内容 3

1.4 技术路线图 4

第2章 声发射理论基础与分形几何理论基础 5

2.1声发射理论基础 5

2.1.1 声发射概念 5

2.1.2声发射技术的发展 5

2.1.3 声发射信号的特性参数 6

2.2分形几何理论基础 7

2.2.1分形的定义 7

2.2.2分形维数的类型 8

第3章 岩石单轴压缩试验 11

3.1 实验内容 11

3.1.1 实验试件 11

3.1.2 实验设备 11

3.2 加载方式 13

3.3 试验结果 13

3.4 本章小结 14

第4章 声发射关联维数的计算与分析 15

4.1分形维数计算基础 15

4.2关联维数的计算 16

4.2.1关联维数的计算步骤 16

4.2.2嵌入维数m值和时间延迟的确定 16

4.2.3不同应力水平下关联维数计算 19

4.3 关联维数变化特性分析 22

4.4不同应力划分方式对关联维数变化的影响 23

4.5 本章小节 24

第5章 结论与展望 26

5.1结论 26

5.2展望 26

致 谢 28

参考文献 29

第1章 绪论

1.1研究的目的及意义

岩石的整个破坏过程和自己内部的结构性质对声发射信号的强弱起着至关重要的作用。大量的检测表明在岩石受力的作用破坏的过程中的每一个阶段声发射信号的各种参数也是完全不同的。但是声发射信号的变化也不是完全没有规律的，虽然在某些阶段声发射信号表现的十分的杂乱，毫无规律可寻。但声发射信号毕竟与岩石内部的性质结构存在一定的关系，在岩石失稳破坏之前声发射信号肯定会有一个特定的变化，我们可以通过实验所得的数据计算分析出具体的变化，进而为实际工程岩石破坏失稳预警提供判别依据。即使对于岩石的声发射技术的监测和应用，研究人员已经做了广泛研究并取得了巨大的进步，但是岩石材料的破坏过程并不能被人为直观的看到并且结构也十分复杂，同时声发射信号又是毫无规律的，所以对于岩体在何时何地出现失稳现象，想要做出预测还是很困难的。在进行实际的监测预报时，研究人员只能根据自己的主观判断进行分析，准确性较低。所以在实际工程中根据声发射技术所检测出来的结论并不能有足够的说服力度，我们还需要努力研究出一种合适的方法来使声发射检测的技术能够更好地运用到实际工程中去，使它能够更加契合实际工程的实际情况，做出一个准确地判断。

分形学由法国数学家Manderlbrot，它的基本思想是自相似性。1985年我国研究人员谢和平首次将分形理论应用到岩石破坏声发射规律的室内研究之中。这在国内也是分形学运用到岩石力学上的一个突破性发展。如今，分形理论已经被广泛地应用于研究复杂性的岩石问题，这是因为岩石在很多方面都表现出了分形的特征，所以运用分形理论来研究岩石的声发射信号，将不规律的声发射信号能够体现出其最本质的特征。同时来反映岩石破裂变化内部最本质的特征。