【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩土工程与声学，尤其涉及一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法。
技术介绍
1、随着经济的快速发展，基础设施建设事业迎来了蓬勃发展，超高层建筑、超深基坑不断出现，但地基失稳、基坑坍塌、路堤塌方等各种工程问题也时有发生。剪切带是一种典型的破坏模式，它在破坏过程中表现出明显的渐进式破坏特性，一般由局部应变化发展为剪切带，并随着剪切带的进一步发展至完全破坏。剪切带的萌生可以为土壤不稳定性提供早期预警，剪切带的演变决定了土壤的破坏模式和规模。剪切带是变形相关的内部颗粒相互作用的宏观表现。故从微观角度对剪切带破坏机制的研究具有重要意义。
2、人们已充分认识到岩土材料宏微观物理力学行为间密切关联，并通过以数字图像(dic)、x射线断层扫描(x-ray ct)等为代表的实验技术手段为两者搭建了桥梁，从颗粒运动轨迹、形态变化等角度，深刻了对砂土等岩土材料渐进式破坏机制的认识，但仍难以实时连续、三维可视化材料内部微观力学行为。原因在于dic技术局限于表面二维观测；x-rayct技术需以牺牲试验连续性为代价，满足x射线环扫试样的长时间操作需求，且设备价格昂贵。
3、考虑到前述挑战，仍然需要一种测量方法，可以实现在整个剪切过程中对内部颗粒相互作用的连续、实时和微观尺度的可视化。其中一个潜在的解决方案是应用声发射(ae)技术，这是一种先进的非破坏性测试方法。
4、声发射指的是在受应力材料内部存储的应变能突然释放时产生的弹性体波。这是由于裂缝形成和扩展、塑性变形或外部机械力等不可逆变化导致的。作为声
5、所以本专利技术提出了一种利用弹性波在饱和颗粒土中可沿水介质以相对恒定的速度沿直线传播的特性、在matlab软件中开发的基于到达时间差(toda)思想的声发射三维源定位方法.该方法在饱和颗粒土中应用，解决了颗粒土材料在剪切过程中剪切带萌生发展难以实时连续三维可视化追踪的问题，该方法可为相关岩土工程如滑裂面、破碎带等的定位追踪提供技术支撑。
技术实现思路
1、专利技术目的，本专利技术的目的在于提供一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，以解决上述
技术介绍
提出的出现的任一项问题。
2、技术方案，为实现上述目的，本专利技术提出一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，该方法包括以下步骤：
3、s1.将预制好的饱和颗粒土放置在三轴加载装置内部的基座上；
4、s2.在s1中放置的试样的侧壁及顶部安装声发射量测系统与激发波系统；
5、s3.控制三轴装置的围压系统并设置激发波系统的激发频率产生弹性波，由声发射测量系统接收，进行饱和颗粒土中弹性波波速测量；
6、s4.在试样表面使用一支带有聚四氟乙烯导向环的铅笔进行断铅试验，即plb试验；
7、s5.声发射测量系统拾取plb试验产生的声发射信号，使用回归分析自动判定声波的真实相位到达时间，基于toda思想得到的弹性波波速与相位达到时间，采用牛顿-拉夫森迭代求解，得到所有声发射源候选位置；
8、s6.选择在试样表面与内部的候选位置，采用最小二乘法，通过最小化残差平方和s来定位声发射源位置，得到声发射源三维位置与误差分布直方图；
9、s7.对声发射测量系统传感器坐标进行修正，控制三轴加载装置进行排水三轴剪切，拾取三轴压缩过程中产生的声发射信号，重复s5、s6过程，得到饱和颗粒土在排水三轴剪切过程中的声发射源三维位置分布图。
10、进一步的，步骤s2中，弹性波由激发波系统产生并由声发射测量系统接受，声发射测量系统是由8个r-cast 304压电型陶瓷声发射传感器，4个信号放大器和一个数据记录器组成，激发波系统由一个函数发生器，一个放大器和一个压电制动器组成。
11、进一步的，步骤3中，设定激发波系统及三轴压缩过程产生的弹性波在饱和颗粒土材料中波速保持恒定，弹性波被认定沿直线传播至声发射传感器。
12、进一步的，步骤4中，按照astm标准，使用硬度为2h，直径为3×10-4m的机械铅笔，在铅笔端部安装聚四氟乙烯导向环，使铅笔芯断裂，产生弹性波，断裂长度控制在2.5×10-3m内。
13、进一步的，步骤5的方法如下：
14、5.1、声发射测量系统拾取plb断裂产生的声发射信号，通过自回归akaike信息准则ar-aic选择器自动确定相位到达，第k个采样点的aic值由下式确定，aic最小值认定为真正的相位到达时间；
15、
16、其中，和是噪声部分和信号部分的最大幅度方差，c是常数值，p是阶数，设置为6，k是声波波形的第k个采样点，n为声波波形的长度；
17、5.2、对于不同传感器确定的相位到达时间进行同一声发射源判定：
18、
19、
20、其中，tq搜索时间，ti到达时间，δt最大时间间隙，dmax为两传感器之间的最大空间距离，v为测量的弹性波波速；
21、设nae为满足同一源判定的声发射传感器数量，nae≥5时，则进入步骤5.3；
22、5.3、基于到达时间差思想得到方程：
23、
24、式中，(xi，yi，zi)和ti分别表示第i个传感器的空间坐标和相位到达时间，(x，y，z)和t表示声发射源的未知空间坐标和起始时间；
25、将测量得到的弹性波波速，不同声发射传感器坐标及该传感器测得的真实相位到达时间带入上式得到多个线性方程，线性方程组数随机取4个组成四方程组如下：
26、
27、5.4、使用newton–raphson迭代法，设置最大迭代次数ni≥2000，允许误差ε≤10-5，求解方程组的总集，得到所有潜在声发射源位置候选。
28、进一步的，步骤6具体方法如下：
29、6.1、步骤5得到所有声发射源位置候选，选取其中位于试样表面及内部的候选位置；
30、6.2、选取的候选位置应用最小二乘法，计算各候选位置的残差平方和s，通过使残差平方和s最小来获取声发射源实际三维位置，得到误差分布直方图，残差平方和s的公式如下；
31、
32、进一步的，步骤7的具体方法如下：
33、7.1、受剪切带形成和发展的影响，在三轴排水剪切过程中，三轴仪的基座发生移动，对声发射传感器坐标进行修正：
34、
35、
36、其中，ts为相位到达时刻，是第i个传感器在ts沿x轴的位移总量，xt1是t1时刻记录的基座横向位移，t1在ts之前间隔1s，xt2是t2时刻记录的基座横向位移，t2在ts之后间隔1s，zi为压缩后第i个ae传感器z轴坐标，是压缩前第i个ae传感器在z轴上的初始坐标，h为压本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，其特征在于，步骤S2中，弹性波由激发波系统产生并由声发射测量系统接受，声发射测量系统是由8个R-cast 304压电型陶瓷声发射传感器，4个信号放大器和一个数据记录器组成，激发波系统由一个函数发生器，一个放大器和一个压电制动器组成。
3.根据权利要求1所述的一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，其特征在于，步骤3中，设定激发波系统及三轴压缩过程产生的弹性波在饱和颗粒土材料中波速保持恒定，弹性波被认定沿直线传播至声发射传感器。
4.根据权利要求1所述的一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，其特征在于，步骤4中，按照ASTM标准，使用硬度为2H，直径为3×10-4m的机械铅笔，在铅笔端部安装聚四氟乙烯导向环，使铅笔芯断裂，产生弹性波，断裂长度控制在2.5×10-3m内。
5.根据权利要求1所述的一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，其特征在于，步骤5的方法如下：
6.根据权利要求1所述的一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，其特征在于，步骤6的方法如下：
7.根据权利要求1所述的一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，其特征在于，步骤7的方法如下：
...【技术特征摘要】
1.一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，其特征在于，步骤s2中，弹性波由激发波系统产生并由声发射测量系统接受，声发射测量系统是由8个r-cast 304压电型陶瓷声发射传感器，4个信号放大器和一个数据记录器组成，激发波系统由一个函数发生器，一个放大器和一个压电制动器组成。
3.根据权利要求1所述的一种适用于饱和颗粒土中的声发射三维源定位方法，其特征在于，步骤3中，设定激发波系统及三轴压缩过程产生的弹性波在饱和颗粒土材料中波速保持恒定，弹性波被认定沿直线传播至声发射传感器...
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