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基于Hilbert能量分析的岩体爆破震动损伤研究

孙新建  
【摘要】:爆破是目前岩土开挖的主要手段之一,并且发挥着越来越重要的作用,而爆破震动造成的岩体损伤问题一直受到人们的关注。虽然国内外学者对岩石爆破震动损伤进行了许多富有成效的研究,但由于爆破震动危害的复杂性、隐蔽性、突发性以及受震岩体的多变性,因此,岩体爆破震动损伤问题依然是十分艰巨而复杂的研究课题。本文以工程爆破震动监测及岩石损伤范围检测资料为研究对象,利用EEMD-HHT信号分析方法对岩体的爆破震动特性、爆破震动响应特性、爆破震动能量损伤机理、损伤评价等方面进行了深入而系统的研究。主要包括以下几个方面的工作: (一)EEMD-HHT方法在爆破震动信号分析中的应用。本文将EEMD-HHT方法应用到爆破震动信号分析中,这是爆破震动信号分析方法的巨大革新。该方法在EEMD分解过程中有很强的适应性,并且能有效抑制EMD分解出现的模态混叠现象,因此,EEMD-HHT方法在强非线性、非平稳的爆破震动信号分析中具有很强的适用性和优越性。 (二)现代谱估计在岩体爆破震动信号的频谱特性分析中的应用。首次将自回归AR模型参数的现代谱估计应用到岩体爆破震动信号的频谱分析中,以现代谱方法求得岩体爆破震动信号的功率谱密度曲线比较平滑,方差也较小,主频附近没有虚假峰值,主频率明确。 (三)基于相关性的EEMD方法的岩体爆破震动信号滤波研究。EEMD分解体现了自适应的滤波特性,这对强非线性和非平稳性的爆破震动信号有较强的适用性。通过IMF分量进行相关性分析去除噪声分量,并将非噪声分量进行重构得到去噪声后的爆破震动信号。 (四)以Hilbert能量法对岩体爆破震动特性进行分析。对信号的各IMF分量所蕴含的能量进行分析,得到岩体爆破震动能量几乎全部集中在中频范围内,在高频和低频部分的能量分布非常低;对各IMF分量的Hilbert瞬时能量进行分析,得到高频分量对岩体的震动作用时间较短,低频分量对岩体的作用时间长。 (五)基于Hilbert能量方法进行分析岩体爆破震动响应。从Hilbert能量的角度对爆破震动边际能量、瞬时能量与岩体动力响应的关系进行分析,得到岩体爆破震动最大响应是由岩体的自振周期与震动能量共同作用的结果,而不是由边际能量、瞬时能量的最大值所引起的。 (六)从Hilbert能量的角度进行岩体爆破震动损伤机理研究。岩体爆破震动损伤受到岩体爆破震动特性和岩体动力响应特性的共同影响,以爆破震动最大瞬时输入能量、卓越瞬时输入能量、总输入能量、相对位移响应能量进行了岩石受爆破震动破坏机理研究,结果表明相对位移响应能量更能综合体现了爆破震动特性与结构本身特性共同作用。 (七)岩体爆破震动损伤评价。将岩体爆破震动信号的Hilbert能量与岩体损伤深度范围之间的关系进行分析研究,得到以爆破震动最大瞬时输入能量、卓越瞬时输入能量、总输入能量、相对位移响应能量与岩体损伤深度之间的相关性逐步增强,利用相对位移响应能量与岩体损伤深度之间的相关系性,进行评价岩石爆破震动损伤深度范围是可行的。


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