單軸加載條件下砂巖聲發(fā)射特性分析

黃志輝， 盧春燕， 沈國華， 謝濤， 金解放

（1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000；2.九江礦冶有限公司，江西 九江 332105）

0 引 言

聲發(fā)射（AE）是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出的瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[1].用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術稱為聲發(fā)射技術[2].現(xiàn)代聲發(fā)射技術起始于Kaiser在20世紀50年代在德國的研究工作，他發(fā)現(xiàn)多數(shù)金屬在應力值達到上次加載最大應力前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號，當加載應力達到或者超過先前施加的最大應力時，才會有大量聲發(fā)射產(chǎn)生，即Kaiser效應[3-6].Goodman等對巖石進行試驗，發(fā)現(xiàn)巖石材料的聲學特性也有對應力歷史的記憶性[7].巖石的破壞過程是一個應變能不斷累積、間歇釋放的過程，傳感器所接收到的聲發(fā)射信號（即彈性波）的能量信息可以充分反映巖石內(nèi)部裂紋擴展和損傷程度[8-9].

聲發(fā)射信號的處理方法可分為兩大類：基于參數(shù)的分析方法和基于波形的頻譜分析方法[10].在參數(shù)分析方面，文獻[11]提出了巖石穩(wěn)壓時的AE事件率、AE事件數(shù)穩(wěn)定或增加平穩(wěn).文獻[12]闡述了在彈性階段試件產(chǎn)生的聲發(fā)射信號較微弱，主要變現(xiàn)為撞擊數(shù)較少、能量較低、振幅較小.在頻譜分析方面，聲發(fā)射信號數(shù)量較大，信號的提取是進行聲發(fā)射頻譜分析的關鍵.文獻[13]對單軸壓縮條件下的巖石進行了聲發(fā)射信號的頻譜分析，對其中32個聲發(fā)射信號進行FFT變換，得出了巖樣臨近破壞時主頻向低頻方向移動的結論.文獻[14]通過對巖石破壞過程中的聲發(fā)射主頻的統(tǒng)計研究，結果表明，隨荷載增加，主頻出現(xiàn)波動.文獻[15]按時間順序共提取了540個能量較大的聲發(fā)射信號，對含水砂巖在破壞過程中的聲發(fā)射進行頻譜特性分析，得出與自然狀態(tài)下的砂巖相比，含水狀態(tài)下砂巖整個加載過程中聲發(fā)射信號的主頻相對更集中，并且隨著加載得進行，主頻有降低的趨勢.本文對砂巖單軸加載至破壞的整個過程進行了聲發(fā)射信號采集，并結合應力應變曲線，對整個過程的聲發(fā)射參數(shù)和頻譜變化特征進行了分析.

1 室內(nèi)聲發(fā)射試驗

1.1 聲發(fā)射試驗裝置

本試驗裝置主要包括：RMT-150C型巖石力學試驗系統(tǒng)、SAEU2S型全波形多通道聲發(fā)射檢測儀，試驗設備連接情況如圖1.

圖1 室內(nèi)試驗設備連接示意圖

RMT-150C電液伺服剛性試驗機可通過行程、位移、荷載以及不同組合形式、不同加載速率的控制方式，進行單軸、三軸、間接拉伸及剪切試驗.基于Windows可視化操作平臺，可同時記錄載荷、應力和應變的大小.試驗所采用的聲發(fā)射儀是由北京聲華公司生產(chǎn)的SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)，此設備是由多個平行的檢測通道構成的聲發(fā)射系統(tǒng).每一通道測量部件由聲發(fā)射傳感器、前置放大器及采集卡組成.該系統(tǒng)可同步采集幅度、能量、上升時間、振鈴計數(shù)、有效值電壓等參數(shù).

1.2 試驗試件及設備參數(shù)設置

1.2.1 試驗試件

試件選擇均勻性、穩(wěn)定性好的砂巖，經(jīng)過切割、打磨加工成10個直徑50 mm，高100 mm的圓柱體試件，其平行度、平整度和垂直度都能滿足試驗要求.為盡量減少加載觸頭與試樣間的摩擦、試驗機電子噪聲干擾以及人為活動產(chǎn)生的干擾噪聲，在試樣的端部和與傳感器接觸部位均勻地涂抹少量黃油.

1.2.2 參數(shù)設置

試驗采用等位移加載方式，加載速率設為0.002 mm/s.傳感器選用SR150M型探頭，工作頻率為 60～400 kHz，采樣頻率為 1 000 kHz，采樣長度2 048，波形門限40，參數(shù)門限40，前置放大器增益40 dB，濾波器頻率100～400 kHz，聲發(fā)射采集與巖樣加壓同時開始，并同步采集試驗過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射波形信號直到試件被壓縮破裂，并用示波器實時顯示波形信號.

2 試驗結果與分析

本次試驗共對10個砂巖試樣進行了單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗，分別對試件采集到的力學參數(shù)、聲發(fā)射參數(shù)和波形信號進行了分析，限于篇幅，選取了其中試驗效果較好的SR7-1試樣進行分析，破壞的砂巖試件見圖2，應力應變曲線見圖3.

從圖3可以看出，砂巖的單軸壓縮變形基本可分為初始壓密階段（OA段）、彈性階段（AC段：其中AB段為彈性變形階段，BC為微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段），塑性階段（CD段）和峰后破壞（D點以后段）4個階段.

圖2 破壞的砂巖試件

圖3 應力-應變曲線

2.1 砂巖破壞時的典型聲發(fā)射信號

波形是聲發(fā)射傳感器輸出電壓隨時間變化的曲線，它可以用示波器從前置放大器或者主放大器的輸出觀察到，也可以通過瞬態(tài)記錄儀或者波形記錄裝置記錄下來.本次試驗共采集到砂巖試樣聲發(fā)射信號16 200個，圖4為第7 829個（應力峰值時）聲發(fā)射信號波形圖，可以看出砂巖破裂過程中的聲發(fā)射信號為典型的突發(fā)型聲發(fā)射信號，上升段波形比較陡，而下降段呈現(xiàn)指數(shù)衰減振蕩，按其包絡線的形態(tài)呈現(xiàn)一個三角形.

圖4 聲發(fā)射信號

2.2 聲發(fā)射參數(shù)分析

在巖石受力壓縮變形直至破壞的整個過程中，巖石塑性變形過程，是非等時變化的.對于巖石聲發(fā)射技術的應用來說，主要是根據(jù)聲發(fā)射參數(shù)對應時間的變化情況對巖石的穩(wěn)定性進行評價，而時間是監(jiān)測預報的一個基本變量.基于這種考慮，主要對單軸受壓加載巖石的破壞全過程、聲發(fā)射參數(shù)對應時間的變化特性進行了試驗研究，根據(jù)壓力機記錄的應力應變和聲發(fā)射儀記錄的波形信息，通過時間參量將應力和聲發(fā)射參數(shù)聯(lián)系起來.

初始壓密階段：試樣中的原有微裂隙和張開性結構面逐步閉合，試樣被壓密，形成早期的非線性變形，曲線呈上凹型（對裂隙化巖石來說較明顯），從圖5可看出，此階段累計振鈴計數(shù)上升較慢，時間-累計振鈴計數(shù)曲線較平緩，從圖6觀察到，此階段聲發(fā)射事件率也較低，說明在巖樣原生裂隙被壓密的過程中，隨著裂隙的閉合有少量的微弱彈性波持續(xù)釋放，但新裂隙并沒有大規(guī)模地出現(xiàn).

彈性變形階段：該階段的應力曲線近似直線型，此階段累計振鈴計數(shù)上升較慢，時間-累計振鈴計數(shù)曲線較平緩，聲發(fā)射事件有一定的增長，可能與巖樣內(nèi)部微裂隙的進一步發(fā)展有關，但聲發(fā)射事件率仍然較低.

在塑性變形階段：聲發(fā)射事件率急劇增高，聲發(fā)射曲線也急劇變陡，此時巖樣內(nèi)部的微裂隙不斷發(fā)展，大量新的裂隙產(chǎn)生并逐步貫通直至巖石破裂.尤其是塑性變形后期，聲發(fā)射信號非常強，達到最大值，主要表現(xiàn)為：聲發(fā)射事件多，能量高，幅度大.

峰后破壞階段：裂隙快速發(fā)展，交叉且相互貫通形成宏觀斷裂面，此后，巖石變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移，巖樣承載力迅速降低，但不立即降為0，表明巖石破壞后仍有一定的承載力.峰值后有一段時間內(nèi)，巖樣變形增加，但應力基本不變的階段（即類似于屈服階段），此時的時間-累計振鈴計數(shù)曲線也較平緩，聲發(fā)射事件率也多處于相對較低水平，說明此時的聲發(fā)射事件增加的趨勢有所減緩，出現(xiàn)這一情況的原因可能是巖樣內(nèi)部應力重組，導致短時間內(nèi)的聲發(fā)射事件相對減少.

圖5 應力-時間-累計振鈴計數(shù)關系曲線

圖6 應力-時間-聲發(fā)射事件率關系曲線

2.3 聲發(fā)射頻譜分析

采用快速傅里葉變換 （Fast Fourieer Transform）對試驗過程中采集到的110個聲發(fā)射信號進行了頻譜分析，圖7為其中一個聲發(fā)射信號的幅度譜.FFT能使計算離散傅里葉變換的乘法次數(shù)大為減少，被變換的抽樣點數(shù)N越多，計算的離散傅里葉變化的乘法次數(shù)越少，F(xiàn)FT原理如下：

分析結果表明砂巖的聲發(fā)射信號的頻率主要分布在140～180 kHz之間.為了研究砂巖聲發(fā)射信號在單軸壓縮破壞過程中的主頻變化情況，按時間序列共提取了110個聲發(fā)射信號，平均3.5 s提取一個，臨近巖石破壞時平均1 s提取一個，通過FFT變換求出聲發(fā)射信號對應的主頻，從圖8中看出在達到峰值強度50%之前，主頻的變化無明顯規(guī)律，呈隨機變化，在峰值強度50%之后，主頻先下降后上升.在巖石破裂變形過程中，聲發(fā)射信號的分布是十分離散的，這可能是因為應力從一個區(qū)域轉(zhuǎn)移到另一個應力相對較低的區(qū)域，應力重新分配以達到較高水平所至，但塑性變形后期，主頻基本上是向低頻方向移動.

圖7 聲發(fā)射幅度譜

圖8 應力-時間-主頻關系曲線

3 結 論

（1）砂巖在單軸壓縮到破壞的過程中，大致經(jīng)歷了初始壓密階段、彈性階段、塑性階段和峰后破壞4個階段，在前兩個階段，聲發(fā)射數(shù)量相對較少，進入塑性階段后，由于大量新的微裂隙產(chǎn)生，聲發(fā)射事件也急劇增加，到峰值破壞階段時達到最大，且峰后出現(xiàn)了類似屈服階段的性質(zhì)，主要可能是因為應力從一個區(qū)域轉(zhuǎn)移到另一個應力相對較低的區(qū)域，應力重新分配所致.

（2）在巖樣峰值強度50%之前，砂巖的聲發(fā)射信號主頻呈隨機變化，在峰值強度50%之后，主頻先下降后上升，整體向低頻方向移動.

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