基于聲發(fā)射技術(shù)的花崗巖破裂特征試驗(yàn)研究

儲超群，吳順川,2，曹振生，張朝俊，張永樂

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明，650093；3.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京，100048；4.中國中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京，100036)

隨著國家支持西部建設(shè)戰(zhàn)略的推進(jìn)，隧道建設(shè)在西南地區(qū)逐漸向“長大深”轉(zhuǎn)變，西南地區(qū)地勢和地質(zhì)構(gòu)造獨(dú)特，很多隧道埋深大，且開挖工程圍巖多以花崗巖為主，當(dāng)工程進(jìn)行到一定的埋深時，由于施工擾動，巖體應(yīng)力重新分布導(dǎo)致彈性應(yīng)變能釋放，出現(xiàn)爆裂、彈射等一系列不同程度的巖爆動力災(zāi)害。直接威脅施工人員與工程機(jī)械的安全，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，因此，探明巖爆動力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制、先兆信息，實(shí)現(xiàn)巖爆的精準(zhǔn)處置和預(yù)測預(yù)警，對于實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、保證工程順利進(jìn)行尤為必要。盡管對巖爆監(jiān)測、預(yù)警和控制方面存在諸多有待進(jìn)一步研究的問題，但針對巖石巖爆發(fā)生機(jī)制和孕育機(jī)理，人們已取得系列重要成果，馮夏庭等[1?2]依托錦屏水電站的深埋隧洞工程全面研究分析了即時型巖爆與時滯型巖爆發(fā)生機(jī)制及時空演化規(guī)律。GONG等[3]針對巖爆傾向性判斷，提出了一種峰值強(qiáng)度應(yīng)變儲能指標(biāo)準(zhǔn)則，用于預(yù)測和分類巖石材料的沖擊傾向性。LIU 等[4]進(jìn)行了一系列砂巖隧道模型的試驗(yàn)研究，分析了含水量對巖爆的影響。馮濤等[5]運(yùn)用SEM電鏡掃描研究了巖爆的破壞模式及機(jī)制。范勇等[6]從能量耗散角度對比研究了不同施工條件下時滯型與即時型巖爆的孕育及破壞模式差異。

而隨著試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，聲發(fā)射(acoustic emission，AE)技術(shù)被廣泛運(yùn)用于巖石破裂的監(jiān)測，能夠獲取巖石破裂過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，具有實(shí)時性和連續(xù)性的特點(diǎn)，能為研究巖石破壞模式和機(jī)制提供豐富的信息。在運(yùn)用聲發(fā)射監(jiān)測參數(shù)研究巖石破裂方面，羅丹旎等[7]運(yùn)用能量分析結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測分析了巖爆破壞巖樣的強(qiáng)度與變形特征、破壞與彈射特征、聲發(fā)射特性等；LEI 等[8]使用20 個聲發(fā)射傳感器實(shí)時監(jiān)測三軸試驗(yàn)中2 種花崗巖的聲發(fā)射特征，基于測得的數(shù)據(jù)，使用各向異性速度模型確定了數(shù)千個事件的震源，聲發(fā)射在真三軸巖爆試驗(yàn)中同樣被用于巖爆孕育各階段巖樣破裂特征監(jiān)測，能揭示巖爆過程中聲發(fā)射時空演化特征[9]；張國凱等[10]研究了單軸壓縮下花崗巖裂紋擴(kuò)展不同階段聲發(fā)射演化及波傳播特征，分析了聲發(fā)射事件時空及幅值演化分布規(guī)律。在運(yùn)用聲發(fā)射特征參數(shù)震源定位研究巖石破裂損傷演化上已有一定的成果，但在硬脆性巖石破壞先兆信息方面的研究仍不夠全面，大量學(xué)者開始通過聲發(fā)射頻譜特征揭示巖石破裂孕育不同階段的特征信息。GONG等[11]基于試驗(yàn)室?guī)r爆試驗(yàn)聲發(fā)射信號，運(yùn)用奇異頻譜算法，識別了巖爆前兆波和本征頻率。XIAO 等[12]對煤樣微裂紋擴(kuò)展過程中聲發(fā)射b值和頻譜特征的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。何滿潮等[13]結(jié)合頻譜分析，研究了巖爆全過程聲發(fā)射主頻特征和主頻頻帶分布。AKER 等[14]通過AE 矩張量反演各分量百分比，研究了三軸壓縮下砂巖破裂機(jī)制。MANTHEI等[15]研究了矩張量分解在試驗(yàn)室及原位尺度AE 活動分析中的應(yīng)用。甘一雄等[16]通過試驗(yàn)分析了聲發(fā)射RA(上升時間/振幅)與AF(平均頻率)描述了巖石破壞劇烈程度的可行性與優(yōu)勢。儲超群等[17]基于矩張量分解詳細(xì)研究了砂巖加載過程中不同階段的破裂機(jī)制變化。AGGELIS等[18]通過RA與AF 參數(shù)，研究了三點(diǎn)彎曲破壞下的試樣破裂機(jī)制。何滿潮等[19]基于r(RA與AF的比值)，研究了不同卸載速率下的巖爆破裂機(jī)制。上述學(xué)者基于室內(nèi)試驗(yàn)、聲發(fā)射監(jiān)測、能量特征和矩張量分解等研究了巖爆的機(jī)理和破壞機(jī)制，但是手段單一，對從先兆特征和破壞模式角度分析巖爆災(zāi)害機(jī)制和預(yù)警方面的研究較少，為此，本文基于單軸壓縮條件下的花崗巖破裂聲發(fā)射試驗(yàn)，綜合考慮聲發(fā)射震源定位和頻譜特征及震源機(jī)制，運(yùn)用矩張量分析，對比r來判斷破裂機(jī)制，系統(tǒng)研究深埋花崗巖的聲發(fā)射特征變化以及破裂模式演化規(guī)律，研究結(jié)果能為深埋花崗巖隧道開挖的安全穩(wěn)定性以及巖爆災(zāi)害先兆信息獲取提供技術(shù)支撐，對于隧道開挖現(xiàn)場支護(hù)措施的決策具有參考意義。

1 試樣準(zhǔn)備與試驗(yàn)儀器

1.1 試驗(yàn)樣品

本試驗(yàn)試樣為中國云南紅河州埋深約為900 m的燕山期白堊紀(jì)花崗巖，平均密度為2 661.6 kg/m3，常溫下平均縱波波速為4.7 km/s。將花崗巖加工為符合國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣[20]，直徑為50 mm，高度為100 mm，確保端面平行度和軸線與端面的垂直度控制在±0.02 mm 以內(nèi)。試樣取自同一巖塊(編號為G-1～G-6)，加工完成的試樣如圖1所示。

圖1 典型試樣照片F(xiàn)ig.1 Typical specimen photos

從制作試樣巖塊中隨機(jī)取樣，制作顯微玻片，進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察，在正交偏光顯微鏡下發(fā)現(xiàn)試樣微觀組成形式如圖2所示。由圖2可見：試樣具有明顯的花崗巖結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)，其礦物成分主要包含石英、長石、角閃石和黑云母。礦物顆粒粒徑為1～16 mm，不均勻地嵌入和分布在花崗巖中。

圖2 光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Photo of optical micrographs

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

試驗(yàn)加載裝置及聲發(fā)射采集系統(tǒng)示意圖如圖3所示，單軸壓縮試驗(yàn)采用YAW-600 微機(jī)控制電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)，AE信號采集系統(tǒng)為英國IMaGE公司12通道連續(xù)采集系統(tǒng)，該12通道連續(xù)采集系統(tǒng)能在試驗(yàn)過程中同步采集聲發(fā)射主、被動波形信號，其中“A”代表高性能計算機(jī)，“B”代表脈沖發(fā)生器接口單元(PIU)，“C?E”代表主從配置中組合的3組4通道Richter16連續(xù)采集系統(tǒng)，用于聲發(fā)射連續(xù)波形的采集。后期運(yùn)用軟件InSite-Lab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。AE傳感器為美國聲學(xué)物理公司PICO傳感器，中心頻率為550 kHz，頻率范圍為200～750 kHz，前置放大器為內(nèi)置100 kHz～1 MHz 帶通濾波器的脈沖放大器，增益設(shè)置范圍為30～70 dB。

圖3 試驗(yàn)加載裝置及聲發(fā)射采集系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental loading device and acoustic emission acquisition system

在試驗(yàn)過程中，同步進(jìn)行AE監(jiān)測。本試驗(yàn)使用的PICO傳感器本身尺寸較小，對聲發(fā)射定位精度的影響非常小，通過合理的聲發(fā)射傳感器陣列優(yōu)化能使監(jiān)測效果達(dá)到最佳[21]，因此，試樣表面共布置上、下2層8枚傳感器，距離試樣上、下端面均為20 mm，且上、下2 層傳感器布置錯位90°，將傳感器運(yùn)用氟膠管和膠水固定在提前開好孔的熱縮管位置。為減少AE信號在傳感器與試樣接觸面之間的衰減與消散，保證試驗(yàn)效果，編號為奇數(shù)和偶數(shù)的增益分別設(shè)為30 dB和50 dB(高增益可有效采集微破裂信息，幫助研究裂紋的成核、貫通及準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展過程；低增益則可有效避免波形出現(xiàn)削峰現(xiàn)象，獲取裂紋最終擴(kuò)展階段重要信息)，采樣頻率為10 MHz，波形數(shù)字化分辨率為16 bit。在傳感器與試樣接觸面之間均勻涂抹硅脂作為耦合劑，加載前，同時在試件端面放置同等直徑的圓形銅片及特氟龍(Teflon)，減少端部摩擦效應(yīng)。為防止花崗巖破裂劇烈飛濺，在試樣表面包裹熱縮管。

試驗(yàn)進(jìn)行時，設(shè)置AE采集系統(tǒng)參數(shù)并檢查傳感器狀態(tài)，試驗(yàn)加載速率為200 N/s。同步開啟試驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)與聲發(fā)射采集系統(tǒng)，在試驗(yàn)信息采集過程中同步進(jìn)行主動聲發(fā)射測試。

2 力學(xué)特性與宏觀破裂特征

對G-1～G-6 號試樣進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：6 塊試樣均表現(xiàn)出深埋花崗巖的顯著脆性，在應(yīng)力?應(yīng)變曲線中應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)后明顯下降，在破壞發(fā)生時，試樣突然爆裂，聲響較大，瞬間失去承載能力；試樣破壞面新鮮，破壞后的塊體較大，巖屑較少；在斷面上，擦斷和劃痕較少，完整性較好，在單軸壓縮條件下破壞主要為張拉破壞。典型試樣破壞照片如圖5所示。

圖4 花崗巖試樣單軸壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.4 Stress?strain curves of granite specimens with uniaxial compression tests

圖5 花崗巖典型試樣破壞Fig.5 Typical failure modes of granite specimen

試樣破壞的基本力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計見表1，由表1可得：平均彈性模量為29.91 GPa，平均單軸抗壓強(qiáng)度為138.76 MPa。

表1 試樣基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of specimens

3 聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 聲發(fā)射事件參數(shù)及震源定位結(jié)果

基于連續(xù)采集的聲發(fā)射信號，必須選擇一個合理的閾值，既能過濾大多背景噪聲，又能合適觸發(fā)破裂產(chǎn)生的聲發(fā)射事件[22]，本試驗(yàn)中以30 mV作為閾值進(jìn)行觸發(fā)處理，若在480 個采樣點(diǎn)(48μs)的窗口長度內(nèi)有3個或更多通道記錄的電壓超過30 mV，則將觸發(fā)1個事件，寫入事件的波形長度為1 024個采樣點(diǎn)。由于試樣在壓縮過程中的破壞劇烈程度和破壞持續(xù)時間的差異，試樣G-1～G-6分別觸發(fā)了4 553，4 118，16 086，3 616，19 540和32 375 個事件，圖6所示為不同試樣AE事件數(shù)、累積事件計數(shù)、應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系，紅色五角星標(biāo)注的是試樣劇烈破壞發(fā)生點(diǎn)，后續(xù)由于試樣破裂，脫離試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)器自動停止，且紅色五角星標(biāo)注的點(diǎn)僅1 個數(shù)據(jù)點(diǎn)。由圖6可知：G-2，G-4和G-5 試樣第一段在應(yīng)力增加很小的情況下出現(xiàn)了應(yīng)變變化較大的情況。作為典型的硬脆性巖石試樣，花崗巖試樣均在突然破裂前聲發(fā)射事件數(shù)劇烈增加，不同編號的試樣的聲發(fā)射事件數(shù)變化趨勢基本一致，最后G-5與G-6試樣在加載前期，聲發(fā)射事件極少，但在試樣破壞前期，事件劇增，且事件數(shù)量相比于前4 個試樣均高出1個數(shù)量級，這說明在前期聲發(fā)射時間較少時試樣產(chǎn)生較少裂紋，且能量進(jìn)一步累積導(dǎo)致試樣后期劇烈破壞，產(chǎn)生聲發(fā)射事件急劇增加。

圖6 花崗巖試樣AE事件數(shù)、累積事件計數(shù)、應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系Fig.6 Relationships among AE events,cumulative event counts,and stress?strain in granite specimens

基于不同階段的P波速度，可以構(gòu)建試樣隨時間變化的橫觀各向同性速度模型。假設(shè)圓柱試樣是一個包含所有震源和傳感器的半空間，每對震源?傳感器射線用矢量r表示?；跈M觀各向同性速度模型的假設(shè)，根據(jù)射線路徑r與模型對稱軸的相對關(guān)系，其P波速度可表示為

式中：vP-r為射線路徑r上的P 波速度；θr為射線路徑r與對稱軸的夾角；v‖和v⊥分別為平行、垂直于對稱軸的P波相速度，兩者具有如下關(guān)系：

式中：αA為各向異性系數(shù)，其取值范圍為0～10。在本試驗(yàn)中，圓柱的初始各向異性系數(shù)為0.674，說明對稱軸方向?yàn)榭焖貾波方向。在相鄰2次波速測量時間間隔內(nèi)，假定P波速度恒定，可構(gòu)建1個子速度模型，所有子速度模型最終合并成隨時間變化的橫觀各向同性(time-dependent transeversely isotropic,TTI)速度模型。該時間依賴的橫觀各向同性速度模型對于聲發(fā)射事件結(jié)果定位的精確性已經(jīng)在其他研究中得到驗(yàn)證[23]。

對已經(jīng)觸發(fā)的事件運(yùn)用均方根振幅方法進(jìn)行P波到時拾取，運(yùn)用上述速度模型，對花崗巖試樣加載過程中的聲發(fā)射事件震源進(jìn)行定位，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：在花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)中，聲發(fā)射事件的產(chǎn)生主要集中在加載后期、巖爆發(fā)生階段附近，且所有的事件成核階段均對應(yīng)在巖爆發(fā)生時刻。通過應(yīng)力?應(yīng)變、聲發(fā)射事件率和累計數(shù)隨時間的變化關(guān)系，結(jié)合聲發(fā)射事件定位結(jié)果可知，在花崗巖單軸試驗(yàn)中，巖爆時刻伴隨著聲發(fā)射事件的大量爆發(fā)，同樣驗(yàn)證了云南紅河州花崗巖在單軸壓縮條件下破壞符合巖爆特征。

圖7 花崗巖試樣破壞過程AE事件定位結(jié)果Fig.7 Results of AE events location during failure process of granite specimens

3.2 聲發(fā)射頻譜特征分析

3.2.1 聲發(fā)射頻譜特征提取方法

除了分析聲發(fā)射事件的時間發(fā)生率與應(yīng)力變化曲線外，分析聲發(fā)射本身的特征參數(shù)對于花崗巖巖爆的研究也很重要，聲發(fā)射信號其本身具有非平穩(wěn)性，而通過快速傅里葉變換(FFT)來分析這種信號具有非常大的優(yōu)勢，其中常用的是頻譜分析方法。對觸發(fā)的聲發(fā)射事件波形進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，通過頻譜分析得到不同所有事件的頻譜特性，然后針對需要研究的不同階段的事件進(jìn)行單獨(dú)處理，可以得到不同階段的試樣損傷程度和聲發(fā)射事件的特征，以獲取巖爆的一些先兆信息來進(jìn)行判斷和預(yù)測，其原理如下[24]：

式中：h(t)為原始信號是時間參數(shù)t的時域函數(shù)；H(f)為頻率參數(shù)f的頻域函數(shù)。

選擇一段波形來演示波形文件主頻及幅值的計算方法。聲發(fā)射設(shè)備采集試驗(yàn)過程中的波形信號，經(jīng)過觸發(fā)后提取波形如圖8(a)所示。對聲發(fā)射波形進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到提取波形的二維頻譜圖，如圖8(b)所示，將二維頻譜圖中的幅值最高點(diǎn)所對應(yīng)的頻率確定為該事件波形的主頻，而此時的幅值最高值確定為事件波形的主頻幅值。

圖8 聲發(fā)射信號波形及頻譜圖Fig.8 Waveform and spectrum of AE signal

波形分析是AE信號后處理的另一種方法，波形分析反映的巖石破裂特征更全面、直觀[25]。根據(jù)觸發(fā)出來的時間，選取在巖爆不同階段的關(guān)鍵點(diǎn)事件點(diǎn)波形進(jìn)行傅里葉分析，得到聲發(fā)射事件波形進(jìn)行傅里葉變換后的頻譜圖(選取試樣G-3和G-6進(jìn)行分析)。G-3試樣在不同試驗(yàn)加載階段中AE事件信號經(jīng)過FFT 變換后的波形頻譜圖如圖9所示。從圖9可見：在試驗(yàn)初始0.02σc時，主頻約為444.3 kHz，振幅為1.59×10?7V；而在0.45σc時，信號的主頻基本沒有太大變化，為451.7 kHz，振幅為1.88×10?7V；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，AE事件信號的主頻變化在0.65σc時為444.3 kHz，振幅為1.72×10?7V；當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力達(dá)0.70σc時，對應(yīng)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，主頻為458.2 kHz，振幅有明顯增大，為3.22×10?7V；在巖爆前階段0.80σc，聲發(fā)射信號主頻變高，為471.2 kHz，此時的頻譜圖表現(xiàn)出明顯的雙峰特征，而振幅為2.14×10?7V；隨外部荷載不斷增大，在達(dá)到應(yīng)力峰值σc時，主頻明顯降低，為422.4 kHz，振幅為9.63×10?7V，同時AE頻帶中增加了主頻為481.0 kHz，振幅為7.92×10?7V 的高頻成分，呈現(xiàn)出低頻高幅特征。

圖9 花崗巖巖爆聲發(fā)射頻譜不同階段對比圖(G-3)Fig.9 Acoustic emission frequency-spectrum comparison chart of granite rock burst at different stages(G-3)

G-6 試樣試驗(yàn)加載不同階段中AE 事件信號經(jīng)過FFT 變換后的波形頻譜圖如圖10所示。由圖10可知：在試驗(yàn)初始0.02σc時，主頻約為459.0 kHz，振幅為8.29×10?8V；而在0.45σc時，信號的主頻略有增加，為479.0 kHz，振幅為2.53×10?7V；在0.65σc時，主頻為449.2 kHz，振幅為2.68×10?7V，此時的振幅出現(xiàn)2 個相當(dāng)?shù)姆逯?498.3 kHz，2.67×10?7V)；當(dāng)試驗(yàn)應(yīng)力達(dá)到0.70σc時，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，主頻為454.1 kHz，振幅為2.14×10?7V；在巖爆前階段應(yīng)力峰值為0.80σc時，聲發(fā)射信號主頻變高，為488.2 kHz，此時的振幅為4.31×10?7V，振幅較之前增長明顯；隨外部荷載不斷增大，在達(dá)到應(yīng)力峰值σc時，主頻有明顯的降低，為441.9 kHz，振幅為1.14×10?6V，振幅有一個數(shù)量級的變化，同樣呈現(xiàn)出低頻高幅特征。

圖10 花崗巖巖爆聲發(fā)射頻譜不同階段對比圖(G-6)Fig.10 Acoustic emission frequency-spectrum comparison chart of granite rock burst at different stages(G-6)

3.2.2 關(guān)鍵點(diǎn)主頻及幅值特征統(tǒng)計結(jié)果

對所有試樣的巖爆聲發(fā)射試驗(yàn)各關(guān)鍵階段點(diǎn)頻譜圖中所對應(yīng)的幅值進(jìn)行統(tǒng)計，觀察其在各個階段的變化規(guī)律。圖11所示為巖爆試驗(yàn)各個關(guān)鍵階段的點(diǎn)的頻譜分析中所對應(yīng)的幅值進(jìn)行統(tǒng)計出來的對比結(jié)果，橫坐標(biāo)1，2，3，4，5和6對應(yīng)的應(yīng)力峰值分別為0.02σc，0.45σc，0.65σc，0.70σc，0.80σc和σc。由圖11可知：因?yàn)?～5號關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)值重疊較多，將重疊部分的數(shù)據(jù)用虛線長方形框標(biāo)出并重新繪制小圖進(jìn)行放大。試驗(yàn)開始時，振幅較低；隨著試驗(yàn)進(jìn)行，振幅明顯增大，在5(0.80σc)時，振幅呈下降趨勢；在巖爆時刻，振幅特征明顯呈躍升，對應(yīng)巖爆時刻能量急劇釋放，而且變化規(guī)律一致。

圖11 花崗巖巖爆聲發(fā)射不同階段幅值特征對比圖Fig.11 Acoustic emission amplitude characteristic comparison chart of granite rock burst at different stages

對各關(guān)鍵階段點(diǎn)頻譜圖中所對應(yīng)的主頻進(jìn)行統(tǒng)計，圖12所示為花崗巖巖爆聲發(fā)射不同階段頻率特征對比圖，其橫坐標(biāo)1，2，3，4，5和6對應(yīng)應(yīng)力峰值分別為0.02σc，0.45σc，0.65σc，0.70σc，0.80σc和σc。由圖12可知：在巖爆試驗(yàn)前期，主頻較低，結(jié)合振幅分析可知，此階段幅值也較低；在0.45σc階段有小幅增大，而在巖爆時刻前夕會出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，直到巖爆發(fā)生，聲發(fā)射主頻明顯減小，且此時的振幅明顯升高。

圖12 花崗巖巖爆聲發(fā)射不同階段頻率特征對比圖Fig.12 Acoustic emission frequency-characteristic comparison chart of granite rock burst at different stages

3.2.3 花崗巖時間?主頻?幅值三維特征對比分析

使用MATLAB 程序提取整個加載過程中聲發(fā)射事件FFT 之后的主頻、振幅、時間數(shù)據(jù)，繪制時間?主頻?幅值三維特征演化，結(jié)果如圖13所示?？梢該?jù)三維直觀分析聲發(fā)射事件的時間分布和事件的特征類型，進(jìn)一步分析花崗巖試驗(yàn)巖爆過程中的頻譜變化。G-1～G-5的試樣破壞過程中前期事件較少，選取較為集中的時間段進(jìn)行詳細(xì)分析。

由圖13可知：在G-1～G-6試樣的破壞過程中，加載前期聲發(fā)射事件主頻主要集中在450 kHz 附近，且事件數(shù)較少；在試樣臨近破壞的200 s左右(G-1 中800～1 000 s，G-2 中950～1 150 s，G-3 中1 200～1 400，G-4 中1 150～1 350 s，G-5 中950～1 150 s，G-6中1 150～1 350 s)，聲發(fā)射事件劇烈增加，且主頻呈現(xiàn)低、中、高均有出現(xiàn)，主頻分布由集中條狀變?yōu)檩^連續(xù)分布，主要分布在350～500 kHz，且在巖爆發(fā)生前夕出現(xiàn)一個較短的平靜期，平靜期之后出現(xiàn)大量低頻事件，且低頻高幅事件明顯增多，6個試樣在巖爆發(fā)生階段。聲發(fā)射事件主頻呈現(xiàn)同樣的特征。

圖13 花崗巖試樣加載過程中主頻?時間?振幅的變化規(guī)律Fig.13 Variations of dominant frequency?time?amplitude during loading process of granite specimen

4 花崗巖破裂機(jī)制分析

4.1 基于矩張量反演的破裂機(jī)制分析

4.1.1 矩張量分解方法

巖石破裂矩張量是二階對稱張量，其中3個主特征值(m1，m2，m3)均為實(shí)數(shù)，將矩張量在主軸坐標(biāo)系對角化后可簡單表示為

運(yùn)用KNOPOFF等[26]提出的將矩張量分解為各向同性部分(ISO)、純雙力偶(DC)和補(bǔ)償線性矢量偶極成分(CLVD)的方法，各向同性部分可由3 個相等的特征值矩陣表示，雙力偶成分由2個線性矢量偶極組合而成，可以代表巖體的剪切破壞或者斷層的相對錯動機(jī)制，補(bǔ)償線性矢量偶極成分是深部地震中的一種作用機(jī)制。

式中：tr(M)為矩張量3個特征值之和。

對上式中的偏量部分可進(jìn)一步分解為雙力偶成分和補(bǔ)償線性矢量偶極成分：

4.1.2 震源機(jī)制分析

運(yùn)用AE監(jiān)測手段獲取巖石破裂過程中震源時間信息，通過矩張量反演法可以獲得在巖石破裂過程中的震源參數(shù)、震源機(jī)制等，該分析方法在室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)以及工程監(jiān)測中已經(jīng)得到應(yīng)用和驗(yàn)證。采用矩張量反演分析法對單軸壓縮過程中破裂事件震源機(jī)制進(jìn)行分析，進(jìn)行矩張量反演基于如下假設(shè)：試樣為均勻且縱波波速呈現(xiàn)各向同性；破裂事件的震源類型為點(diǎn)震源；純脈沖震源為時間函數(shù)。通過聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備后處理軟件，基于P波初動振幅和極性來反演矩張量[27]，并統(tǒng)計矩張量反演結(jié)果，來判斷不同時間段內(nèi)的破裂類型占比。

運(yùn)用KNOPOFF等[26]提出的將矩張量分解為各向同性部分(ISO)、純雙力偶(DC)和補(bǔ)償線性矢量偶極成分(CLVD)的方法，根據(jù)OHTSU[28]提出的矩張量反演方法分析結(jié)果，進(jìn)一步分析AE事件的震源機(jī)制：以矩張量特征值中的DC 分量比例PDC對震源事件的破裂類型進(jìn)一步量化，其中PDC≥60%定義為剪切破裂，PDC≤40%為張拉破裂，40%

由圖14可知：6個試樣的全過程聲發(fā)射事件有效矩張量分解的DC 分量占比中，PDC≤40%部分分別為38.4%，44.06%，43.75%，37.71%，40.4%和39.98%，PDC≥60% 部分分別為31.19%，27.16%，27.39%，34.66%，31.05%和32.72%。由此可知，6個試樣的全過程破裂還是以張拉破裂占比為主，符合花崗巖巖爆破裂模式特征。

圖14 矩張量分解剪切(DC)成分比例統(tǒng)計直方圖Fig.14 Histograms of results of shear(DC)component by moment tensor decomposition

因?yàn)榛◢弾r試樣破裂爆發(fā)時間較為集中，聲發(fā)射事件主要集中于巖爆前的短暫平靜期和巖爆時刻，為了更加直觀地獲取巖爆前期的破裂特征先兆信息，選取G-3與G-6試樣，基于矩張量分解特征值DC 分量比重PDC確定破裂比例分析0.8σc～0.9σc和0.9σc～1.0σc整個試驗(yàn)過程中的破裂類型，同時為了與整個試驗(yàn)過程中((0～1.0)σc)破壞類型比例進(jìn)行對比，統(tǒng)計得到G-3和G-6試樣的不同階段破裂模式變化，如表2所示。

由表2可以看出：在巖爆前期，張拉破裂比例呈現(xiàn)增大的趨勢；在0.9σc～1.0σc階段，張拉破裂比例比整體試驗(yàn)過程中的比例高。結(jié)合應(yīng)力?應(yīng)變曲線可以看出，在前期逐步能量累積，內(nèi)部微裂紋形成，試樣隨荷載增大，在應(yīng)力達(dá)到峰值時，急劇釋放，試樣破裂。結(jié)合試樣的典型破壞圖可以看出，試樣有巖爆破壞特征，破壞后試樣的完整性相對較好，有較多相對較大的塊體，說明在加載過程中，破壞模式以張拉破壞為主導(dǎo)，內(nèi)部花崗巖顆粒未進(jìn)行更多的剪切錯動，試樣宏觀破裂已經(jīng)形成，巖爆過程已經(jīng)完成。

表2 試樣不同階段破裂模式變化(G-3，G-6)Table 2 Variations of failure mode of specimen at different stages(G-3,G-6) %

4.2 基于RA與AF的破裂機(jī)制分析

平均頻率(AF)和上升時間/振幅(RA)與微裂紋模式直接相關(guān)[18]，一般而言，具有低AF和高RA的AE 信號通常對應(yīng)于剪切裂紋，而具有高AF和低RA 的信號表示拉伸裂紋。OHNO 等[29]研究水壓致裂試驗(yàn)的破裂模式時，選取分割線斜率k=80 來對破裂模式進(jìn)行劃分，并與SiGMA 矩張量分析結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)2種判別方法在對剪切破裂的判定上比例接近，且通過矩張量分析與r(RA與AF的比值)確定的張拉破裂與混合破裂占比。

為進(jìn)一步揭示花崗巖試樣在單軸壓縮狀態(tài)下的破裂機(jī)理，研究巖爆試樣的破裂模式，結(jié)合試驗(yàn)中聲發(fā)射參數(shù)RA(上升時間/振幅)與AF(平均頻率)來對破裂機(jī)制進(jìn)行分析。選取G-3與G-6 試樣的聲發(fā)射信號結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果分別如圖15和圖16所示。由圖15和圖16可以看出：2 組試樣在巖爆試驗(yàn)過程中，隨荷載增大，試樣的聲發(fā)射事件在巖爆時刻有一個劇增的階段；但從試驗(yàn)開始到巖爆時刻，出現(xiàn)較多的高AF和低RA。根據(jù)AF與RA的含義可知，試樣隨荷載增大，張拉破裂百分比一直比剪切破裂百分比高，且張拉破裂百分比一直增大，剪切破裂百分比減小，意味著拉伸和剪切破壞都是在破壞過程中萌生和擴(kuò)展的，但越接近巖爆時刻，張拉破裂越優(yōu)先且為主導(dǎo)。前期低AF和高RA 的信號主要是由試樣內(nèi)部的微裂紋閉合和錯動為主導(dǎo)致，在試樣達(dá)到強(qiáng)度峰值，試樣破裂，張拉破裂為主要破裂模式。結(jié)合矩張量分析結(jié)果，可以明確的是，花崗巖隧道中的巖爆災(zāi)害主要以張拉破裂模式為主，在災(zāi)害預(yù)防和支護(hù)過程中，應(yīng)該以圍巖的張拉破壞為導(dǎo)向布置災(zāi)害預(yù)防措施和支護(hù)措施。

圖15 不同階段內(nèi)的RA與AF分布(G-3)Fig.15 Distribution of RA and AF at different stages(G-3)

圖16 不同階段內(nèi)的RA與AF分布(G-6)Fig.16 Distribution of RA and AF at different stages(G-6)

5 結(jié)論

1)云南紅河州花崗巖,存在較大的不均勻顆粒，成分以石英、長石、角閃石和黑云母為主，在單軸加載條件下破壞具有巖爆特征，在加載過程中以張拉破裂為主導(dǎo)作用，破壞塊體較完整。

2)在加載初期，聲發(fā)射主頻較低，幅值也低；而在巖爆發(fā)生前期，聲發(fā)射事件出現(xiàn)平靜期；在平靜期之前，聲發(fā)射信號大量出現(xiàn)，且主頻信號頻帶分布變寬，高、中、低頻信號均大量出現(xiàn)，此試驗(yàn)現(xiàn)象可判定為巖爆發(fā)生的先兆信息，此時，聲發(fā)射信號呈現(xiàn)低頻高幅特征。

3)巖爆前期張拉破裂比例呈現(xiàn)增大趨勢，在花崗巖破壞過程中以張拉破壞為主，運(yùn)用RA/AF對比分析試樣破壞模式，結(jié)果與矩張量分解統(tǒng)計結(jié)果一致，驗(yàn)證了在花崗巖巖爆中的破裂模式變化結(jié)果及主導(dǎo)破裂為張拉破裂。

4)花崗巖破裂機(jī)制以張拉破裂為主導(dǎo)，且在巖爆時刻前期，張拉破裂占比明顯增加，破壞試樣的完整性相對較好。有較多相對較大的塊體，說明在加載過程中，當(dāng)內(nèi)部花崗巖顆粒未進(jìn)行更多的剪切錯動時，巖爆過程已經(jīng)完成，隧道開挖時應(yīng)該預(yù)防巖爆導(dǎo)致的片幫和大塊的彈射，在支護(hù)措施中，應(yīng)預(yù)防巖石張拉破裂產(chǎn)生的動力災(zāi)害為主。