不同應力路徑下大理巖聲發射特性試驗研究

張寧博，齊慶新，歐陽振華，李宏艷，趙善坤，徐子杰,3

(1.煤炭科學研究總院 礦山安全技術研究分院，北京 100013;2.煤炭科學研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013;3.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

不同應力路徑下大理巖聲發射特性試驗研究

張寧博1,2，齊慶新1,2，歐陽振華1,2，李宏艷1,2，趙善坤1,2，徐子杰1,2,3

(1.煤炭科學研究總院 礦山安全技術研究分院，北京 100013;2.煤炭科學研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013;3.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

利用TAW-2000高溫巖石三軸伺服試驗機和德國VallenAMSY-6聲發射信號采集系統，對大理巖在單軸壓縮、等幅循環加卸載和分級循環加卸載條件下損傷破壞全過程的聲發射特性進行研究，并用快速傅里葉轉換(FFT)對單軸壓縮試驗全過程的聲發射信號、循環加卸載過程中Kaiser點和Felicity點的聲發射信號頻譜特性進行了分析。試驗結果表明:單軸壓縮試驗過程中，聲發射主頻帶主要位于兩個區域——低于200 kHz區間和300 kHz附近，并且隨著加載應力的增加，主頻由低頻向高頻轉移，主頻幅值總體呈下降趨勢；提出一個新的反映聲發射波形信息的指標——次主比α，并指出單軸壓縮過程中次主比呈上升趨勢。分級循環加卸載過程中Kaiser點和Felicity點的主頻變化不明顯，Felicity點的次主比總體大于Kaiser點；采用第2次循環中與首循環峰值應力等值應力點的AE數作為Kaiser效應中“明顯增多”的尺度能夠觀察到明顯的Felicity效應。

聲發射；頻譜分析；循環加卸載；主頻；Felicity效應

聲發射是指材料或結構在受外力或內力作用產生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應變能的現象[1]。早在20世紀30年代末期，奧伯特和杜瓦爾就發現受壓力作用的巖石具有聲發射現象，并把聲發射技術應用到礦山礦柱巖體穩定性和巖爆的監測預報中[2-3]。此后，聲發射技術在巖土工程和礦山巖體穩定性監測方面得到了推廣應用[4]。

聲發射可有效地反映巖石變形破壞過程中內部狀態的變化。現在，利用先進的聲發射檢測設備對巖石內部裂紋的產生、擴展和貫通進行實時監測，根據采集到的聲發射信號對巖石受力破裂失穩過程進行解釋，已經成為研究巖石細觀尺度損傷破壞過程的一種重要方法。通常聲發射技術采用參數分析法來處理聲發射信號，對波形只是簡單表述，然而聲發射波形中蘊含了大量的信息，可以更全面地反映聲發射信號特征。目前，對聲發射信號的研究主要集中在參數分析上，對于頻譜分析中主頻的研究卻很少,李楠等[5]對循環加載和分級加載條件下巖石損傷破壞過程中的頻譜特性進行了研究，指出巖石在加載過程中的不同階段，聲發射主頻、主頻帶寬度會隨著應力變化呈現出一定的規律性；李俊平等[6]研究了水力耦合作用下巖石的聲發射特征，認為巖石在加載過程中的聲發射頻譜特性與滲流作用、巖石強度以及應力因素有關；苗金麗[7]對不同巖性巖石在巖爆試驗中聲發射頻譜結果進行了分析，得出巖性不同，其頻譜中不同頻段的集中程度以及變化幅度均不同；王恩元等[8]研究了受載煤體聲發射的頻譜特性及變化規律，認為隨著載荷增大，其聲發射信號增強，主頻帶增高；李俊平等[9]認為巖石受載過程中的主頻變化受巖石強度及其所受應力的影響；何建平等[10]分析了巖體破裂變形過程與聲發射事件時序分布特征之間的關系，指出聲發射主頻時序參數的突變是臨近破壞的征兆。

本文根據不同應力路徑下大理巖聲發射試驗，對采集的聲發射波形信號進行快速傅里葉變換(FFT)，探討單軸壓縮過程中主頻的變化規律以及循環加卸載過程中Kaiser點和Felicity點聲發射信號主頻的特性，這是以前研究中很少涉及到的，因此有一定的研究意義。

1 巖石聲發射試驗

1.1 試驗設備

加載系統為TAW-2000高溫巖石三軸伺服試驗機，由計算機進行精確控制。聲發射測試采用德國Vallen公司生產的AMSY-6聲發射信號采集系統，經環境噪音測試，門檻值設為45 dB，探頭諧振頻率為20～80 kHz，采樣頻率為10 MHz。采用六通道采集聲發射數據。探頭位置采用如圖1方式布置。每個通道對應一個獨立的聲發射探頭和前置放大器，探頭與巖石表面接觸處涂上真空封脂，為了消除壓頭與試件端面摩擦對聲發射試驗造成的影響，在試件上下端面各加墊一層聚乙烯塑料。試驗系統如圖2所示。

圖1 聲發射探頭布置方式Fig.1 The arrangement method of AE sensors

圖2 大理巖聲發射試驗系統Fig.2 Experimental equipment of AE test of marbles

1.2 試驗樣品及試驗內容

所采用的巖石為大理巖方形試件，尺寸50 mm×50 mm×100 mm，不平行度等幾何精度要求均滿足國家標準[11]。試驗試樣分為3組，其中單軸壓縮試驗4個，等幅循環加卸載試驗3個，分級循環加卸載試驗3個。

1.3 試驗測試方案

單軸壓縮試驗采用軸向位移加載方式，加載速度為0.12 mm/min，直至試件壓壞；等幅循環加卸載試驗的循環峰值為單軸壓縮試驗所得平均單軸抗壓強度的60%，加卸載方式均為0.12 mm/min的位移加載，卸載下限負荷為5 kN，循環次數為3，最終加載至試件破壞；分級循環加卸載試驗采用0.12 mm/min的速度進行加載，第1級峰值負荷為200 kN，以后逐級增加25 kN，卸載下限負荷均為5 kN，循環次數為10。

2 試驗結果與分析

聲發射信號處理方法有參數分析法和頻譜分析法，綜合上述兩種方法對試驗系統所采集到的聲發射信號進行處理，以期更好地描述巖石加載過程中的聲發射特性。其中，快速傅里葉變換(FFT)是一種已被廣泛應用的譜分析方法，它能較好地反映信號的全局頻譜特征。因此本文采用快速傅里葉變換研究巖石受載破裂過程中聲發射信號的頻譜隨著載荷變化的演化規律。

2.1 單軸壓縮過程中大理巖聲發射特征

由圖3～5可知，加載初期的壓密階段，巖石內部存在的原生微裂隙、微孔洞在應力的作用下，裂隙面之間發生閉合、錯動并伴有摩擦的產生，此階段新生裂隙產生較少，裂紋擴展不明顯，較高幅值集中的頻帶，即主頻主要分布在低頻頻段(小于100 kHz)，此時的主頻幅值較大，主頻主要集中在50 kHz左右，主頻帶寬度不會超過200 kHz，次主頻出現的現象不明顯。巖石在彈性階段伴隨著大量新裂紋的產生，聲發射信號的高頻成分增加，導致主頻帶向高頻移動，次主頻現象明顯，大量次主頻分布在300 kHz附近。隨著應力增加，巖石進入塑性階段，該階段裂紋的產生以及擴展、貫通達到高峰，此時彈性階段的次主頻變成主頻，包含高頻成分的信號大量產生，同時該階段的主頻幅值達比較低，且在巖石失穩前又出現增高的趨勢。巖石失穩前，即圖4，5中的C—D階段，該階段特點是聲發射信號均大于100 dB，超出了探頭0～99 dB的檢測范圍，因此在曲線圖上顯示為空白區域。李廷芥等[12]指出，巖石破壞前聲發射信號會出現反常現象。該反常現象在循環加卸載試驗中也有類似情況，即巖石破裂前的一段時間內，會產生大量高幅值(超過100 dB)的聲發射信號。該現象是否在其他巖石破壞前發生以及是否可以作為巖石破壞前兆對巖石破裂進行預判仍需進一步試驗研究。

圖3 單軸壓縮過程各階段幅頻特性曲線Fig.3 Amplitude-versus-frequency curve in different stages of uniaxial compression

圖4 單軸壓縮過程中應力、主頻與時間的曲線Fig.4 Curves of stress，main frequency and time under uniaxial compression

圖5 單軸壓縮過程中應力、主頻幅值與時間的曲線Fig.5 Curves of stress，main frequency amplitude and time under uniaxial compression

為了更好地反映加載過程中主頻和次主頻之間的關系以及聲發射波形信號的變化規律，提出一個新的反映聲發射波形信號的指標——次主比α，它是指頻譜分析中次主頻與主頻的比值，即

式中，f1為對聲發射信號進行頻譜分析所得的主頻；f2為次主頻。

圖6，7分別為單軸壓縮過程中的次主比α和300 kHz附近點成為主頻的次數與總次數的比值β隨時間變化曲線。可以看出，次主比α和β均隨著時間總體呈上升趨勢，異常凸起點的出現是由于該點處能量釋放率比較高，裂紋擴展速率比較快，或者產生大的貫通裂紋。在圖7中，彈塑性階段β值居高不下，而在壓密階段和彈性階段β值很小或幾乎為0，因此β值的升高可以說明巖石受力進入了彈塑性階段或塑性階段。

圖6 單軸壓縮過程應力、次主比與時間的曲線Fig.6 Curves of stress，SF(secondary frequency)-by-MF (main frequency)ratio and time under uniaxial compression

圖7 單軸壓縮過程應力、β與時間的曲線Fig.7 Curves of stress，β and time under uniaxial compression

2.2 等幅循環加卸載過程中大理巖聲發射特征

1963年Goodman發現巖石材料中存在Kaiser效應[13]，許多學者在研究中還發現巖石聲發射還存在Felicity效應，又稱為反Kaiser效應。由圖8可知，第2，3個循環中產生的AE數明顯少于其他兩個循環，其中加載過程產生聲發射主要是由于裂隙擴展以及裂隙面的閉合、摩擦。由圖8很難看出明顯聲發射的轉折點，即Kaiser點。但是從圖9可以看出，當循環應力達到最大值時，相應地能量釋放率也取得峰值，Kaiser效應顯著。

圖8 等幅循環加卸載應力、AE數與時間的曲線Fig.8 Curves of stress，AE counts and time under constant amplitude cyclic loading and unloading

圖9 等幅循環加卸載應力、能量釋放率與時間的曲線Fig.9 Curves of stress，energy release rate and time under constant amplitude cyclic loading and unloading

為了研究Kaiser點處聲發射的特性，在應力峰值點處取其前后2 s內探頭接收到的信號進行分析,得到相應Kaiser點的平均主頻、主頻幅值A1(100 kHz附近)、主頻幅值A2(300 kHz附近)和次主比等統計數據見表1。

表1等幅循環加卸載Kaiser點起始時刻及相應統計參數
Table1Thestartingmomentandstatisticalpara-meteratthestartingmomentofKaiserpointunderconstantamplitudecyclicloadingandunloading

時間/s平均主頻/kHzA1/mVA2/mV次主比α235～237100 470 07460 01890 3311584～58686 960 07790 02570 3362934～936105 000 04510 01380 3422

由表1可以看出，Kaiser點的平均主頻分布在85～105 kHz，主頻幅值集中在0.07左右，次主比α相對比較穩定，在0.33～0.34。該值處于單軸壓縮過程的次主比-時間曲線(圖6)上的A-B段，而等幅循環的峰值應力為單軸抗壓強度的64%，對應應力-時間曲線上的彈性階段，與用次主比判斷結果一致。故用次主比判斷巖石處于何種應力狀態有一定的合理性。

2.3 分級循環加卸載過程中大理巖聲發射特征

為了更好地分析循環加卸載過程中的Kaiser效應和Felicity效應，加卸載的循環次數采用了10次。軸向應力的Felicity比能較好地反映材料中原先所受損傷或結構缺陷的嚴重程度。一般情況下，Felicity比小于1.0意味著損傷的增長，且Felicity比越小，表示原先所受損傷或結構缺陷越嚴重。陳宇龍等[14]對砂巖的Felicity效應進行了探討，指出只要聲發射“明顯增多”的尺度范圍設定合理，則對Felicity比的演化趨勢沒有影響。首次循環加載峰值為72.49，第2次循環加載到72.51時，聲發射AE數為27。采用27作為Kaiser效應中“明顯增多”的尺度，得到Felicity比隨時間變化曲線如圖10所示。從圖10可以看出，加載初期，Felicity比在1附近基本保持不變，表現出明顯的Kaiser效應；加載后期，巖石開始產生塑性破壞，Felicity比開始下降，Felicity效應顯著。故采用第2次循環中與首循環峰值應力等值應力點的AE數作為Kaiser效應中“明顯增多”的尺度是合理的，且能夠觀察到明顯的Felicity效應。

圖10 分級循環加卸載應力、Felicity比與時間的曲線Fig.10 Curves of stress，Felicity ratio and time under tiered cyclic loading and unloading

對分級循環加卸載過程中Kaiser點和Felicity點等關鍵點處的頻譜進行分析，所得結果如圖11～13所示。圖中關鍵點的平均主頻主要分布在80～115 kHz，并總體呈略降趨勢，且Kaiser點較Felicity點更穩定一些。主頻幅值主要介于0.03～0.08 mV之間，并且幅值的變化趨勢與主頻有一定的相似性。次主比隨循環次數的增加呈總體上升趨勢，這是由于巖石破壞由彈性階段逐漸進入塑性階段，聲發射主頻由低頻向高頻轉移，導致次主比逐漸增加。從圖13可以看出，Felicity點的次主比總體大于Kaiser點。

圖11 分級循環加卸載應力、主頻與時間的曲線Fig.11 Curves of stress，main frequency and time under tiered cyclic loading and unloading

圖12 分級循環加卸載應力、主頻幅值與時間的曲線Fig.12 Curves of stress，main frequency amplitude and time under tiered cyclic loading and unloading

圖13 分級循環加卸載應力、次主比與時間的曲線Fig.13 Curves of stress SF(secondary frequency)-by-MF(main frequency)ratio and time under tiered cyclic loading and unloading

3 結 論

(1)巖石在單軸壓縮過程中，隨著應力水平的增加，巖石破壞過程中產生的聲發射信號的頻譜特征顯出一定的規律性，聲發射信號主頻由低頻帶向高頻帶轉移，次主頻現象歷經從無到有的變化過程，并最后發展成為主頻，且隨著巖石所受應力的逐漸增加，主頻幅值總體呈下降趨勢。此外，巖石失穩前，聲發射信號會出現一個高幅值的“異常平靜期”。

(2)提出一個新的反映聲發射波形信息的指標——次主比α，并指出單軸壓縮過程中次主比隨應力增加呈上升趨勢，分級循環加卸載過程中Felicity點的次主比總體大于Kaiser點。

(3)巖石等幅循環加卸載過程中Kaiser點的平均主頻分布在85～105 kHz，主頻幅值集中在0.07 mV左右，次主比α相對比較穩定，在0.33～0.34，與單軸壓縮試驗過程中的彈性階段有很好的對應。

(4)采用第2次循環中與首循環峰值應力等值應力點的AE數作為Kaiser效應中“明顯增多”的尺度能夠觀察到明顯的Felicity效應。

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Experimentalonacousticemissioncharacteristicsofmarblewithdifferentstresspaths

ZHANG Ning-bo1,2，QI Qing-xin1,2，OUYANG Zhen-hua1,2，LI Hong-yan1,2，ZHAO Shan-kun1,2，XU Zi-jie1,2,3

(1.InstituteofCoalSafetyandTechnology，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China;2.StateKeyLaboratoryofCoalMiningandCleanUtilization,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013，China;3.SchoolofMechanicsandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Using TAW-2000 servo testing machine and Germany VallenAMSY-6 acoustic emission signal acquisition system,the acoustic emission characteristics of marble under uniaxial compression,constant amplitude cyclic loading and unloading and tiered cyclic loading and unloading were studied.In addition,using Fast Fourier Transformation(FFT),the acoustic emission spectrum characteristics of marble under uniaxial compression and Kaiser points and Felicity points in the process of tiered cyclic loading and unloading were analyzed.Test results show that:Firstly,main frequency locate mainly in two areas,which are the regions less than 200 kHz and near 300 kHz,and the main frequency varies from low frequency to high frequency and the amplitude of main frequency declines on the whole with the increasing stress.Secondly,a new indicator to reflect acoustic emission waveform information,namely SF(secondary frequency)-by-MF(main frequency)ratioα,was put forward and in the process of uniaxial compression test SF(secondary frequency)-by-MF(main frequency)shows ascendant trend.Thirdly,the change of main frequency at Kaiser point and Felicity point is not obvious and the SF(secondary frequency)-by-MF(main frequency)ratio at Felicity point is higher than the one at Kaiser point in the hierarchical cyclic loading and unloading process.At last,by regarding AE(Acoustic Emission)counts at the point of stress in the second cycle whose stress is equal to the peak stress of first cycle as the “significant increased” scale of Kaiser effect,obvious Felicity effect is showed.

acoustic emission;spectrum analysis;cyclic loading and unloading;main frequency;Felicity effect

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0193

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB226806);國家科技重大專項資助項目(2011ZX05040-002)；國家國際科技合作專項資助項目(2011DFA61790)

張寧博(1989—)，男，河北衡水人，碩士研究生。E-mail:znb444@sina.com

TD315

A

0253-9993(2014)02-0388-06

張寧博，齊慶新，歐陽振華,等.不同應力路徑下大理巖聲發射特性試驗研究[J].煤炭學報,2014,39(2):388-394.

Zhang Ningbo，Qi Qingxin，Ouyang Zhenhua,et al.Experimental on acoustic emission characteristics of marble with different stress paths[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):388-394.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0193