單軸壓縮條件下不同粒徑類巖石材料次聲信號特性研究

趙銘久，趙 奎，曾 鵬，鄧歲偉

(1.江西理工大學 資源與環境工程學院, 贛州市 341000；2.江西省礦業工程重點實驗室, 江西 贛州市 341000)

0 引 言

對巖石力學的研究在工程上具有重大意義，諸如采礦、土木、水利、交通等工程建設。國內外大量的科研工作者為此不斷努力，從多方面對巖石力學進行了大量研究[1]，同時也取得了大量的科研成果。但在巖石力學室內試驗及其在工程中的應用方面仍存在各種缺陷，其中巖石材料粒徑、巖石內部的原生缺陷以及在進行巖石力學試驗過程中巖樣的獲取、加工、加載方式等其他環境因素直接或間接地導致對巖石力學研究的復雜性，在試驗和理論研究方面發展緩慢。

聲發射(AE)技術已被廣泛應用于許多領域，能夠反映巖石破壞過程內部缺陷形成、發展和失穩破壞的整個動態過程，在探究各種因素對AE特性的影響方面，左保成、陳從新等[2]將石英砂、石膏以及混凝土替代灰巖，發現其內部結構以及破壞形式與灰巖相似，在室內試驗中用來模擬灰巖具有可行性。劉樹新、包春燕等[3-4]研究表明，巖石均質度對AE特性具有重要的影響。李元輝等[5]得到三種不同脆性巖石AE分形及b值特征，提出了巖樣破壞失穩的前兆特征。鄧朝福等[6]對4種不同粒徑北山花崗巖進行斷裂韌度試驗，系統研究了不同粒度北山花崗巖的斷裂力學行為及AE特征。在加載方式與巖石AE特性關系的研究方面，李庶林等[7]研究了巖石破壞全過程AE試驗，研究表明巖樣破壞形式的不同AE特征也不同。趙小平等[8]通過對裂隙巖樣和完整軟巖進行單軸AE試驗，對比分析兩者內部裂隙的演化過程。康志強等[9]考慮巖石巖性，節理裂隙狀態、注水孔形狀及大小，巖石強度、 密度、滲透率及加載方式等影響因素，結合聲發射計數，研究了巖石水壓致裂過程中的巖石損傷演化過程及破裂規律。

次聲波信號作為超低頻信號的代表，其具有頻率低(0.01～20 Hz)、傳播距離遠、衰減小、抗干擾能力強等特點[10]，使得次聲信號采集過程中傳感器的布置更為簡便，極大減小了耦合因素的影響，在采集波長較長，衰減較小的次聲信號時效果更好。但至今，次聲探測技術在室內試驗和工程應用方面研究較少。楊云峰、趙奎等[11]通過對巖樣進行不同加載試驗，發現在剪切試驗中巖樣產生的次聲波信號較為突出，單軸加載試驗及劈裂試驗不明顯。同時發現隨著巖樣承受應力的增大，分布于1～4 kHz區間內的次聲波信號能量占比在峰值點附近可達85%以上。徐洪等[12]采集了8組巖樣在單軸壓縮破壞過程中的次聲波信號，并對破壞過程中的異常次聲信號進行小波分析。結果發現異常次聲信號中的中低頻能量會隨著巖石破壞程度的加劇而削弱，而同時高頻能量將會增加。在巖樣將要破壞時，高頻與中低頻能量占比趨于相同。

綜上所述，作者將對不同粒徑組成的類巖石模擬材料進行單軸壓縮試驗，運用次聲探測技術，對試驗過程中次聲信號的特性進行研究，嘗試找出不同粒徑組成的類巖石材料單軸壓縮過程中次聲信號特征的差異，從而揭示粒徑組成對巖石破壞內在機理的影響，同時為巖石室內次聲試驗提供基礎依據。

1 試驗設計

1.1 試 樣

此次模擬試驗選用純度為99.9%，密度為2.65 g/cm3高純石英砂作為骨料，標準硅酸鹽水泥P.O32.5為膠結材料。灰砂比1∶3，質量濃度80%進行不同粒徑的類巖石材料試件的澆筑。分別選取石英砂粒徑范圍為0.08～0.16 mm，0.315～0.63 mm，1～1.25 mm，1.5～2 mm的石英砂4組，每組制作5個50 mm×100 mm(直徑×高)的圓柱體試樣。對澆筑好的類巖石材料試樣在達到一定標準條件后進行脫模并養護，制備完成試樣見圖1。

圖1 試 樣

1.2 試驗設備及方法

選擇RMT-150C巖石力學加載系統為本次試驗加載系統。選擇次聲波儀為本次試驗次聲信號采集系統，其主要由次聲傳感器、網絡傳輸儀、計算機3個部分組成。該傳感器具有對聲信號較為靈敏、頻響寬、無需耦合等特點，值得注意的是，振動對其影響較小，僅對聲波敏感，頻帶范圍在0.001～100 Hz，靈敏度為422 mv/Pa(頻率為1 Hz時)。此系統使用簡單，便于攜帶(見圖2)。

在進行單軸壓縮次聲試驗之前，首先對加載系統處于高壓狀態下環境中的次聲信號水平進行度量，作為本次試驗本底信號，采集時長為4 min，采集結束時對數據進行轉換并保存。然后進行單軸次聲試驗，采用位移加載控制方式，加載速率為0.002 mm/s，力終點200 kN，位移終點2 mm，次聲采集系統采樣頻率設置為640 Hz。保證力學試驗系統和次聲采集系統同步運行和結束。試驗結束后分別保存力學試驗數據及次聲試驗數據。試驗系統及加載裝置如圖3、圖4所示。

圖2 次聲信號采集系統

圖3 次聲試驗系統

圖4 單軸壓縮加載裝置

2 結果分析

2.1 本底信號分析

本底信號為非試驗狀態下環境信號水平，為避免試驗信號失真，如本底信號頻帶范圍與試驗信號頻帶范圍發生重疊，通過幅值水平的比較，本底信號對次聲信號影響較小，可不對試驗信號做濾波處理[13]。由此，對本底信號和試驗信號進行小波分解與重構，圖5為某試驗本底信號和某試樣加載的試驗信號。

從圖5可知，本底信號整體平穩，幅值水平基本在-0.003～0.003范圍內，而試驗信號幅值波動較大，且幅值水平較高。說明了本底信號包含在試驗信號幅值水平較低的部分，故可判定本底信號水平對試驗信號影響較小，通過多次對比并證實了此現象的準確性，在此不一一闡述。綜合以上分析結果，將不再對試驗信號中本底信號進行去噪處理。

圖5 重構后本底、試驗信號

2.2 次聲信號特征

振鈴計數是評價AE活動性指標之一，而累計振鈴計數能更好地描述試驗過程中振鈴計數的變化趨勢，但易受門檻值的影響。由圖5可確定振鈴計數門檻值為-0.003～0.003，進而對累計振鈴計數進行統計，結合幅值-時間-應力曲線對不同粒徑試樣次聲信號特征描述分析，限于篇幅，每組取一個試樣。如圖6所示。

單軸壓縮條件下，類巖石材料破壞過程大致可分為4個變形階段：初始壓密階段(OA)、彈性變形階段(AB)、塑性變形階段(BC)、裂紋加速擴展至試件破壞階段(CD)[14]，如圖6中標注所示。

OA段，試樣內部孔隙、空隙不斷被壓密，各粒徑試樣幅值波動相對平穩，累計振鈴計數的增加較為緩慢，如0.315～0.63 mm粒徑和1.5～2 mm粒徑試樣表現較為明顯。

AB段，隨著應力的增大，試樣內部孔隙、空隙進一步被壓密，應力-時間曲線近似線性，各粒徑試樣次聲信號幅值的波動及累計振鈴計數的變化存在較強的相似性：此階段前期幅值及累計振鈴計數的變化與OA段相似，相對平穩；后期幅值均出現較大的波動，同時累計振鈴計數也出現明顯上升。筆者認為，AB段前期試樣內部孔隙、空隙進一步被壓密的過程中，伴有少量的膠結材料鏈接被壓斷，而此階段后期，隨著應力的進一步增大，大量的膠結材料鏈接被壓斷，因此次聲信號幅值在AB段前期平穩，后期波動明顯，累計振鈴計數前期增加緩慢，后期上升趨勢加強。

圖6次聲信號幅值-時間-應力-累計振鈴計數

BC段，相較于AB段后期，各粒徑試樣次聲信號幅值及累計振鈴計數在此階段均出現不同程度的“相對平靜”，如圖6所示。累計振鈴計數在此“相對平靜”階段表現出穩定的趨勢，如0.315～0.63 mm粒徑和1～1.25 mm粒徑試樣累計振鈴計數的增長速率相對穩定，0.08～0.16 mm粒徑和1.5～2 mm粒徑試樣甚至表現為零增長。筆者認為，隨著AB段膠結材料鏈接的破壞，此階段更多的是試樣內部顆粒以及膠結材料之間的擠壓作用，并伴有微裂紋的產生及擴展。

CD段，隨著應力的進一步增大，試樣內部微裂隙的進一步擴展、匯合，形成相對較大尺度的微裂隙，再加之類巖石材料質地相對松散，試樣內部微裂面之間的滑移摩擦，致使次聲信號幅值及累計振鈴計數在CD段出現間歇性增加或上升。

通過對比不同粒徑試樣次聲信號幅值及累計振鈴計數整體變化趨勢，可以發現：

(1) 在幅值方面，粒徑較小的試樣幅值變化越雜亂，粒徑越大的試樣幅值變化越有序，如0.08～0.16 mm粒徑試樣，在整個加載過程中，幅值波動是持續不斷的，即使在BC段出現“相對平靜”階段，所歷時長較短，而1.5～2 mm粒徑試樣，幅值明顯波動時段較為突出，幅值平穩階段所歷時長較長。

(2) 在累計振鈴計數方面，粒徑越小的試樣，累計振鈴計數整體上升速率較為平穩，即曲線斜率變化幅度較小，粒徑越大的試樣，累計振鈴計數曲線“階梯感”較為明顯，即曲線斜率變化幅度較大。如0.08～0.16 mm粒徑試樣和1.5～2 mm粒徑試樣對比尤為明顯。

筆者認為，粒徑越小的試樣，其均質度越高，顆粒之間膠結更加緊密，不易產生應力集中，而粒徑越大的試樣，其越不均質，顆粒與顆粒之間的膠結材料體積更大，在受到外力作用下，更容易產生應力集中的現象，進而導致次聲信號幅值及累計振鈴計數變化趨勢上的差異性。

3 結 論

(1) 試驗過程中，次聲信號幅值的變化與累計振鈴計數的變化具有同步性。

(2) 單軸壓縮條件下，不同粒徑試樣在彈性變形階段后期次聲信號幅值均有不同程度的增大，同時累計振鈴計數均表現出明顯上升趨勢。

(3) 塑形變形階段，不同粒徑試樣幅值均出現不同程度的“相對平靜”階段；同時累計振鈴計數穩定增長速率近似線性。

(4) 粒徑越小，幅值變化越雜亂，粒徑越大幅值變化越有序；粒徑越小，累計振鈴計數曲線斜率變化幅度越小，粒徑越大，累計振鈴計數曲線“階梯感”較為明顯，即曲線斜率變化幅度越大。