基于聲發(fā)射時頻特性的花崗巖各向異性實驗研究

游 勛，王春仁，呂 欣，趙迎貴，余 敏

(1.馬鋼集團設(shè)計研究院有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000；2.華北理工大學現(xiàn)代技術(shù)教育中心，河北 唐山 063210)

0 引 言

隨著科技的進步，地下巖體工程的規(guī)模朝大尺度、大埋深方向發(fā)展。巖石具有非均質(zhì)、各向異性特點早已為人所共知，但目前的研究卻不夠深入，人們在分析巖石力學問題時，還常常把巖石看成各向同性體[1]。

關(guān)于巖石的各向異性問題，國內(nèi)外進行了大量研究。LEKHNITSKII[2]以廣義虎克定律為出發(fā)點，推導出了巖石各向異性體彈性理論的一般方程，為巖石各向異性問題的研究奠定了理論基礎(chǔ)。RIBACHI[3]開展了具有各向異性的巖石中巖石應力的測量問題研究。鄧濤等[4]研究指出，巖石材料中橫、縱波速度比與巖性存在較為嚴格的對應關(guān)系。TATHAM[5]對巖石的細觀結(jié)構(gòu)開展研究，指出巖石內(nèi)部裂隙的幾何分布情況與成巖礦物共同影響著巖石材料的橫縱波速比值。MOGI[6]通過對不同巖性的巖石進行了聲發(fā)射實驗，認為巖石的均質(zhì)度對巖石聲發(fā)射有關(guān)。席道瑛等[7-8]開展疲勞加載實驗，得出南京砂巖的物理性質(zhì)隨頻率的增高呈非線性增長，且強度具有明顯的各向異性。針對于飽和巖石在垂直和平行層理上的各向異性問題，指出含水導致各向異性增強。王金安等[9]從巖石結(jié)構(gòu)面的分形各向異性和奇異各向異性出發(fā)，開展了巖石斷裂面的多重分形特征研究，并提出了一種新的分形測量方法。楊天鴻等[10]針對現(xiàn)場的露天礦邊坡工程的穩(wěn)定性問題，提出了考慮節(jié)理分布導致的巖體各向異性特征的露天礦邊坡巖體穩(wěn)定性分析方法。蔣海昆等[11]和王述紅等[12]考慮巖石的各向異性問題，開展聲發(fā)射定位研究。朱萬成等[13]在考慮巖體各向異性的基礎(chǔ)上，基于蒙特卡洛法生成二維節(jié)理裂隙網(wǎng)格，構(gòu)建了一種基于RFPA數(shù)值模擬確定節(jié)理巖體表征單元體的方法。趙文瑞[14]在考慮作用力與層理面成不同角度條件下，研究了某地泥質(zhì)粉砂巖各向異性強度特征，指出層狀巖石的弱面對巖石的強度值有明顯的影響。

目前針對各向異性的研究，大部分以典型層理結(jié)構(gòu)的沉積巖居多。但花崗巖等由于巖漿流動冷卻形成的火成巖，各向異性問題同樣突出。受載過程中巖石的變形、應力釋放、裂紋擴展等現(xiàn)象，致使巖石內(nèi)部的顆粒相互分離、顆粒斷裂等，聲發(fā)射信號在傳播過程中出現(xiàn)能量損失。當出現(xiàn)宏觀破壞時，在一定程度上破壞了巖石的完整性，導致聲發(fā)射信號傳播的衰減甚至中斷。 因此，聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果可反映巖石的各向異性問題，本文擬分析花崗巖破裂演化過程中的時頻特性，以此討論巖石的各向異性問題。

本文選用燕山早期巖漿活動所形成的花崗巖，布置8個探頭在不同位置，從聲發(fā)射時-頻域出發(fā)，著重開展聲發(fā)射頻率特性研究，討論不同通道聲發(fā)射時域(絕對能量和幅值)、聲發(fā)射頻域(主頻)的異同，開展巖石的各向異性研究。

1 試驗介紹

1.1 基本原理

巖石材料屬于非均質(zhì)、有缺陷的材料，在外部偏應力作用下，內(nèi)部強度較低的微元體產(chǎn)生破裂(或塑性變形)，部分應變能以彈性波的形式釋放，即為聲發(fā)射。簡而言之，聲發(fā)射伴隨巖石變形破裂過程而產(chǎn)生(圖1)。

圖1 巖石聲發(fā)射技術(shù)原理Fig.1 Principle of rock acoustic emission technology

由于巖石損傷斷裂過程是一個非穩(wěn)態(tài)的破壞過程，聲發(fā)射時序特征具有隨機性、非周期性，主要表現(xiàn)了整個過程的能量耗散規(guī)律[15]。聲發(fā)射表征破裂問題時，由于傳播中巖石各向異性問題的影響，將對聲發(fā)射波形傳播造成影響。巖石各向異性的存在，將對聲發(fā)射信號的波形造成轉(zhuǎn)換、反射、折射以及信號衰減等問題，不可避免地會出現(xiàn)聲發(fā)射信號的異化。隨著巖石損傷破裂的發(fā)展，巖石各向異性不斷加強，對聲發(fā)射信號的影響也不斷增加。從聲發(fā)射時頻特征參量中討論應力各向異性、材料各向異性的影響指標，可為聲發(fā)射技術(shù)探究巖石各向異性問題提供可行性。

1.2 試件制備

本實驗采用花崗巖，巖樣尺寸為150 mm×150 mm×75 mm的長方體，正對中心鉆直徑45 mm貫通圓孔。通過磨石機磨平巖樣的6個端面，經(jīng)過人工打磨，平行度符合實驗規(guī)程，如圖2所示。

圖2 巖樣尺寸規(guī)格Fig.2 Sample size

1.3 力學試驗

1) 為保證實驗數(shù)據(jù)的可對比性，力學實驗機加載和聲發(fā)射系統(tǒng)同時開始。水平以800 N/s加載至300 kN，保持載荷不變，軸向以1 000 N/s加載至2 200 kN(花崗巖單軸抗壓強度的90%)，保持載荷不變。

2) 力學實驗機的水平及軸向均保載5 min。

3) 軸向保持位移不變，水平以40 mm/min的速度快速卸荷。 卸荷結(jié)束后，力學實驗機和聲發(fā)射系統(tǒng)同時停止工作。

1.4 電鏡掃描試驗

選取試驗巖樣中心孔左右邊壁自然崩落碎屑，進行電鏡掃描實驗，實驗設(shè)備選擇Hitachi S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡，試件樣品見圖3。對樣品進行凈化、干燥等處理。采用導電膠把樣品粘結(jié)到樣品臺上，對樣品進行鍍膜處理。

圖3 場發(fā)射掃描樣品圖Fig.3 SEM scanning sample

1.5 試驗過程

正面所粘貼的1～4號探頭中，1號探頭出現(xiàn)松動，3號探頭已經(jīng)掉落(圖4(a))；反面所粘貼的5～8號探頭中，8號探頭已掉落，而5號探頭亦出現(xiàn)了松動(圖4(b))。因此，選擇2號探頭、4號探頭、6號探頭、7號探頭開展聲發(fā)射分析工作。

松動、掉落-巖石損傷信號接收不完整；正常粘貼-巖石損傷信號接收完整圖4 探頭布置及掉落情況Fig.4 Sensor placement and drop situation

2 花崗巖各向異性分析

聲發(fā)射時序參數(shù)反映了巖石斷裂過程中的能量耗散規(guī)律，由斷裂尺度、巖石儲能以及能量釋放多少決定。聲發(fā)射信號在巖石介質(zhì)中傳播，受材料各向異性以及應力各向異性的影響。圖5為不同位置聲發(fā)射絕對能量-時間曲線圖。巖石在整個受力過程發(fā)生了兩次大破裂，對應兩個聲發(fā)射信號的極大值點A1點和A2點信息。在1 600 s左右和2 100 s左右均出現(xiàn)了絕對能量的響應突增，但不同位置的增加幅度卻并不一致。

圖5 不同探頭位置聲發(fā)射絕對能量-時間分布Fig.5 Different sensor position distribution of acoustic emission energy-absolute time(注：A1、A2為巖石斷裂損傷過程中絕對能量釋放階段性極大值點)

表1為不同位置絕對能量最大點的絕對能量-時間統(tǒng)計表。從到達時間來看，四個位置的A1點和A2點到達時間都是一致的，其中，A1點為2 060 s，A2點為1 599 s。從絕對能量值來看，對于A1點，絕對能量排序為2號探頭>6號探頭>7號探頭>4號探頭；對于A2點，絕對能量排序為7號探頭>2號探頭>6號探頭>4號探頭。A1點和A2點到達時間一致，不同位置的絕對能量演化呈現(xiàn)了一致性，并不隨著應力各向異性的增加而發(fā)生變化。因此，絕對能量受材料各向異性影響較大。

表1 不同位置絕對能量A1點和A2點信息表Table 1 Different position absolute energy information table point A1 and A2

圖6為不同位置聲發(fā)射幅值-時間曲線圖，不同位置的聲發(fā)射幅值表現(xiàn)出不一樣的規(guī)律特征。除了也能找到B1點和B2點，但不同位置聲發(fā)射幅值的跳變幅度不一樣。在加載初期Q(0～500 s)時，不同位置的幅值表現(xiàn)了一定的共性，在500～2 000 s內(nèi)，出現(xiàn)了B1區(qū)域和B2區(qū)域，即圖6所表述的兩次大破裂。

表2為不同位置幅值-時間點統(tǒng)計表，不同位置的探頭所獲得的B1點和B2點的信息。從到達時間來分析，B1點4個位置排序為7號探頭>2號探頭>4號探頭>6號探頭，B2點4個位置排序為7號探頭>4號探頭>6號探頭=2號探頭。從幅值來分析，對于B1點排序為4號探頭>2號探頭>7號探頭>6號探頭，B2點排序為6號探頭>7號探頭>2號探頭>4號探頭。四個通道的B1點和B2點到達時間和幅值都不同，且B1區(qū)域和B2區(qū)域處在加載的中后期，巖石的應力各向異性是主要的影響因素，因此，幅值主要體現(xiàn)了應力各向異性的影響。

3 討 論

3.1 巖石的礦物組分

利用透射光在偏光顯微鏡下觀察花崗巖樣品，并通過X射線衍射檢測。如圖7所示，花崗巖樣品的主要成分是斜長石、鉀長石、石英、角閃石和黑云母，具體的礦物形式及其組分為：斜長石含量為35%～40%，具有鈉長石雙晶及圓形結(jié)構(gòu)，部分呈明顯的高嶺土化和絹云母化；鉀長石含量為25%～30%，具有不同程度的高嶺土化和絹云母化；粒狀石英含量為20%～25%；列角閃石的含量為3%～5%。除此之外，還有黑云母、鈦鐵礦和磁鐵礦等其他礦物，其含量為2%～3%。由此可知，巖石元素的多樣性及礦物成分分布的不均一性，造成了巖石的材料各向異性，也進一步促使了巖石的應力各向異性。

圖6 不同探頭位置聲發(fā)射幅值-時間分布Fig.6 Different sensor position distribution of acoustic emission amplitude-absolute time(注：B1、B2為巖石斷裂損傷過程中聲發(fā)射幅度階段性極大值點)

表2 不同位置聲發(fā)射幅值B1點和B2點信息表Table 2 Different position absolute amplitude information table point B1 and B2

3.2 巖石的各向異性

巖石的各向異性可以分為兩種：一種是由于巖石內(nèi)部孔隙、微裂縫等微結(jié)構(gòu)面的存在以及在巖體內(nèi)的排列、分布差異導致的，隨著巖石受力變化而改變，稱之為應力各向異性；另一種是由于巖石微觀顆粒的定向組合引起的，稱之為材料各向異性。

1) 材料各向異性。作為一種典型各向異性地質(zhì)體，在微觀尺度上，巖石在成巖過程中，礦物顆粒的排列，裂隙的分布方式等隨方向而變化，引起了材料的宏觀各向異性。本次研究選取的花崗巖是燕山早期巖漿活動形成的花崗巖，屬于侵入式火成巖，入侵方向決定了巖石的材料各向異性特征。損傷斷裂的出現(xiàn)，導致了巖石的應力各向異性問題。由圖8可知，斷裂面具有典型的方向性。圖8(a)中1號花崗巖巖屑的斷裂面呈現(xiàn)階梯狀，且方向接近水平；圖8(b)中2號碎屑也呈階梯狀，階梯的方向接近60°。

圖7 巖石元素含量及礦物成分Fig.7 Rock element content and mineral composition

圖8 花崗巖巖屑電鏡掃描圖(×300)Fig.8 Electron microscope scanning figure of granite cuttings

2) 應力各向異性。假設(shè)巖石是由一系列六面體所構(gòu)成，任何部位的巖石所受到的應力張量可分解為各方向應力相等的球應力張量和一個偏應力張量(式(1))。其中，球應力張量主要引起巖石材料的體積變形，偏應力張量主要導致巖石材料出現(xiàn)畸變(變形、破裂)。

(1)

巖石的應力各向異性主要是由巖石內(nèi)部的孔隙出現(xiàn)形變、擴張以及孔隙相互貫通引起的。隨著應力的增加，孔隙經(jīng)歷了壓縮→閉合→擴張→相互貫通的過程。不同部位所受的應力張量不盡相同，導致不同部位的六個方向上孔隙壓縮量或變形量不同，從而出現(xiàn)了巖石的應力各向異性。因此，偏應力的存在是導致巖石材料應力各向異性的主要原因。

3.3 聲發(fā)射的各向異性

聲發(fā)射頻域信息由時序的波形數(shù)據(jù)經(jīng)時頻變換而來，微觀的晶體位錯轉(zhuǎn)動到宏觀尺度的斷裂均可從頻帶進行區(qū)分。時域信號變換到頻域之后，分析信號的最大增益的頻率點——主頻，可以得到更為準確的斷裂源本質(zhì)信息。

圖9為不同位置聲發(fā)射主頻-時間分布圖，受巖石的材料各向異性以及應力各向異性影響，巖石變形-斷裂過程的聲發(fā)射波形信號頻譜分布較為復雜。圖9中的G-1頻段[40，50 kHz]，四個通道的探頭均有響應，且不受各向異性問題的影響，材料各向異性和應力各向異性對其他頻段均有不同程度的影響。

低頻段(約20 kHz)的Y-1屬于加載初期，試件并沒有產(chǎn)生明顯損傷，受材料各向應力的影響較大。Y-2屬于破裂后期，試件已出現(xiàn)明顯斷裂面，此時受應力各向異性的影響較大。中頻(40～50 kHz)不受各向異性的影響，在整個階段均保持較高的響應。次高頻GY-2(50～60 kHz)在不同位置的響應程度不同，受應力各向異性和材料各向異性的影響。高頻GY-1(80～110 kHz)臨近大破裂時出現(xiàn)，應力各向異性對其有決定性的影響。

圖9 不同位置聲發(fā)射主頻-時間分布Fig.9 Different position distribution of acoustic emission domain frequency-absolute time

4 結(jié) 論

1) 各向異性(材料各向異性和應力各向異性)是引起不同位置聲發(fā)射時頻域異常的主要原因。在加載初期，以材料各向異性為主要因素。隨著加載的進行，損傷破裂出現(xiàn)的張開裂紋、剪切錯動等引起的應力各向異性開始占主要作用。

2) 巖石不同部位所受的應力張量不盡相同，不同部位的6個方向上孔隙壓縮量或變形量不同，出現(xiàn)了巖石的應力各向異性。偏應力的存在是導致巖石應力各向異性的主要原因。

3) 不同聲發(fā)射時序參數(shù)對材料各向異性和應力各向異性的影響存在差別，其中絕對能量主要受材料各向異性的影響，幅值受應力各向異性的影響。

4) 不同頻段對材料各向異性以及應力各向異性的敏感程度不同。其中，低頻(約20 kHz)前期由材料各向異性決定差異性，到后期主要體現(xiàn)應力各向異性。中頻(40～50 kHz)不受各向異性的影響，次高頻(50～60 kHz)同時受材料各向異性和應力各向異性影響。高頻(80～110 kHz)受應力各向異性影響。

5) 針對巖石失穩(wěn)破裂監(jiān)測預警，通過本研究成果，可利用對各向異性影響較小的聲發(fā)射特征量作為基礎(chǔ)觀測參量，譬如絕對能量、中頻(40～50 kHz)等，進行行之有效的預警工作。