单轴加载条件下砂岩声发射特性分析

黄志辉， 卢春燕， 沈国华， 谢涛， 金解放

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.九江矿冶有限公司，江西 九江 332105）

0 引 言

声发射（AE）是指材料局部因能量的快速释放而发出的瞬态弹性波的现象[1].用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术[2].现代声发射技术起始于Kaiser在20世纪50年代在德国的研究工作，他发现多数金属在应力值达到上次加载最大应力前不产生声发射信号，当加载应力达到或者超过先前施加的最大应力时，才会有大量声发射产生，即Kaiser效应[3-6].Goodman等对岩石进行试验，发现岩石材料的声学特性也有对应力历史的记忆性[7].岩石的破坏过程是一个应变能不断累积、间歇释放的过程，传感器所接收到的声发射信号（即弹性波）的能量信息可以充分反映岩石内部裂纹扩展和损伤程度[8-9].

声发射信号的处理方法可分为两大类：基于参数的分析方法和基于波形的频谱分析方法[10].在参数分析方面，文献[11]提出了岩石稳压时的AE事件率、AE事件数稳定或增加平稳.文献[12]阐述了在弹性阶段试件产生的声发射信号较微弱，主要变现为撞击数较少、能量较低、振幅较小.在频谱分析方面，声发射信号数量较大，信号的提取是进行声发射频谱分析的关键.文献[13]对单轴压缩条件下的岩石进行了声发射信号的频谱分析，对其中32个声发射信号进行FFT变换，得出了岩样临近破坏时主频向低频方向移动的结论.文献[14]通过对岩石破坏过程中的声发射主频的统计研究，结果表明，随荷载增加，主频出现波动.文献[15]按时间顺序共提取了540个能量较大的声发射信号，对含水砂岩在破坏过程中的声发射进行频谱特性分析，得出与自然状态下的砂岩相比，含水状态下砂岩整个加载过程中声发射信号的主频相对更集中，并且随着加载得进行，主频有降低的趋势.本文对砂岩单轴加载至破坏的整个过程进行了声发射信号采集，并结合应力应变曲线，对整个过程的声发射参数和频谱变化特征进行了分析.

1 室内声发射试验

1.1 声发射试验装置

本试验装置主要包括：RMT-150C型岩石力学试验系统、SAEU2S型全波形多通道声发射检测仪，试验设备连接情况如图1.

图1 室内试验设备连接示意图

RMT-150C电液伺服刚性试验机可通过行程、位移、荷载以及不同组合形式、不同加载速率的控制方式，进行单轴、三轴、间接拉伸及剪切试验.基于Windows可视化操作平台，可同时记录载荷、应力和应变的大小.试验所采用的声发射仪是由北京声华公司生产的SAEU2S声发射系统，此设备是由多个平行的检测通道构成的声发射系统.每一通道测量部件由声发射传感器、前置放大器及采集卡组成.该系统可同步采集幅度、能量、上升时间、振铃计数、有效值电压等参数.

1.2 试验试件及设备参数设置

1.2.1 试验试件

试件选择均匀性、稳定性好的砂岩，经过切割、打磨加工成10个直径50 mm，高100 mm的圆柱体试件，其平行度、平整度和垂直度都能满足试验要求.为尽量减少加载触头与试样间的摩擦、试验机电子噪声干扰以及人为活动产生的干扰噪声，在试样的端部和与传感器接触部位均匀地涂抹少量黄油.

1.2.2 参数设置

试验采用等位移加载方式，加载速率设为0.002 mm/s.传感器选用SR150M型探头，工作频率为 60～400 kHz，采样频率为 1 000 kHz，采样长度2 048，波形门限40，参数门限40，前置放大器增益40 dB，滤波器频率100～400 kHz，声发射采集与岩样加压同时开始，并同步采集试验过程中产生的声发射波形信号直到试件被压缩破裂，并用示波器实时显示波形信号.

2 试验结果与分析

本次试验共对10个砂岩试样进行了单轴压缩条件下的声发射试验，分别对试件采集到的力学参数、声发射参数和波形信号进行了分析，限于篇幅，选取了其中试验效果较好的SR7-1试样进行分析，破坏的砂岩试件见图2，应力应变曲线见图3.

从图3可以看出，砂岩的单轴压缩变形基本可分为初始压密阶段（OA段）、弹性阶段（AC段：其中AB段为弹性变形阶段，BC为微裂隙稳定发展阶段），塑性阶段（CD段）和峰后破坏（D点以后段）4个阶段.

图2 破坏的砂岩试件

图3 应力-应变曲线

2.1 砂岩破坏时的典型声发射信号

波形是声发射传感器输出电压随时间变化的曲线，它可以用示波器从前置放大器或者主放大器的输出观察到，也可以通过瞬态记录仪或者波形记录装置记录下来.本次试验共采集到砂岩试样声发射信号16 200个，图4为第7 829个（应力峰值时）声发射信号波形图，可以看出砂岩破裂过程中的声发射信号为典型的突发型声发射信号，上升段波形比较陡，而下降段呈现指数衰减振荡，按其包络线的形态呈现一个三角形.

图4 声发射信号

2.2 声发射参数分析

在岩石受力压缩变形直至破坏的整个过程中，岩石塑性变形过程，是非等时变化的.对于岩石声发射技术的应用来说，主要是根据声发射参数对应时间的变化情况对岩石的稳定性进行评价，而时间是监测预报的一个基本变量.基于这种考虑，主要对单轴受压加载岩石的破坏全过程、声发射参数对应时间的变化特性进行了试验研究，根据压力机记录的应力应变和声发射仪记录的波形信息，通过时间参量将应力和声发射参数联系起来.

初始压密阶段：试样中的原有微裂隙和张开性结构面逐步闭合，试样被压密，形成早期的非线性变形，曲线呈上凹型（对裂隙化岩石来说较明显），从图5可看出，此阶段累计振铃计数上升较慢，时间-累计振铃计数曲线较平缓，从图6观察到，此阶段声发射事件率也较低，说明在岩样原生裂隙被压密的过程中，随着裂隙的闭合有少量的微弱弹性波持续释放，但新裂隙并没有大规模地出现.

弹性变形阶段：该阶段的应力曲线近似直线型，此阶段累计振铃计数上升较慢，时间-累计振铃计数曲线较平缓，声发射事件有一定的增长，可能与岩样内部微裂隙的进一步发展有关，但声发射事件率仍然较低.

在塑性变形阶段：声发射事件率急剧增高，声发射曲线也急剧变陡，此时岩样内部的微裂隙不断发展，大量新的裂隙产生并逐步贯通直至岩石破裂.尤其是塑性变形后期，声发射信号非常强，达到最大值，主要表现为：声发射事件多，能量高，幅度大.

峰后破坏阶段：裂隙快速发展，交叉且相互贯通形成宏观断裂面，此后，岩石变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，岩样承载力迅速降低，但不立即降为0，表明岩石破坏后仍有一定的承载力.峰值后有一段时间内，岩样变形增加，但应力基本不变的阶段（即类似于屈服阶段），此时的时间-累计振铃计数曲线也较平缓，声发射事件率也多处于相对较低水平，说明此时的声发射事件增加的趋势有所减缓，出现这一情况的原因可能是岩样内部应力重组，导致短时间内的声发射事件相对减少.

图5 应力-时间-累计振铃计数关系曲线

图6 应力-时间-声发射事件率关系曲线

2.3 声发射频谱分析

采用快速傅里叶变换 （Fast Fourieer Transform）对试验过程中采集到的110个声发射信号进行了频谱分析，图7为其中一个声发射信号的幅度谱.FFT能使计算离散傅里叶变换的乘法次数大为减少，被变换的抽样点数N越多，计算的离散傅里叶变化的乘法次数越少，FFT原理如下：

分析结果表明砂岩的声发射信号的频率主要分布在140～180 kHz之间.为了研究砂岩声发射信号在单轴压缩破坏过程中的主频变化情况，按时间序列共提取了110个声发射信号，平均3.5 s提取一个，临近岩石破坏时平均1 s提取一个，通过FFT变换求出声发射信号对应的主频，从图8中看出在达到峰值强度50%之前，主频的变化无明显规律，呈随机变化，在峰值强度50%之后，主频先下降后上升.在岩石破裂变形过程中，声发射信号的分布是十分离散的，这可能是因为应力从一个区域转移到另一个应力相对较低的区域，应力重新分配以达到较高水平所至，但塑性变形后期，主频基本上是向低频方向移动.

图7 声发射幅度谱

图8 应力-时间-主频关系曲线

3 结 论

（1）砂岩在单轴压缩到破坏的过程中，大致经历了初始压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和峰后破坏4个阶段，在前两个阶段，声发射数量相对较少，进入塑性阶段后，由于大量新的微裂隙产生，声发射事件也急剧增加，到峰值破坏阶段时达到最大，且峰后出现了类似屈服阶段的性质，主要可能是因为应力从一个区域转移到另一个应力相对较低的区域，应力重新分配所致.

（2）在岩样峰值强度50%之前，砂岩的声发射信号主频呈随机变化，在峰值强度50%之后，主频先下降后上升，整体向低频方向移动.

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