基于声发射时频特性的花岗岩各向异性实验研究

游 勋，王春仁，吕 欣，赵迎贵，余 敏

(1.马钢集团设计研究院有限责任公司，安徽 马鞍山 243000；2.华北理工大学现代技术教育中心，河北 唐山 063210)

0 引 言

随着科技的进步，地下岩体工程的规模朝大尺度、大埋深方向发展。岩石具有非均质、各向异性特点早已为人所共知，但目前的研究却不够深入，人们在分析岩石力学问题时，还常常把岩石看成各向同性体[1]。

关于岩石的各向异性问题，国内外进行了大量研究。LEKHNITSKII[2]以广义虎克定律为出发点，推导出了岩石各向异性体弹性理论的一般方程，为岩石各向异性问题的研究奠定了理论基础。RIBACHI[3]开展了具有各向异性的岩石中岩石应力的测量问题研究。邓涛等[4]研究指出，岩石材料中横、纵波速度比与岩性存在较为严格的对应关系。TATHAM[5]对岩石的细观结构开展研究，指出岩石内部裂隙的几何分布情况与成岩矿物共同影响着岩石材料的横纵波速比值。MOGI[6]通过对不同岩性的岩石进行了声发射实验，认为岩石的均质度对岩石声发射有关。席道瑛等[7-8]开展疲劳加载实验，得出南京砂岩的物理性质随频率的增高呈非线性增长，且强度具有明显的各向异性。针对于饱和岩石在垂直和平行层理上的各向异性问题，指出含水导致各向异性增强。王金安等[9]从岩石结构面的分形各向异性和奇异各向异性出发，开展了岩石断裂面的多重分形特征研究，并提出了一种新的分形测量方法。杨天鸿等[10]针对现场的露天矿边坡工程的稳定性问题，提出了考虑节理分布导致的岩体各向异性特征的露天矿边坡岩体稳定性分析方法。蒋海昆等[11]和王述红等[12]考虑岩石的各向异性问题，开展声发射定位研究。朱万成等[13]在考虑岩体各向异性的基础上，基于蒙特卡洛法生成二维节理裂隙网格，构建了一种基于RFPA数值模拟确定节理岩体表征单元体的方法。赵文瑞[14]在考虑作用力与层理面成不同角度条件下，研究了某地泥质粉砂岩各向异性强度特征，指出层状岩石的弱面对岩石的强度值有明显的影响。

目前针对各向异性的研究，大部分以典型层理结构的沉积岩居多。但花岗岩等由于岩浆流动冷却形成的火成岩，各向异性问题同样突出。受载过程中岩石的变形、应力释放、裂纹扩展等现象，致使岩石内部的颗粒相互分离、颗粒断裂等，声发射信号在传播过程中出现能量损失。当出现宏观破坏时，在一定程度上破坏了岩石的完整性，导致声发射信号传播的衰减甚至中断。 因此，声发射监测结果可反映岩石的各向异性问题，本文拟分析花岗岩破裂演化过程中的时频特性，以此讨论岩石的各向异性问题。

本文选用燕山早期岩浆活动所形成的花岗岩，布置8个探头在不同位置，从声发射时-频域出发，着重开展声发射频率特性研究，讨论不同通道声发射时域(绝对能量和幅值)、声发射频域(主频)的异同，开展岩石的各向异性研究。

1 试验介绍

1.1 基本原理

岩石材料属于非均质、有缺陷的材料，在外部偏应力作用下，内部强度较低的微元体产生破裂(或塑性变形)，部分应变能以弹性波的形式释放，即为声发射。简而言之，声发射伴随岩石变形破裂过程而产生(图1)。

图1 岩石声发射技术原理Fig.1 Principle of rock acoustic emission technology

由于岩石损伤断裂过程是一个非稳态的破坏过程，声发射时序特征具有随机性、非周期性，主要表现了整个过程的能量耗散规律[15]。声发射表征破裂问题时，由于传播中岩石各向异性问题的影响，将对声发射波形传播造成影响。岩石各向异性的存在，将对声发射信号的波形造成转换、反射、折射以及信号衰减等问题，不可避免地会出现声发射信号的异化。随着岩石损伤破裂的发展，岩石各向异性不断加强，对声发射信号的影响也不断增加。从声发射时频特征参量中讨论应力各向异性、材料各向异性的影响指标，可为声发射技术探究岩石各向异性问题提供可行性。

1.2 试件制备

本实验采用花岗岩，岩样尺寸为150 mm×150 mm×75 mm的长方体，正对中心钻直径45 mm贯通圆孔。通过磨石机磨平岩样的6个端面，经过人工打磨，平行度符合实验规程，如图2所示。

图2 岩样尺寸规格Fig.2 Sample size

1.3 力学试验

1) 为保证实验数据的可对比性，力学实验机加载和声发射系统同时开始。水平以800 N/s加载至300 kN，保持载荷不变，轴向以1 000 N/s加载至2 200 kN(花岗岩单轴抗压强度的90%)，保持载荷不变。

2) 力学实验机的水平及轴向均保载5 min。

3) 轴向保持位移不变，水平以40 mm/min的速度快速卸荷。 卸荷结束后，力学实验机和声发射系统同时停止工作。

1.4 电镜扫描试验

选取试验岩样中心孔左右边壁自然崩落碎屑，进行电镜扫描实验，实验设备选择Hitachi S-4800场发射扫描电子显微镜，试件样品见图3。对样品进行净化、干燥等处理。采用导电胶把样品粘结到样品台上，对样品进行镀膜处理。

图3 场发射扫描样品图Fig.3 SEM scanning sample

1.5 试验过程

正面所粘贴的1～4号探头中，1号探头出现松动，3号探头已经掉落(图4(a))；反面所粘贴的5～8号探头中，8号探头已掉落，而5号探头亦出现了松动(图4(b))。因此，选择2号探头、4号探头、6号探头、7号探头开展声发射分析工作。

松动、掉落-岩石损伤信号接收不完整；正常粘贴-岩石损伤信号接收完整图4 探头布置及掉落情况Fig.4 Sensor placement and drop situation

2 花岗岩各向异性分析

声发射时序参数反映了岩石断裂过程中的能量耗散规律，由断裂尺度、岩石储能以及能量释放多少决定。声发射信号在岩石介质中传播，受材料各向异性以及应力各向异性的影响。图5为不同位置声发射绝对能量-时间曲线图。岩石在整个受力过程发生了两次大破裂，对应两个声发射信号的极大值点A1点和A2点信息。在1 600 s左右和2 100 s左右均出现了绝对能量的响应突增，但不同位置的增加幅度却并不一致。

图5 不同探头位置声发射绝对能量-时间分布Fig.5 Different sensor position distribution of acoustic emission energy-absolute time(注：A1、A2为岩石断裂损伤过程中绝对能量释放阶段性极大值点)

表1为不同位置绝对能量最大点的绝对能量-时间统计表。从到达时间来看，四个位置的A1点和A2点到达时间都是一致的，其中，A1点为2 060 s，A2点为1 599 s。从绝对能量值来看，对于A1点，绝对能量排序为2号探头>6号探头>7号探头>4号探头；对于A2点，绝对能量排序为7号探头>2号探头>6号探头>4号探头。A1点和A2点到达时间一致，不同位置的绝对能量演化呈现了一致性，并不随着应力各向异性的增加而发生变化。因此，绝对能量受材料各向异性影响较大。

表1 不同位置绝对能量A1点和A2点信息表Table 1 Different position absolute energy information table point A1 and A2

图6为不同位置声发射幅值-时间曲线图，不同位置的声发射幅值表现出不一样的规律特征。除了也能找到B1点和B2点，但不同位置声发射幅值的跳变幅度不一样。在加载初期Q(0～500 s)时，不同位置的幅值表现了一定的共性，在500～2 000 s内，出现了B1区域和B2区域，即图6所表述的两次大破裂。

表2为不同位置幅值-时间点统计表，不同位置的探头所获得的B1点和B2点的信息。从到达时间来分析，B1点4个位置排序为7号探头>2号探头>4号探头>6号探头，B2点4个位置排序为7号探头>4号探头>6号探头=2号探头。从幅值来分析，对于B1点排序为4号探头>2号探头>7号探头>6号探头，B2点排序为6号探头>7号探头>2号探头>4号探头。四个通道的B1点和B2点到达时间和幅值都不同，且B1区域和B2区域处在加载的中后期，岩石的应力各向异性是主要的影响因素，因此，幅值主要体现了应力各向异性的影响。

3 讨 论

3.1 岩石的矿物组分

利用透射光在偏光显微镜下观察花岗岩样品，并通过X射线衍射检测。如图7所示，花岗岩样品的主要成分是斜长石、钾长石、石英、角闪石和黑云母，具体的矿物形式及其组分为：斜长石含量为35%～40%，具有钠长石双晶及圆形结构，部分呈明显的高岭土化和绢云母化；钾长石含量为25%～30%，具有不同程度的高岭土化和绢云母化；粒状石英含量为20%～25%；列角闪石的含量为3%～5%。除此之外，还有黑云母、钛铁矿和磁铁矿等其他矿物，其含量为2%～3%。由此可知，岩石元素的多样性及矿物成分分布的不均一性，造成了岩石的材料各向异性，也进一步促使了岩石的应力各向异性。

图6 不同探头位置声发射幅值-时间分布Fig.6 Different sensor position distribution of acoustic emission amplitude-absolute time(注：B1、B2为岩石断裂损伤过程中声发射幅度阶段性极大值点)

表2 不同位置声发射幅值B1点和B2点信息表Table 2 Different position absolute amplitude information table point B1 and B2

3.2 岩石的各向异性

岩石的各向异性可以分为两种：一种是由于岩石内部孔隙、微裂缝等微结构面的存在以及在岩体内的排列、分布差异导致的，随着岩石受力变化而改变，称之为应力各向异性；另一种是由于岩石微观颗粒的定向组合引起的，称之为材料各向异性。

1) 材料各向异性。作为一种典型各向异性地质体，在微观尺度上，岩石在成岩过程中，矿物颗粒的排列，裂隙的分布方式等随方向而变化，引起了材料的宏观各向异性。本次研究选取的花岗岩是燕山早期岩浆活动形成的花岗岩，属于侵入式火成岩，入侵方向决定了岩石的材料各向异性特征。损伤断裂的出现，导致了岩石的应力各向异性问题。由图8可知，断裂面具有典型的方向性。图8(a)中1号花岗岩岩屑的断裂面呈现阶梯状，且方向接近水平；图8(b)中2号碎屑也呈阶梯状，阶梯的方向接近60°。

图7 岩石元素含量及矿物成分Fig.7 Rock element content and mineral composition

图8 花岗岩岩屑电镜扫描图(×300)Fig.8 Electron microscope scanning figure of granite cuttings

2) 应力各向异性。假设岩石是由一系列六面体所构成，任何部位的岩石所受到的应力张量可分解为各方向应力相等的球应力张量和一个偏应力张量(式(1))。其中，球应力张量主要引起岩石材料的体积变形，偏应力张量主要导致岩石材料出现畸变(变形、破裂)。

(1)

岩石的应力各向异性主要是由岩石内部的孔隙出现形变、扩张以及孔隙相互贯通引起的。随着应力的增加，孔隙经历了压缩→闭合→扩张→相互贯通的过程。不同部位所受的应力张量不尽相同，导致不同部位的六个方向上孔隙压缩量或变形量不同，从而出现了岩石的应力各向异性。因此，偏应力的存在是导致岩石材料应力各向异性的主要原因。

3.3 声发射的各向异性

声发射频域信息由时序的波形数据经时频变换而来，微观的晶体位错转动到宏观尺度的断裂均可从频带进行区分。时域信号变换到频域之后，分析信号的最大增益的频率点——主频，可以得到更为准确的断裂源本质信息。

图9为不同位置声发射主频-时间分布图，受岩石的材料各向异性以及应力各向异性影响，岩石变形-断裂过程的声发射波形信号频谱分布较为复杂。图9中的G-1频段[40，50 kHz]，四个通道的探头均有响应，且不受各向异性问题的影响，材料各向异性和应力各向异性对其他频段均有不同程度的影响。

低频段(约20 kHz)的Y-1属于加载初期，试件并没有产生明显损伤，受材料各向应力的影响较大。Y-2属于破裂后期，试件已出现明显断裂面，此时受应力各向异性的影响较大。中频(40～50 kHz)不受各向异性的影响，在整个阶段均保持较高的响应。次高频GY-2(50～60 kHz)在不同位置的响应程度不同，受应力各向异性和材料各向异性的影响。高频GY-1(80～110 kHz)临近大破裂时出现，应力各向异性对其有决定性的影响。

图9 不同位置声发射主频-时间分布Fig.9 Different position distribution of acoustic emission domain frequency-absolute time

4 结 论

1) 各向异性(材料各向异性和应力各向异性)是引起不同位置声发射时频域异常的主要原因。在加载初期，以材料各向异性为主要因素。随着加载的进行，损伤破裂出现的张开裂纹、剪切错动等引起的应力各向异性开始占主要作用。

2) 岩石不同部位所受的应力张量不尽相同，不同部位的6个方向上孔隙压缩量或变形量不同，出现了岩石的应力各向异性。偏应力的存在是导致岩石应力各向异性的主要原因。

3) 不同声发射时序参数对材料各向异性和应力各向异性的影响存在差别，其中绝对能量主要受材料各向异性的影响，幅值受应力各向异性的影响。

4) 不同频段对材料各向异性以及应力各向异性的敏感程度不同。其中，低频(约20 kHz)前期由材料各向异性决定差异性，到后期主要体现应力各向异性。中频(40～50 kHz)不受各向异性的影响，次高频(50～60 kHz)同时受材料各向异性和应力各向异性影响。高频(80～110 kHz)受应力各向异性影响。

5) 针对岩石失稳破裂监测预警，通过本研究成果，可利用对各向异性影响较小的声发射特征量作为基础观测参量，譬如绝对能量、中频(40～50 kHz)等，进行行之有效的预警工作。