细砂岩声发射全波形特征及频谱分析

常新科，吴顺川,2，程海勇，傅 鑫

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093； 2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

1 研究背景

近年来，随着大量地下岩土工程的兴建，施工深度不断增加，高能量、大体量灾害事故频发(冲击地压、煤与瓦斯突出、巷道围岩难以支护、顶板垮落等)[1-3]，严重威胁施工安全，这些地质灾害是岩石失稳破坏的宏观力学表现。岩石作为天然材料，其内部含有各种缺陷(孔隙、节理、微裂隙等)，工程岩体破坏失稳是岩石在应力场作用下细观缺陷损伤发展至宏观破裂的渐进过程，因此研究岩石在荷载作用下的破裂机制及裂纹扩展规律，对深入了解工程岩体的破坏，以及地质灾害的评价与预测具有重要的理论意义。

目前，揭示岩石破裂机制的主要手段有数值模拟试验和实验室物理力学试验两类[4-5]。其中数值模拟方法有FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)[6]、PFC(Particle Flow Code)[7]、RFPA(Realistic Failure Process Analysis)[8]、DDA(Discontinuous Displacement Analysis)[9]、UDEC(Universal Distinct Element Code)[10]等，这些研究的开展促进了人们对岩石破裂机理的认识，但其有效性与岩石物理力学参数的准确界定密切相关，相对而言，基于实验室物理力学试验获得的岩石破坏机理分析更为可靠。

声发射(Acoustic Emission，AE)技术是目前公认可实时监测岩石灾变过程中微损伤事件孕育萌生、扩展、聚合的有效方法。学者们一方面从AE简化参数角度分析了岩石破坏过程的发生机制[11-13]，另一方面从AE波形及功率谱角度研究了岩石损伤灾变机理。张艳博等[14]采用2种类型的AE传感器接收花岗岩破裂过程的横、纵波，表明AE横波和纵波的主频分别以35～110 kHz和300～500 kHz为主；Petružlek等[15]通过岩石破坏时的实测波速反演AE震源，表明AE震源分布与波速密切相关；娄全等[16]采集了煤样单轴压缩破坏过程中的AE波形，表明裂纹的萌生扩展会使AE主频及频谱出现低频成分；朱振飞等[17]通过花岗岩岩桥的单轴压缩AE试验，分析了AE频谱特征与裂纹扩展的关系，表明AE频谱对裂纹扩展更灵敏；张国凯等[18]分析了脆性岩石应力-应变全过程的特征，表明AE频谱信息与岩石不同尺度的裂纹扩展、发生相对应。除此之外，张宁博等[19]研究了不同应力路径下大理岩的AE特性，表明岩石弹性阶段会出现明显的AE次主频现象；王创业等[20]分析大理岩在单轴压缩试验下的AE频谱特征，表明AE次主频特征并非全部波形的共有现象；班宇鑫等[21]通过结合巴西劈裂法和数字图像技术对页岩裂隙形态进行定量评价，表明忽略次主频将会在分析岩石破坏、变形时造成严重影响。这些研究均表明AE波形可表述岩石损伤的渐进过程，其频域特征能够反演岩石破坏模式和裂纹扩展规律。但地下空间中的岩石破裂时裂纹如何扩展、贯通，破坏原因来自压拉应力或压剪应力尚不完全清楚[22]，而且由于采集到的AE波形数据量巨大、时域参数众多、频域参数复杂，目前对AE信号反映岩石破裂模式及裂纹扩展规律的研究仍不够全面。

基于此，本文通过对四川盆地细砂岩进行压、剪、拉(单轴压缩、定角压剪、巴西劈裂)AE试验，采集岩石在不同应力状态破坏下的AE全波形，对波形信号进行系统性定量分析，并基于小波阈值去噪方法对原始波形进行去噪处理，再采用快速傅里叶变换获得其频谱信息，联合主频、次主频，深入挖掘AE波形与岩石损伤破裂机制间的内在联系。

2 试验方案

2.1 试样制备

试验所用试样为四川盆地细砂岩，取样过程符合国家标准，按照试验标准加工成不同尺寸的圆柱体和立方体[23]，以满足试验加载方式。单轴压缩试验采用圆柱体试样4块(直径50 mm，高度100 mm)，编号UC；剪切试验采用角模剪断法，正立方体试样3块(边长50 mm)，编号CS；拉伸试验采用巴西劈裂试验法，圆盘试样8块(直径50 mm，厚25 mm)，编号BT。

2.2 试验简介

细砂岩的单轴压缩试验搭配加载系统配置的岩石专用引伸计完成；压剪试验搭配角模剪断试验仪实现，该装置由2个倾斜模具组成，模具间的夹角α可在20°～70°间变化，本研究采用60°夹角；巴西劈裂试验采用平板加载[24]。3种试验荷载均由SAS-2000型微机控制电液伺服岩石压力试验机提供，为使试样与压力机承压板充分接触，预先对试样施加1 kN荷载，待系统稳定后，采用轴向等位移控制方式持续加载，直至试样发生完全破坏。其中：单轴压缩与压剪试验的加载速率为0.1 mm/min；巴西劈裂试验加载速率为0.05 mm/min。AE信号由SAEU2S型多通道监测系统采集，采样频率1 000 kHz，前置放大器增益40 dB，门限40 dB，AE传感器为SR150型高灵敏谐振式传感器，谐振频率为150 kHz。在传感器上涂抹适量声耦合剂后，对称布设在各试样侧表面，通过断铅法检测各采样通道的灵敏性，所有试验均保证力学加载系统与AE采集系统时间同步。不同加载方式下的试验测试系统见图1。

图1 试验测试系统Fig.1 Experimental test system

细砂岩的平均抗压强度85.40 MPa，平均抗剪强度20.89 MPa，平均抗拉强度2.97 MPa。各试样破坏后的形态及其主裂纹分布见图2，左侧为试样真实破坏形态，右侧为主裂隙的分布，其中宏观破裂面的形成均发生在试样失稳瞬间。单轴压缩试样破坏形态为典型的单斜面剪切破坏；定角压剪试样沿剪切面断开，剪切口呈光滑直线状；巴西劈裂试样的主裂隙沿圆盘直径贯穿，主裂隙边缘存在多条微小裂纹。

图2 试样最终破坏形态及裂纹分布Fig.2 Failure mode and crack distribution of samples

3 AE全波形分析

岩石在受载损伤至破坏过程中会出现细观组织变化以及宏观物理变化，伴随着不同机制的AE源。AE全波形能够实时有效地反映岩石损伤演化的渐进过程，从而揭示AE源在时域状态下蕴含的岩石破坏信息。本文对各试样的试验数据系统性分析后，得到了相同的结果，限于篇幅，仅在每组试验中挑选2个作为代表进行阐述。图3为细砂岩在单轴压缩、压剪和巴西劈裂破坏下的AE全波形实测图。为了定量描述细砂岩AE源在不同加载方式下的时域分布特征，在绘制全波形的同时，以1 s时间为单位，统计了各试样单位时间内的波形百分占比量。

分析图3(a)可以看出，细砂岩在单轴压缩试验初始阶段AE幅值较大，波形百分占比量较高，这是由于试样加压时，端部产生的侧向变形被初始摩擦力束缚，形成了非限制性不均匀应力状态，同时由于岩石处在弹性变形范围内，使得AE源相对活跃；随着应力的增加，岩石弹性变形过程结束，试样在形成微损伤的同时，抵御破坏的能力也随之增强，表现为幅值减小，百分占比量逐级递减，且这一过程历时较长，在试样达到中高应力前才降至最低水平；在试验后期，特别是接近峰值应力前，试样内部此前积累的损伤量开始发生质变，新裂隙扩展速度明显加快，各裂隙相互交叉、汇合、聚集成核，此时的试样再也无力抵御这种不可逆的破坏，表现为百分占比量瞬间出现递增趋势，并在试样峰值应力时达到最高水平，其历时明显缩短。值得注意的是，单轴压缩试验条件下超高幅值仅出现在试样峰值应力后，这是因为试样在峰值应力后内部主破裂面已经贯通，在向试样外表面延伸形成宏观裂隙的同时释放了大量压缩能。

图3 单轴压缩破坏、压剪破坏和巴西劈裂破坏下细岩砂AE全波形实测图Fig.3 AE full-waveform under uniaxial compression,fixed-angle compression shear and Brazilian splitting failure

分析图3(b)可知，细砂岩试样处于弹性变形阶段时，损伤破坏活动相对较弱，在压剪试验初始阶段并未产生较高幅值的AE波形，波形百分占比量也相对较低；随试样剪切应力的增加，CS-1试样与CS-2试样均产生了较高幅值的波形，但CS-1试样在试验前中期，CS-2试样在试验中后期，这是因为岩石存在各向异性，在受力变形破坏中即使相邻的两块岩石也会表现出不同的损伤特征，使得AE信号也会存在差异[25]，但CS-1与CS-2试样百分占比量均随剪切应力的增加逐级递增，表明试样内部已出现剧烈的损伤破坏，某些位置可能已经发生断裂；在试样达到中高应力阶段后，幅值产生显著突变，呈现出“喇叭状”的逐级递增特征，百分占比量则维持在最高水平，出现“饱和”特征，直至试样发生完全剪断，这是试样在高应力状态作用下，内部的开裂层理已破断形成剪切滑移面，受摩擦力、内力等相互影响，AE源活动极为剧烈的表现，剪断后的试样剪切口呈光滑平整状。

分析图3(c)可以看出，细砂岩在巴西劈裂试验初始阶段，试样应力上升较快，但未出现较高幅值波形，波形百分占比量也相对较低，在试验后期同样未见连续密集的较高幅值波形，且在整个试验过程中，高幅值波形仅表现出阶段性间隔出现的特征，当高幅值出现时，其对应时刻的百分占比量也相应增加，呈现高—低相间的离散分布状。表明试样在弹性阶段后，其内部的损伤演化规律是一个均匀变化但非连续的渐进过程，在损伤破坏过程中破裂源不存在激增现象，试样在峰值应力处发生劈裂。

由此可见，AE波形幅值能够表征裂纹尺度信息，不同应力状态下细砂岩的AE全波形差异较大，主要体现在超高幅值与波形百分占比量上，其变化程度与岩石损伤渐进过程密切相关，试验过程中出现高幅值和高波形占比量的时刻，对应着岩石内部形成的剧烈损伤破坏。

4 AE波形频域特征分析

4.1 AE主频、次主频提取方法

AE信号属于非平稳信号，快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)是一种经典频谱分析方法，通过FFT可以掌握信号全局性的频谱特征。以BT-2试样采集到的第1 377个和第1 378个AE波形为例(见图3(c)BT-2试样)，说明主频(Dominant Frequency，DF)、次主频(Secondary Dominant Frequency，SDF)的提取方法。首先选择Daubechies小波基，软阈值函数，rigrsure阈值规则，对采集到的原始波形进行小波阈值去噪处理，见图4(a)、图4(b)所示，去噪后的信号提高了信噪比，有利于频谱分析。再通过FFT获得其二维频谱图，见图4(c)、图4(d)所示，为此定义最高峰幅值对应的频率为主频，脱离主频相邻能量区域，同时幅值仅次于主频幅值所对应的频率为次主频[26]。由此可知，即使是相邻波形的频谱也存在极大差异，第1 377个频谱为多峰结构，主频为39.06 kHz(振幅1.03 V)，次主频为154.30 kHz(振幅0.98 V)；第1 378个频谱为单峰结构，主频为39.55 kHz(振幅1.24 V)，不存在次主频。AE源频谱具有本征性和惟一性的特点，对应岩石内部破坏模式。

图4 AE信号波形及其频谱图Fig.4 Waveforms and spectra of AE signals

4.2 AE主频演化特征

对单轴压缩、压剪和巴西劈裂试验采集到的全部AE波形逐一去噪，通过FFT提取频谱信息，按照岩石破裂全过程的AE时间响应序列，绘制出细砂岩在不同加载方式下的AE主频、轴向应力随时间演化的关系图，结果如图5所示。观察后可以看出，在不同应力状态破坏下，细砂岩AE主频分布在10～180 kHz范围内，随着岩石内部损伤的发展，能够以某几个固定频率呈现出连贯密集的条带状演化特征，可按频率从低到高的顺序划分为低频区间([10,70) kHz)、中频区间([70,120) kHz)和高频区间([120,180) kHz)。

图5 单轴压缩、压剪破坏和巴西劈裂破坏下细砂岩AE主频演化特征Fig.5 Evolution characteristics of AE dominant frequency under uniaxial compression， compression shear and Brazilian splitting failure

分析图5(a)可知，单轴压缩条件下主频集中分布在低频与高频区间内，但高频区间内的主频在试样达到中高应力阶段后才开始逐渐显现，整体上呈双主频特征，表明岩石在达到中高应力阶段后，其内部至少存在2种以上的破坏模式。

分析图5(b)可知，压剪条件下主频在低频、中频和高频区间内有着不同程度的分布量，但从岩石损伤演化的时域状态来看，中频区间内的主频要略滞后于高频区间内的主频，两者同样是在试样达到中高应力阶段后才开始逐渐显现，高、中、低主频的同时出现表明岩石内部裂隙已经聚集成核，预示着剪切滑移过程即将发生。

分析图5(c)可知，巴西劈裂条件下在低频区间内仅存在40 kHz的主频带，对应该状态下的拉伸破坏，其余主频离散分布在中频与高频区间内，其数量较少，并未形成明显的连续频带，其频带的单一性也进一步表征了岩石内部存在的固有破坏模式。

AE主频值能够表征裂纹模式信息，但需要指明的是细砂岩在压缩、剪切和拉伸应力状态下，低频区间内的主频带始终存在并贯穿于试验全过程，这也表明了低频信号不完全对应于某一类破坏模式，它是细砂岩破坏时的一种固有属性，与试验加载方法无关，仅中频率信号和高频率信号可以对应剪切滑移过程与剪切破坏模式。同时主频集聚成多个频带也说明了试样在不同加载方式下，其内部均发生了不同程度的剪切或拉伸破坏，并非单一的破坏模式，主频带多样性的体现是岩石内部损伤差异的直观反映，即频带越多破坏模式越复杂。

4.3 AE次主频演化特征

岩石在损伤过程会产生晶体滑移，以及裂隙的萌生、扩展，发生剪切、拉伸破坏甚至多种混合断裂的模式[27]，这都将引起AE波形的突变，使其频谱的复杂度增加，因此,仅考虑AE主频的演化特征难以有效捕捉岩石损伤的质变过程，联合AE次主频共同分析将有助于弥补这一缺陷，对理解AE频谱全局性特征和反演岩石内部损伤机理起着至关重要的作用。细砂岩在单轴压缩、压剪和巴西劈裂试验条件下的AE次主频演化特征，见图6。观察后可知，在不同应力状态破坏下，细砂岩AE次主频成分布特征复杂离散，虽然数量上大幅度减少，但其分布范围仍与主频相同。

图6 单轴压缩、压剪破坏和巴西劈裂破坏下细砂岩AE次主频演化特征Fig.6 Evolution characteristics of AE secondary dominant frequency under uniaxial compression， compression shear and Brazilian splitting methods

分析图6(a)可知，单轴压缩条件下次主频仍呈现双频带特征，同样集中在低频与高频区间内，但高频区间内的次主频要早于其主频出现的时间，对岩石损伤状态更加灵敏，这是因为细砂岩在此条件下只承受轴向压力，其破坏后的形态为典型的单斜面剪切破坏，这是一种剪切主导破坏又包含局部张拉破坏的混合模式，质变损伤的发生使得频谱成分复杂化，进而出现高频次主频，使得主、次频共同呈现出双频带的特征。

分析图6(b)可知，压剪条件下次主频同样离散分布在低频、中频和高频区间内，在低频区间内形成了以17、40、54 kHz为中心的次主频带，且随试样应力的增加，次主频带逐渐变宽，离散程度出现激增，这与其受到的剪切荷载有关，在限制性剪切作用下，试样内部除了剪应力外，还存在正应力，使得剪切滑移过程中产生了大量的中频信号。

分析图6(c)可知，巴西劈裂条件下次主频在高频与低频区间内呈离散分布状，不具备频带特征，但低频区间内的信号明显多于高频区间内的信号，随试样应力的增大，未出现明显连续激增或激减现象。这是由于试样受到压拉荷载，损伤量较均匀，沿荷载方向试样从正中心起裂，圆盘在破坏时主裂隙2侧发生了大量张拉破坏，但与压力机承压板接触的端点位置仍会发生一定量的剪切破坏，对应高频区间内的零散次主频。

总的来说，在单轴压缩、压剪和巴西劈裂破坏方式下，细砂岩AE主频与次主频的集结特征具有自相似性，外荷载的作用使得其损伤破裂过程更易产生低频率的信号，这进一步验证了低频率信号是细砂岩破坏时的一种固有属性，与试验加载方法无关，仅中频率信号和高频率信号可分别对应剪切滑移过程与剪切破坏模式。

5 结 论

(1) 细砂岩在不同破坏方式下的AE全波形不尽相同，主要体现在高幅值波形的差异上，幅值变化能够表征裂纹尺度信息，单轴压缩条件下集中在试验初期与试样峰值应力后，压剪条件下出现在试样中高应力阶段后，压拉条件下均匀间隔分布在试验全过程中，幅值及波形百分占比量的变化程度与岩石损伤的渐进过程密切相关，高幅值及高波形占比量对应着岩石内部形成的剧烈损伤破坏。

(2) 细砂岩AE主频具有群集成固定频率带的特征，AE次主频成分较复杂，对岩石损伤状态更加灵敏，相同试验条件下二者演化特征具有自相似性。单轴压缩条件下表现为高、低双频带特征，表明试样内部至少存在2种以上的破坏模式；压剪条件下存在高、中、低的频带，三者共同出现对应试样内部裂隙已经聚集成核；巴西劈裂条件下仅有一条40 kHz低频带，对应其拉伸破坏，AE主频带可直观反映岩石内部损伤破坏模式，频带越多破坏模式越复杂。

(3) 主频、次主频的分布特征及演化规律共同表明了高频率和中频率的信号分别对应岩石剪切破坏模式与剪切滑移过程，低频率的信号不完全对应于某一类破坏模式，仅为细砂岩破坏时的一种固有属性，与加载方式和试验方法无关。