不同應(yīng)力水平下砂巖蠕變聲發(fā)射頻率特征研究*

趙奎，林穎，熊雪強(qiáng)

(1.江西理工大學(xué)工程研究院，江西贛州 341000;2.鎢資源高效開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)教育部工程研究中心，江西贛州 341000; 3.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州 341000;4.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州 341000)

不同應(yīng)力水平下砂巖蠕變聲發(fā)射頻率特征研究*

趙奎1，2，林穎3，熊雪強(qiáng)4

(1.江西理工大學(xué)工程研究院，江西贛州 341000;2.鎢資源高效開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)教育部工程研究中心，江西贛州 341000; 3.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州 341000;4.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州 341000)

蠕變是巖石重要的力學(xué)性質(zhì)之一，聲發(fā)射可有效反映巖石變形破壞過程內(nèi)部狀態(tài)變化，然而關(guān)于巖石蠕變聲發(fā)射的研究鮮見。通過分級(jí)循環(huán)加卸載砂巖蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，采用快速傅里葉變換的方法，進(jìn)行了不同應(yīng)力水平巖石蠕變聲發(fā)射的頻率特征研究，得到了各分級(jí)蠕變聲發(fā)射主頻變化，結(jié)果表明各循環(huán)均出現(xiàn)次主頻現(xiàn)象，頻帶隨應(yīng)力水平提高而變寬。

蠕變;聲發(fā)射;分級(jí)循環(huán)加卸載;快速傅里葉變換;頻率

1 引言

蠕變是巖石重要的力學(xué)性質(zhì)之一，巖石工程的失穩(wěn)破壞絕大多數(shù)和蠕變有關(guān)，隨著采礦、水利水電、地下工程、土木建筑等巖石工程規(guī)模的擴(kuò)大以及向深部發(fā)展，巖石蠕變的研究越來越得到廣泛重視。目前對(duì)巖石蠕變的研究主要是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)蠕變過程監(jiān)測(cè)的應(yīng)力、變形，進(jìn)行蠕變變形規(guī)律、蠕變本構(gòu)、巖石長期強(qiáng)度以及由宏觀變量表征蠕變損傷的研究。

巖石受力變形破壞時(shí)因內(nèi)部微破裂演化、發(fā)展釋放彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(acoustic emission，簡稱AE)［1］，利用相應(yīng)儀器監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、分析聲發(fā)射信號(hào)以及由聲發(fā)射信號(hào)研究材料特性的技術(shù)稱之為聲發(fā)射技術(shù)［2］。國內(nèi)外學(xué)者在巖石受力破壞過程的聲發(fā)射特性方面，進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗(yàn)研究，包括巖石受壓、剪切、斷裂和張拉等的聲發(fā)射研究［3］。由于蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)間長和聲發(fā)射儀器性能限制等原因，關(guān)于巖石蠕變聲發(fā)射的研究鮮見。

對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的分析處理是聲發(fā)射技術(shù)能夠得到更好的發(fā)展和推廣的重要條件，聲發(fā)射信號(hào)具有瞬態(tài)性和多模式特點(diǎn)，屬于典型的非平穩(wěn)信號(hào)，頻率是聲發(fā)射信號(hào)的重要特征。凌同華等［4］利用小波包分析技術(shù)對(duì)沖擊荷載作用下巖石聲發(fā)射信號(hào)的能量分布特征進(jìn)行研究，討論了沖擊荷載作用下不同巖石對(duì)聲發(fā)射信號(hào)頻帶能量分布的影響;潘長良等［5］對(duì)具有巖爆傾向巖石進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，探討了不同應(yīng)力水平聲發(fā)射頻率變化規(guī)律;李楠等［6］對(duì)循環(huán)加載和分級(jí)加載條件下巖石損傷破壞全過程的聲發(fā)射規(guī)律和頻譜特性進(jìn)行了研究，得到了加載、穩(wěn)壓、卸載階段聲發(fā)射主頻;李俊平等［7］在單軸壓縮下，借助手動(dòng)加壓，應(yīng)用全自動(dòng)的聲發(fā)射高速采樣、記錄系統(tǒng)，研究了4種巖石在滲流與應(yīng)力耦合下的聲發(fā)射特征。

對(duì)砂巖巖芯加工后進(jìn)行分級(jí)循環(huán)加卸載蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，分級(jí)循環(huán)加卸載方式不僅反映了巖石蠕變行為，同時(shí)在一定程度上也反映了其工程實(shí)際應(yīng)力路徑，采用快速傅里葉變換的方法，進(jìn)行不同應(yīng)力水平巖石蠕變聲發(fā)射的頻率特征研究。

2 蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)

試驗(yàn)系統(tǒng)由MTS858疲勞試驗(yàn)機(jī)和SAEU2S聲發(fā)射儀組成，如圖1所示，并對(duì)MTS858試驗(yàn)機(jī)加載裝置進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)以達(dá)到巖石蠕變?cè)囼?yàn)要求。MTS858疲勞試驗(yàn)機(jī)小巧輕便，可以靈活地進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的力學(xué)測(cè)試，配置各種載荷等級(jí)和控制器，可根據(jù)不同試驗(yàn)?zāi)康淖孕性O(shè)計(jì)試驗(yàn)過程控制程序，能夠進(jìn)行長期試驗(yàn)。SAEU2S聲發(fā)射儀由傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成的多通道平行的檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射的實(shí)時(shí)采集、顯示波形信號(hào)和參數(shù)信號(hào)，具有FFT變換、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等聲發(fā)射信號(hào)后處理。

圖1 蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)

試樣選取結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、均質(zhì)性好的砂巖，經(jīng)切割、打磨加工成25×25×60mm方形試樣。試驗(yàn)主要是得到不同應(yīng)力水平的蠕變聲發(fā)射頻率特征，為此設(shè)計(jì)了5級(jí)不同應(yīng)力水平，以滿足試驗(yàn)的要求。根據(jù)載荷控制過程編寫MTS試驗(yàn)過程控制程序，同時(shí)對(duì)每一階段進(jìn)行時(shí)間、變形、載荷數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，加卸載過程采用載荷控制速率為0.35kN/s，加卸載過程數(shù)據(jù)采樣頻率為1秒/次，穩(wěn)壓蠕變階段數(shù)據(jù)采樣頻率為5秒/次。聲發(fā)射采集開始于每級(jí)載荷的加載，結(jié)束于每級(jí)載荷的卸載完成，實(shí)時(shí)采集、記錄試樣變形過程聲發(fā)射達(dá)到時(shí)間、幅度、振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間、能量、上升計(jì)數(shù)、上升時(shí)間的參數(shù)和相關(guān)波形;使用SR150M型探頭，工作頻率為60kHz～400kHz、中心頻率為150kHz，采樣頻率1M，采樣長度2048，波形門限40，參數(shù)門限40，前置放大器增益40dB，濾波器頻率100～400K，試驗(yàn)如圖1所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 蠕變聲發(fā)射波形

共進(jìn)行了5級(jí)應(yīng)力水平的蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，每級(jí)載荷1小時(shí)，相對(duì)一般蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)間較短，主要是因?yàn)槁暟l(fā)射儀在數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)以及性能上無法滿足更長時(shí)間的試驗(yàn)，這也是蠕變聲發(fā)射研究鮮見的原因。得到了砂巖蠕變過程聲發(fā)射波形，通常聲發(fā)射技術(shù)采用參數(shù)分析法來處理聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)波形只是簡單表述，然而聲發(fā)射波形蘊(yùn)含了大量的信息，可更全面地反映聲發(fā)射信號(hào)特征。聲發(fā)射信號(hào)波形分析技術(shù)指根據(jù)所記錄的波形來分析聲發(fā)射源信息的一種方法，常用方法有小波分析、快速傅里葉變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等?？焖俑道锶~變換(FFT)是一種被廣泛應(yīng)用頻譜分析法，可準(zhǔn)確反映信號(hào)的全局頻譜特性，研究表明，巖石受載荷作用產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)頻率與應(yīng)力狀態(tài)、賦存環(huán)境、巖石組構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。為有效揭示蠕變聲發(fā)射特性，采用快速傅里葉變換對(duì)試驗(yàn)所得的聲發(fā)射波形進(jìn)行頻譜分析，重點(diǎn)討論不同應(yīng)力水平的蠕變聲發(fā)射頻率變化。

3.2 快速傅里葉變換

快速傅里葉變換是1965年由J.W.庫利和T.W.圖基提出的，為計(jì)算離散傅里葉變換的一種快速算法，簡稱FFT。FFT能使計(jì)算離散傅里葉變換的乘法次數(shù)大為減少，尤其在被變換的抽樣點(diǎn)數(shù)N越多，計(jì)算量的節(jié)省就越顯著。

其中，是離散頻譜的第個(gè)值，是時(shí)域采樣的第個(gè)值。時(shí)域里與頻域里的采樣數(shù)均為。頻域的每一個(gè)采樣值(譜線)都是從對(duì)時(shí)域的所有采樣值的變換而得到的，反之亦然。

3.3 蠕變聲發(fā)射頻率特征

圖2～圖6為各分級(jí)應(yīng)力水平蠕變聲發(fā)射頻譜特征圖，從圖可看出，第一級(jí)載荷主頻較其他各級(jí)載荷低，第一級(jí)載荷主頻為117.22kHz，后四級(jí)載荷約為175kHz，見表1。雖然各級(jí)載荷頻率分布上存在差異，總體上看頻率主要分布在110～120kHz和160～180kHz區(qū)間，這兩個(gè)頻率區(qū)間均表現(xiàn)出強(qiáng)度較大的峰值頻率，如第一載荷雖然主頻較低，但在相對(duì)的高頻率具有兩個(gè)峰值頻率，而其他四級(jí)載荷在高頻率表現(xiàn)為主頻，同時(shí)在低頻率均有次主頻。

圖6 第五級(jí)載荷24kN蠕變聲發(fā)射頻譜分析

表1 蠕變聲發(fā)射頻譜分析結(jié)果(KHz)

巖石在循環(huán)加卸載蠕變?cè)囼?yàn)過程中，低應(yīng)力水平因巖石內(nèi)部存在大量小尺度微破裂，損傷演化以低烈度微破裂演生為主，聲發(fā)射主頻以低頻為主。在前期載荷作用下巖石內(nèi)部小尺度微破裂相互貫穿尺度變大，從而導(dǎo)致裂隙、缺陷在數(shù)量減少，但在尺度上增大，損傷演化以高烈度微破裂演生為主，聲發(fā)射主頻有增大趨勢(shì)。各循環(huán)均出現(xiàn)次主頻現(xiàn)象，頻帶隨應(yīng)力水平提高而變寬。

4 結(jié)論

通過分級(jí)循環(huán)加卸載砂巖蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，采用快速傅里葉變換的方法，進(jìn)行了不同應(yīng)力水平巖石蠕變聲發(fā)射的頻率特征研究，得到了各分級(jí)蠕變聲發(fā)射主頻變化，結(jié)果表明各循環(huán)均出現(xiàn)次主頻現(xiàn)象，頻帶隨應(yīng)力水平提高而變寬。

［1］唐春安，王述紅，傅宇方.巖石破裂過程數(shù)值試驗(yàn)［M］.北京，科學(xué)出版社，2003.

［2］馬孝春.巖石切削中的聲發(fā)射研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1996，15(1):77－83.

［3］李庶林，唐海燕.不同加載條件下巖石材料破裂過程的聲發(fā)射特性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(1):147－152.

［4］凌同華，廖艷程，張勝.沖擊荷載下巖石聲發(fā)射信號(hào)能量特征的小波包分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2010，29(10):127－130.

［5］潘長良，祝方才，曹平，等.單軸壓力下巖爆傾向巖石的聲發(fā)射特征［J］.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，32(4):336－338.

［6］李楠，王恩元，趙恩來，等.巖石循環(huán)加載和分級(jí)加載損傷破壞聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(7):1099－1103.

［7］李俊平，余志雄，周創(chuàng)兵，等.水力耦合下巖石的聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(3):492－498.

Studies on Acoustic Emission Frequency of Creep of Sandstone Under Different Stress Levels

ZHAO Kui1，2，LIN Ying3，XIONG Xue－qiang4
(1.Engineering Institute，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China; 2.High－efficiency Development and Application Technology Institute for Tungsten Resources，Ganzhou，Jiangxi 341000，China; 3.School of Architectural and Surveying＆Mapping Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China; 4.School of Resources＆Environment Engineering，Jiangxi University of Ccience and Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China)

Creep is one of the important mechanical properties of the rock.The internal change during deformation and failure of the rock can be reflected by acoustic emission(AE)，however，there is a dearth of study on AE of rock creep.Through the AE of rock creep of sandstone under step－cyclic loading and unloading experiment，then the AE frequency of creep of sandstone was researched by using Fast Fourier Transform(FFT).The changes of dominant frequency of AE of creep under all steps were obtained.The results show that the secondary－dominant frequency of AE arises in all cycles，and frequency range of AE was wider with the increasing of the stress level.

creep;acoustic emission;step－cyclic loading and unloading;Fast Fourier Transform;frequency

TD313

:A

:1009－3842(2012)04－0022－03

2012－06－15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51064010)

趙奎( 1969 － ) ，男，安徽六安人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事礦山巖石力學(xué)方面的研究和教學(xué)工作。E －mail: yglmf_zk@163. com