單軸壓縮條件下不同粒徑類巖石材料次聲信號(hào)特性研究

趙銘久，趙 奎，曾 鵬，鄧歲偉

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 贛州市 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 贛州市 341000)

0 引 言

對(duì)巖石力學(xué)的研究在工程上具有重大意義，諸如采礦、土木、水利、交通等工程建設(shè)。國(guó)內(nèi)外大量的科研工作者為此不斷努力，從多方面對(duì)巖石力學(xué)進(jìn)行了大量研究[1]，同時(shí)也取得了大量的科研成果。但在巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)及其在工程中的應(yīng)用方面仍存在各種缺陷，其中巖石材料粒徑、巖石內(nèi)部的原生缺陷以及在進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)過程中巖樣的獲取、加工、加載方式等其他環(huán)境因素直接或間接地導(dǎo)致對(duì)巖石力學(xué)研究的復(fù)雜性，在試驗(yàn)和理論研究方面發(fā)展緩慢。

聲發(fā)射(AE)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，能夠反映巖石破壞過程內(nèi)部缺陷形成、發(fā)展和失穩(wěn)破壞的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程，在探究各種因素對(duì)AE特性的影響方面，左保成、陳從新等[2]將石英砂、石膏以及混凝土替代灰?guī)r，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及破壞形式與灰?guī)r相似，在室內(nèi)試驗(yàn)中用來模擬灰?guī)r具有可行性。劉樹新、包春燕等[3-4]研究表明，巖石均質(zhì)度對(duì)AE特性具有重要的影響。李元輝等[5]得到三種不同脆性巖石AE分形及b值特征，提出了巖樣破壞失穩(wěn)的前兆特征。鄧朝福等[6]對(duì)4種不同粒徑北山花崗巖進(jìn)行斷裂韌度試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同粒度北山花崗巖的斷裂力學(xué)行為及AE特征。在加載方式與巖石AE特性關(guān)系的研究方面，李庶林等[7]研究了巖石破壞全過程AE試驗(yàn)，研究表明巖樣破壞形式的不同AE特征也不同。趙小平等[8]通過對(duì)裂隙巖樣和完整軟巖進(jìn)行單軸AE試驗(yàn)，對(duì)比分析兩者內(nèi)部裂隙的演化過程?？抵緩?qiáng)等[9]考慮巖石巖性，節(jié)理裂隙狀態(tài)、注水孔形狀及大小，巖石強(qiáng)度、 密度、滲透率及加載方式等影響因素，結(jié)合聲發(fā)射計(jì)數(shù)，研究了巖石水壓致裂過程中的巖石損傷演化過程及破裂規(guī)律。

次聲波信號(hào)作為超低頻信號(hào)的代表，其具有頻率低(0.01～20 Hz)、傳播距離遠(yuǎn)、衰減小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[10]，使得次聲信號(hào)采集過程中傳感器的布置更為簡(jiǎn)便，極大減小了耦合因素的影響，在采集波長(zhǎng)較長(zhǎng)，衰減較小的次聲信號(hào)時(shí)效果更好。但至今，次聲探測(cè)技術(shù)在室內(nèi)試驗(yàn)和工程應(yīng)用方面研究較少。楊云峰、趙奎等[11]通過對(duì)巖樣進(jìn)行不同加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在剪切試驗(yàn)中巖樣產(chǎn)生的次聲波信號(hào)較為突出，單軸加載試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)不明顯。同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著巖樣承受應(yīng)力的增大，分布于1～4 kHz區(qū)間內(nèi)的次聲波信號(hào)能量占比在峰值點(diǎn)附近可達(dá)85%以上。徐洪等[12]采集了8組巖樣在單軸壓縮破壞過程中的次聲波信號(hào)，并對(duì)破壞過程中的異常次聲信號(hào)進(jìn)行小波分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)異常次聲信號(hào)中的中低頻能量會(huì)隨著巖石破壞程度的加劇而削弱，而同時(shí)高頻能量將會(huì)增加。在巖樣將要破壞時(shí)，高頻與中低頻能量占比趨于相同。

綜上所述，作者將對(duì)不同粒徑組成的類巖石模擬材料進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，運(yùn)用次聲探測(cè)技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)過程中次聲信號(hào)的特性進(jìn)行研究，嘗試找出不同粒徑組成的類巖石材料單軸壓縮過程中次聲信號(hào)特征的差異，從而揭示粒徑組成對(duì)巖石破壞內(nèi)在機(jī)理的影響，同時(shí)為巖石室內(nèi)次聲試驗(yàn)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試 樣

此次模擬試驗(yàn)選用純度為99.9%，密度為2.65 g/cm3高純石英砂作為骨料，標(biāo)準(zhǔn)硅酸鹽水泥P.O32.5為膠結(jié)材料。灰砂比1∶3，質(zhì)量濃度80%進(jìn)行不同粒徑的類巖石材料試件的澆筑。分別選取石英砂粒徑范圍為0.08～0.16 mm，0.315～0.63 mm，1～1.25 mm，1.5～2 mm的石英砂4組，每組制作5個(gè)50 mm×100 mm(直徑×高)的圓柱體試樣。對(duì)澆筑好的類巖石材料試樣在達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)條件后進(jìn)行脫模并養(yǎng)護(hù)，制備完成試樣見圖1。

圖1 試 樣

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

選擇RMT-150C巖石力學(xué)加載系統(tǒng)為本次試驗(yàn)加載系統(tǒng)。選擇次聲波儀為本次試驗(yàn)次聲信號(hào)采集系統(tǒng)，其主要由次聲傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳輸儀、計(jì)算機(jī)3個(gè)部分組成。該傳感器具有對(duì)聲信號(hào)較為靈敏、頻響寬、無(wú)需耦合等特點(diǎn)，值得注意的是，振動(dòng)對(duì)其影響較小，僅對(duì)聲波敏感，頻帶范圍在0.001～100 Hz，靈敏度為422 mv/Pa(頻率為1 Hz時(shí))。此系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單，便于攜帶(見圖2)。

在進(jìn)行單軸壓縮次聲試驗(yàn)之前，首先對(duì)加載系統(tǒng)處于高壓狀態(tài)下環(huán)境中的次聲信號(hào)水平進(jìn)行度量，作為本次試驗(yàn)本底信號(hào)，采集時(shí)長(zhǎng)為4 min，采集結(jié)束時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并保存。然后進(jìn)行單軸次聲試驗(yàn)，采用位移加載控制方式，加載速率為0.002 mm/s，力終點(diǎn)200 kN，位移終點(diǎn)2 mm，次聲采集系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為640 Hz。保證力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)和次聲采集系統(tǒng)同步運(yùn)行和結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)束后分別保存力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及次聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)系統(tǒng)及加載裝置如圖3、圖4所示。

圖2 次聲信號(hào)采集系統(tǒng)

圖3 次聲試驗(yàn)系統(tǒng)

圖4 單軸壓縮加載裝置

2 結(jié)果分析

2.1 本底信號(hào)分析

本底信號(hào)為非試驗(yàn)狀態(tài)下環(huán)境信號(hào)水平，為避免試驗(yàn)信號(hào)失真，如本底信號(hào)頻帶范圍與試驗(yàn)信號(hào)頻帶范圍發(fā)生重疊，通過幅值水平的比較，本底信號(hào)對(duì)次聲信號(hào)影響較小，可不對(duì)試驗(yàn)信號(hào)做濾波處理[13]。由此，對(duì)本底信號(hào)和試驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行小波分解與重構(gòu)，圖5為某試驗(yàn)本底信號(hào)和某試樣加載的試驗(yàn)信號(hào)。

從圖5可知，本底信號(hào)整體平穩(wěn)，幅值水平基本在-0.003～0.003范圍內(nèi)，而試驗(yàn)信號(hào)幅值波動(dòng)較大，且幅值水平較高。說明了本底信號(hào)包含在試驗(yàn)信號(hào)幅值水平較低的部分，故可判定本底信號(hào)水平對(duì)試驗(yàn)信號(hào)影響較小，通過多次對(duì)比并證實(shí)了此現(xiàn)象的準(zhǔn)確性，在此不一一闡述。綜合以上分析結(jié)果，將不再對(duì)試驗(yàn)信號(hào)中本底信號(hào)進(jìn)行去噪處理。

圖5 重構(gòu)后本底、試驗(yàn)信號(hào)

2.2 次聲信號(hào)特征

振鈴計(jì)數(shù)是評(píng)價(jià)AE活動(dòng)性指標(biāo)之一，而累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)能更好地描述試驗(yàn)過程中振鈴計(jì)數(shù)的變化趨勢(shì)，但易受門檻值的影響。由圖5可確定振鈴計(jì)數(shù)門檻值為-0.003～0.003，進(jìn)而對(duì)累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合幅值-時(shí)間-應(yīng)力曲線對(duì)不同粒徑試樣次聲信號(hào)特征描述分析，限于篇幅，每組取一個(gè)試樣。如圖6所示。

單軸壓縮條件下，類巖石材料破壞過程大致可分為4個(gè)變形階段：初始?jí)好茈A段(OA)、彈性變形階段(AB)、塑性變形階段(BC)、裂紋加速擴(kuò)展至試件破壞階段(CD)[14]，如圖6中標(biāo)注所示。

OA段，試樣內(nèi)部孔隙、空隙不斷被壓密，各粒徑試樣幅值波動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的增加較為緩慢，如0.315～0.63 mm粒徑和1.5～2 mm粒徑試樣表現(xiàn)較為明顯。

AB段，隨著應(yīng)力的增大，試樣內(nèi)部孔隙、空隙進(jìn)一步被壓密，應(yīng)力-時(shí)間曲線近似線性，各粒徑試樣次聲信號(hào)幅值的波動(dòng)及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的變化存在較強(qiáng)的相似性：此階段前期幅值及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的變化與OA段相似，相對(duì)平穩(wěn)；后期幅值均出現(xiàn)較大的波動(dòng)，同時(shí)累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)也出現(xiàn)明顯上升。筆者認(rèn)為，AB段前期試樣內(nèi)部孔隙、空隙進(jìn)一步被壓密的過程中，伴有少量的膠結(jié)材料鏈接被壓斷，而此階段后期，隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增大，大量的膠結(jié)材料鏈接被壓斷，因此次聲信號(hào)幅值在AB段前期平穩(wěn)，后期波動(dòng)明顯，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)前期增加緩慢，后期上升趨勢(shì)加強(qiáng)。

圖6次聲信號(hào)幅值-時(shí)間-應(yīng)力-累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)

BC段，相較于AB段后期，各粒徑試樣次聲信號(hào)幅值及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在此階段均出現(xiàn)不同程度的“相對(duì)平靜”，如圖6所示。累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在此“相對(duì)平靜”階段表現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢(shì)，如0.315～0.63 mm粒徑和1～1.25 mm粒徑試樣累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的增長(zhǎng)速率相對(duì)穩(wěn)定，0.08～0.16 mm粒徑和1.5～2 mm粒徑試樣甚至表現(xiàn)為零增長(zhǎng)。筆者認(rèn)為，隨著AB段膠結(jié)材料鏈接的破壞，此階段更多的是試樣內(nèi)部顆粒以及膠結(jié)材料之間的擠壓作用，并伴有微裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。

CD段，隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增大，試樣內(nèi)部微裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展、匯合，形成相對(duì)較大尺度的微裂隙，再加之類巖石材料質(zhì)地相對(duì)松散，試樣內(nèi)部微裂面之間的滑移摩擦，致使次聲信號(hào)幅值及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在CD段出現(xiàn)間歇性增加或上升。

通過對(duì)比不同粒徑試樣次聲信號(hào)幅值及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)整體變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 在幅值方面，粒徑較小的試樣幅值變化越雜亂，粒徑越大的試樣幅值變化越有序，如0.08～0.16 mm粒徑試樣，在整個(gè)加載過程中，幅值波動(dòng)是持續(xù)不斷的，即使在BC段出現(xiàn)“相對(duì)平靜”階段，所歷時(shí)長(zhǎng)較短，而1.5～2 mm粒徑試樣，幅值明顯波動(dòng)時(shí)段較為突出，幅值平穩(wěn)階段所歷時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)。

(2) 在累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)方面，粒徑越小的試樣，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)整體上升速率較為平穩(wěn)，即曲線斜率變化幅度較小，粒徑越大的試樣，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線“階梯感”較為明顯，即曲線斜率變化幅度較大。如0.08～0.16 mm粒徑試樣和1.5～2 mm粒徑試樣對(duì)比尤為明顯。

筆者認(rèn)為，粒徑越小的試樣，其均質(zhì)度越高，顆粒之間膠結(jié)更加緊密，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而粒徑越大的試樣，其越不均質(zhì)，顆粒與顆粒之間的膠結(jié)材料體積更大，在受到外力作用下，更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致次聲信號(hào)幅值及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)變化趨勢(shì)上的差異性。

3 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)過程中，次聲信號(hào)幅值的變化與累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的變化具有同步性。

(2) 單軸壓縮條件下，不同粒徑試樣在彈性變形階段后期次聲信號(hào)幅值均有不同程度的增大，同時(shí)累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)均表現(xiàn)出明顯上升趨勢(shì)。

(3) 塑形變形階段，不同粒徑試樣幅值均出現(xiàn)不同程度的“相對(duì)平靜”階段；同時(shí)累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)穩(wěn)定增長(zhǎng)速率近似線性。

(4) 粒徑越小，幅值變化越雜亂，粒徑越大幅值變化越有序；粒徑越小，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線斜率變化幅度越小，粒徑越大，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線“階梯感”較為明顯，即曲線斜率變化幅度越大。