脆性巖石應(yīng)力
——應(yīng)變?nèi)^程聲學(xué)特征演化規(guī)律

張國凱，李海波，王明洋，鄧樹新，王振

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京，210094；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430071；3.陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210007)

巖石破裂過程一直是巖石力學(xué)研究的熱點(diǎn)。在大規(guī)模地下工程建設(shè)過程中，伴隨著巖體的開挖卸荷，圍巖內(nèi)部缺陷的孕育萌生、擴(kuò)展、聚合等導(dǎo)致巖體力學(xué)特性劣化，甚至引起巖體工程的失穩(wěn)破壞，因此，研究巖石在加(卸)載下裂紋擴(kuò)展規(guī)律及對應(yīng)的宏觀及細(xì)觀表征具有重要意義。聲發(fā)射(AE)是材料斷裂導(dǎo)致能量以應(yīng)力波形式釋放的現(xiàn)象，可用于研究脆性材料破裂及損傷過程[1-2]。目前，AE信號后處理主要包括AE特征參數(shù)分析法和波形分析法[3]。最常用的是AE特征參數(shù)分析，如AE能量[1-2]、參數(shù)b(與震源活動特征相關(guān)的參數(shù))[4]、振鈴計(jì)數(shù)和峰值頻率[5]、AE事件[6]等。紀(jì)洪廣[5]通過高頻和低頻傳感器同步測試花崗巖AE 演化，發(fā)現(xiàn)低頻與高頻AE 變化趨勢基本一致，但主頻帶在破裂過程中發(fā)生改變。EBERHARDT等[7]研究了Lac du Bonnet花崗巖破壞過程中AE信號平均持時(shí)、振鈴下降計(jì)數(shù)、能量等特征參數(shù)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)AE活動頻繁時(shí)對應(yīng)新生裂紋的起裂。GANNE等[8]通過AE測試，發(fā)現(xiàn)巖石破裂過程中AE能量累積的4個(gè)階段分別對應(yīng)裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、累積以及最終破壞的發(fā)生，且在材料破壞前出現(xiàn)明顯的能量加速釋放。LOCKNER[9]通過AE 測試發(fā)現(xiàn)，巖石破壞前AE事件率與非彈性應(yīng)變密切相關(guān)，AE 震源定位很好地表征了微破裂的萌生、匯聚發(fā)展過程。EBERHARDT等[10]采用AE 事件量化了巖石的損傷演化規(guī)律。KIM等[11]對比了宏觀變形和AE 表征的花崗巖損傷，發(fā)現(xiàn)AE 能量對裂紋起裂擴(kuò)展更加敏感。然而，相比AE特征參數(shù)，波形分析能夠更直觀、全面地反映巖石破裂特征[12]。何滿潮等[3]對巖爆過程中關(guān)鍵拐點(diǎn)處AE時(shí)域波形及功率譜圖進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)AE頻譜經(jīng)歷了由低頻單峰向高頻多峰轉(zhuǎn)變，最終又回歸低頻單峰的演化過程。同時(shí)，AE 頻率特性為研究巖石微觀斷裂及分析微裂紋的破裂機(jī)制提供了重要依據(jù)[13]。聲波測試是一種受環(huán)境影響小、操作快速便捷的無損檢測手段，由于其波形中攜帶了受傳播介質(zhì)物理力學(xué)狀態(tài)及微結(jié)構(gòu)(如微裂紋、孔隙等)影響的相關(guān)信息，已被廣泛應(yīng)用于巖土工程測試[14]。我國“水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范”以開挖前后波速變化率超過15%作為巖石損傷破壞的閾值[14]。目前，關(guān)于巖石室內(nèi)加載下的波速變化規(guī)律已有較多研究。李新平等[15]基于模型試驗(yàn)研究了在不同圍壓下裂隙巖體在峰值強(qiáng)度前的波速變化規(guī)律。GRAHAM 等[16]研究了三軸壓縮下花崗巖波速變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)初始加載軸向波速增幅遠(yuǎn)大于側(cè)向加載軸向波速增幅；隨著裂紋擴(kuò)展，側(cè)向波速率先下降，且降幅逐漸增大，在應(yīng)力峰值附近側(cè)向波速下降幅度超過0.17。而花崗巖在單軸壓縮下峰值前波速降幅小于15%[17]。李浩然等[18]研究了花崗巖單軸壓縮下軸向縱橫波速與聲發(fā)射演化特征，并分析了二者變化的相關(guān)性。PETRU?áLEK等[19]研究了單軸壓縮下巖石聲波及聲發(fā)射變化，通過實(shí)測波速反演AE震源定位，發(fā)現(xiàn)波速及波速模型的選取直接影響AE震源的分布規(guī)律。由于花崗巖是一種典型的強(qiáng)度高、脆性突出的巖石，在傳統(tǒng)加載方式下，巖石在峰后往往發(fā)生快速劇烈破壞，由于聲波發(fā)射頻率和巖石劇烈破壞時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)擾動，導(dǎo)致花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程聲波測試變得困難。目前，聲波研究主要針對波速開展，而關(guān)于巖石破裂過程中聲波頻譜特征、應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程多參量AE 特征及不同參量間對應(yīng)關(guān)系的研究相對較少。本文通過MTS 加載系統(tǒng)獲得花崗巖單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并同步測試全過程AE 及聲波變化規(guī)律。對于AE 測試，分別采用特征參數(shù)和波形分析方法，研究巖石破裂全過程AE 事件、能量分布、波形及頻譜特征等變化規(guī)律；其次，分析峰前和峰后卸載段不同方向波速及波速各向異性變化規(guī)律，研究破裂不同階段聲波頻譜特征變化規(guī)律；同時(shí)，基于時(shí)變波速優(yōu)化AE震源時(shí)空演化分布，結(jié)合宏觀變形、AE 及聲波特征綜合分析花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線全過程的破裂特征。

1 試驗(yàn)巖樣及技術(shù)

試驗(yàn)巖樣為強(qiáng)度高、脆性突出、質(zhì)地均勻的中粒徑花崗巖，通過不同方向聲波測試選取波速各向異性較小、直徑×高度為50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，如圖1所示?；◢弾r主要成分為長石、石英和云母，巖樣的平均密度為2 650 kg/m3，縱波波速為3 895～4 015 m/s。

圖1 試驗(yàn)巖樣Fig.1 Rock samples for testing

試驗(yàn)采用美國MTS-815 電液伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行單軸加載，該系統(tǒng)可同時(shí)記錄荷載、應(yīng)力和應(yīng)變等。具體加載方式如下：首先采用軸向荷載控制，加載速率為0.4 kN/s；為了獲得脆性花崗巖破壞的全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，當(dāng)加載接近峰值應(yīng)力時(shí)采用環(huán)向變形控制，環(huán)向變形加載速率為0.5 μm/s。

聲學(xué)測試采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研發(fā)的聲波、聲發(fā)射一體化裝置，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)信號的連續(xù)波形采集記錄。本文共設(shè)置12 個(gè)P 波傳感器，如圖2(a)和(b)所示。圖2中，傳感器10，11 和12 作為超聲激發(fā)探頭激發(fā)超聲脈沖，傳感器1～9作為聲波和聲發(fā)射接收傳感器。聲波測試采用傳統(tǒng)透射法，通過儀器內(nèi)置電壓信號發(fā)射卡向激發(fā)通道施加電壓脈沖，依靠激發(fā)與接收探頭測試不同方向波速的變化。巖樣側(cè)面從傳感器1，5和9所在軸線展開，聲波測試路徑見圖2(c)(其中α為波傳播方向與徑向的夾角)。聲波和聲發(fā)射傳感器采用Nano30 探頭，該傳感器對應(yīng)的頻帶響應(yīng)寬度為125～750 kHz，通道采集門檻值設(shè)為40 dB，前置放大器為40 dB，通道采樣速率為10 MHz。試驗(yàn)開始之前，檢查傳感器與巖樣的耦合情況，一切正常后才可進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力--應(yīng)變過程分析

通過測試巖樣的軸向應(yīng)變ε1及側(cè)向應(yīng)變ε3，計(jì)算得到巖樣體積應(yīng)變εv為

巖樣的變形包含巖石基質(zhì)的變形及微裂紋引起的變形，在單軸壓縮下，巖石內(nèi)部裂紋演化引起的變形為

式中：E為彈性模量，υ為泊松比；σ1為單軸壓縮下的軸向應(yīng)力。

圖2 測試傳感器布置Fig.2 Arrangement of testing sensors

圖3所示為試驗(yàn)花崗巖A1 的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，根據(jù)特征應(yīng)力可劃分為幾個(gè)不同階段。首先是賦存在巖石中的天然裂紋及孔隙的閉合，該階段裂紋體應(yīng)變隨著應(yīng)力增大而逐漸減小，宏觀表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變呈非線性變化，即階段Ⅰ，且該非線性變化程度與原始微裂紋及孔隙的分布密切相關(guān)。由于花崗巖的初始壓密主要發(fā)生在軸向，該階段橫向變形遠(yuǎn)小于軸向變形，軸向應(yīng)變主導(dǎo)該變形過程。隨著原始裂紋的逐漸壓密閉合，裂紋體應(yīng)變逐漸減小為零，此時(shí)對應(yīng)裂紋閉合應(yīng)力σcc。之后進(jìn)入彈性階段Ⅱ，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本保持線性增長，且裂紋體應(yīng)變保持為零。當(dāng)應(yīng)力超過斷裂強(qiáng)度后，微裂紋開始萌生、擴(kuò)展，裂紋體應(yīng)變由零開始逐漸增加，對應(yīng)巖石擴(kuò)容的起始，即裂紋起裂應(yīng)力σci(為95 MPa，即0.56σc，σc為峰值應(yīng)力)。此后，微裂紋開始擴(kuò)展并進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段Ⅲ，此階段微裂紋主要沿軸向擴(kuò)展，橫向變形速率逐漸增大，同時(shí)橫向變形增量與軸向變形增量的比值也不斷增加。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到體應(yīng)變的反彎點(diǎn)(最大值)時(shí)，花崗巖由體積壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)轶w積膨脹，此時(shí)對應(yīng)裂紋的損傷應(yīng)力σcd[6-7](127 MPa，0.74σc)。之后進(jìn)入裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段Ⅳ，巖樣擴(kuò)容速度逐漸增大，且擴(kuò)容以橫向變形為主導(dǎo)，橫向變形增加速率迅速增大，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢。當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線快速跌落，呈Ⅱ型破壞，峰后沿軸向擴(kuò)展的張拉裂紋快速發(fā)展，導(dǎo)致軸向應(yīng)變增量相對較小，而橫向變形則快速增大，進(jìn)而引起花崗巖體應(yīng)變的快速膨脹及裂紋體應(yīng)變的非線性增大。

圖3 單軸壓縮花崗巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Complete stress-strain curves of granite under uniaxial compression

2.2 聲發(fā)射特征演化規(guī)律

花崗巖破裂過程中AE 事件率及AE 波形對應(yīng)的能量分布如圖4所示。由圖4可知：在初始加載階段，原始微裂隙的閉合、摩擦導(dǎo)致少量AE事件的產(chǎn)生，此階段AE 事件率極小且呈不穩(wěn)定變化，AE 能量基本保持在10×10-18J 以下。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到75.5 MPa(0.44σc)時(shí)，此時(shí)AE事件率顯著增大；同時(shí)，能量超過10×10-18J 的AE 信號出現(xiàn)小幅凸起，對應(yīng)微裂紋的初始萌生擴(kuò)展，即起裂應(yīng)力σci；隨著應(yīng)力的逐漸增加，AE 事件率逐漸增多，大能量AE 數(shù)量也逐漸增多，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到135 MPa時(shí)，事件率發(fā)生陡增，同時(shí)伴隨著AE 信號能量的劇烈凸起(對應(yīng)圖4中標(biāo)記a)，AE攜帶能量最大值由低于1×10-16J激增到1×10-15J左右。在峰值應(yīng)力處(對應(yīng)圖4中標(biāo)記b)，由于裂紋的快速擴(kuò)展引起應(yīng)力快速下降，花崗巖內(nèi)存儲的應(yīng)變能迅速釋放，導(dǎo)致AE事件率快速增加及能量激增，但由于采用環(huán)向變形控制，花崗巖并未出現(xiàn)劇烈破壞。在經(jīng)歷快速能量釋放后，花崗巖內(nèi)部回到短暫平衡狀態(tài)，應(yīng)力也出現(xiàn)小幅增加，并在較短時(shí)間后再次出現(xiàn)快速下降，同時(shí)引起AE 事件率和AE 能量分布凸起(對應(yīng)圖4中標(biāo)記c)。之后應(yīng)力呈緩慢下降，而AE事件累積速率也逐漸趨緩，此時(shí)，裂紋擴(kuò)展引起的花崗巖損傷發(fā)展相對較慢。

圖4 AE事件率及其能量分布Fig.4 Distribution of AE event rate and energy

波形分析是AE信號后處理的另一種方法，波形分析反映的巖石破裂特征更全面、直觀[12]。不同應(yīng)力下AE 信號的時(shí)頻變化如圖5所示。圖5(a)中，初始壓密階段AE 信號主頻約為115 kHz。在σci附近，AE頻譜振幅和頻帶寬度均增大，主頻增加到230 kHz，次主頻則達(dá)到310 kHz，頻譜表現(xiàn)出明顯雙峰值特征。圖5(c)所示頻譜對應(yīng)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此時(shí)AE 主頻增加到300 kHz，而對應(yīng)的次主頻則轉(zhuǎn)變?yōu)?30 kHz，頻譜振幅繼續(xù)增大。隨著外荷載不斷增加，裂紋擴(kuò)展速率和AE事件率逐漸增大，在峰值應(yīng)力附近，AE頻帶寬度迅速增大，頻譜中額外增加了100～200 kHz 的低頻成分和400～500 kHz 的高頻成分，呈現(xiàn)出多峰值特征，且頻譜振幅達(dá)到最大。

隨著花崗巖的快速擴(kuò)容進(jìn)入峰后段，環(huán)向變形控制下花崗巖峰后呈漸進(jìn)性破壞，應(yīng)力呈階梯狀下降，圖4中c處(0.76σc)AE 頻譜表現(xiàn)為雙峰值，主頻下降到290 kHz，次主頻減小為240 kHz，對應(yīng)的頻譜振幅也迅速下降。花崗巖峰后段AE主頻下降的原因如下：一方面，由于裂紋擴(kuò)展聚集，導(dǎo)致裂紋尺度增大；另一方面，隨著裂紋密度和擴(kuò)展尺度增加，AE信號在損傷巖石中的衰減逐漸增強(qiáng)，且高頻信號的衰減要比低頻信號的衰減大，兩方面共同作用導(dǎo)致AE主頻不斷減小。在峰后段(0.43σc)附近，AE主頻下降到230 kHz，高頻成分振幅逐漸衰減，頻帶寬度也逐漸變窄。

圖5 不同應(yīng)力水平下AE波形時(shí)頻譜圖Fig.5 Time-frequency spectra of AE waveforms recorded under different stress levels

AE 信號的頻率特性尤其是主頻與微破裂密切相關(guān)，加載全過程AE波形峰值頻率及幅值隨時(shí)間的變化如圖6所示，其中圓圈直徑與信號幅值呈正比。在加載初始階段，AE 幅值極小，峰值頻率主要集中在87～98 kHz 頻帶。隨著應(yīng)力增大，低頻信號逐漸較少，相反，頻率大于250 kHz 的高頻信號逐漸產(chǎn)生，起裂應(yīng)力附近高頻信號數(shù)量和比例均快速增加。根據(jù)文獻(xiàn)[20]中裂紋類型與AE 特征的聯(lián)系，此時(shí)高頻(>273 kHz)小幅值A(chǔ)E 對應(yīng)于沿晶或穿晶微破裂。在損傷應(yīng)力(見圖6中a點(diǎn))前，低頻(87～98 kHz)小幅值信號數(shù)量逐漸增多，同時(shí)，高頻大幅值A(chǔ)E數(shù)量也逐漸增多，并在損傷應(yīng)力附近急劇增加，部分AE幅值高達(dá)2 V，而高頻大幅值信號多對應(yīng)中尺度裂紋，也說明裂紋擴(kuò)展尺度增大。之后，高頻大幅值A(chǔ)E數(shù)量急劇增加，中等尺度裂紋的快速擴(kuò)展導(dǎo)致裂紋尺度繼續(xù)增加，導(dǎo)致峰值應(yīng)力前出現(xiàn)一定數(shù)量的低頻大幅值A(chǔ)E，對應(yīng)更大程度破裂的發(fā)生。

圖6 AE波形峰值頻率及幅值隨時(shí)間的變化Fig.6 Change of AE waveform peak frequency and amplitude with time

在峰值應(yīng)力附近，AE 頻帶寬度也快速增大，增加了頻率小于87 kHz，100～250 kHz(中等頻率)及大于310 kHz 的AE 信號。中頻小幅值信號主要是破裂面的摩擦造成的，因此，伴隨著峰后快速應(yīng)力降，從小尺度穿晶裂紋到大尺度宏觀裂紋及破裂面的摩擦均有發(fā)生，裂紋破裂類型較復(fù)雜，該現(xiàn)象從峰值應(yīng)力一直持續(xù)到c點(diǎn)，且花崗巖破裂的大幅值A(chǔ)E 信號主要發(fā)生在該階段。c點(diǎn)之后應(yīng)力緩慢下降，宏觀破裂面已基本形成，AE 事件率快速下降，AE 頻帶寬度減小，其中以中等頻率信號最明顯。

由上述分析可知，峰值頻率在87～97 kHz和273～292 kHz 范圍內(nèi)的AE 信號貫穿花崗巖破裂全過程，是AE 信號的優(yōu)勢頻率，且大幅度AE 信號主要集中在該頻帶。由于頻域特征往往具有本征性、唯一性，說明該頻帶與巖石礦物成分相關(guān)，是花崗巖的特征頻率[3]。另外，花崗巖破裂全過程大幅值A(chǔ)E 信號主要發(fā)生在峰后2次大幅應(yīng)力降之間，快速應(yīng)力降對應(yīng)裂紋的快速擴(kuò)展，同時(shí)導(dǎo)致AE 頻帶寬度及大幅度AE數(shù)量快速增多。因此，AE 信號頻率成分的復(fù)雜程度與花崗巖破壞劇烈程度和破裂模式密切相關(guān)。

2.3 聲波特征變化規(guī)律

根據(jù)圖2中的傳感器布置，以巖樣A1 為例，研究不同方向波速與應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系，如圖7所示。由圖7可知：在加載初期，花崗巖各方向波速差異較小，隨著外荷載增大，波速逐漸呈非線性增加，同時(shí)，不同方向波速差異也逐漸增大，波傳播方向與徑向夾角越大，波速增速越大，這是原始微缺陷在偏應(yīng)力加載下的導(dǎo)向性閉合所致[17]。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到82.5 MPa(圖7中虛線l)，側(cè)向波速v0達(dá)到峰值，相比初始波速增加了5.8%，而v31(與徑向夾角為31°)、v58(與徑向夾角為58°)分別增加13%和18.8%。此后，v0在較小范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，之后開始逐漸下降，而v31和v58則繼續(xù)增加，并在體應(yīng)變反彎點(diǎn)附近達(dá)到峰值。單軸壓縮下裂紋的導(dǎo)向性起裂、擴(kuò)展是導(dǎo)致波速變化差異的主要原因[17]。

圖7 不同方向波速與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.7 Relationship between velocities in different directions and stress-strain

每間隔一定時(shí)間對聲波進(jìn)行1次測試，在靠近峰值應(yīng)力(159.4 MPa，即93%σc，對應(yīng)圖7中虛線m)前，相比波速峰值，此時(shí)v0，v31和v58下降幅度分別為4.5%，2.4%和2.0%，其中側(cè)向波速下降幅度最大。在峰值應(yīng)力附近，由于采用環(huán)向變形控制加載，花崗巖并沒有出現(xiàn)快速破壞，巖石損傷累積也繼續(xù)呈漸進(jìn)式發(fā)展；在峰后階段，應(yīng)力緩慢下降，軸向卸載下波速以較小速率持續(xù)減小，其變化趨勢與應(yīng)力變化趨勢基本一致；且峰后段v0下降速率逐漸增大，相比波速峰值，加載結(jié)束附近v0，v31和v58下降幅度分別達(dá)到17.4%，14.9%和16%。

根據(jù)不同方向波速差異，采用測試波速的最大值vmax和最小值vmin來計(jì)算巖石波速各向異性系數(shù)K[19]：

圖8所示為巖樣A2和A3不同方向波速變化。由圖8可見：巖樣A2 和A3 與A1 波速變化的趨勢基本一致；在初始加載階段，隨著波傳播導(dǎo)向傾角的增加，波速增幅基本呈逐漸增大趨勢；同時(shí)，波速各向異性系數(shù)K也不斷增大，其中巖樣A3增加速率較大，這與巖樣原始微裂隙的幾何分布有關(guān)。

圖8 巖樣A2和A3不同方向的波速變化Fig.8 Change of velocities in different directions for samples A2 and A3

隨著應(yīng)力增加，側(cè)向波速v0逐漸達(dá)到峰值，然后開始減小，而K的增加速率逐漸增大。在峰值應(yīng)力前，各方向波速均開始下降；在峰值應(yīng)力處(圖8中σcA2和σcA3)，巖樣A3的側(cè)向波速下降幅度最大，導(dǎo)致K快速增加。對于巖樣A2，峰值應(yīng)力后各方向波速下降速率均逐漸增大，尤其是v0和v45(與徑向的夾角為45°)；但當(dāng)加載到1 400 s 時(shí)，v45和v58下降速率比v0的大，說明裂紋此時(shí)局部擴(kuò)展加劇。當(dāng)加載結(jié)束時(shí)，巖樣A2各方向波速下降幅度為0.30～0.44，而A3波速下降幅度為0.13～0.36。

聲波信號包含了大量與巖石物理力學(xué)特征相關(guān)的信息。為了分離反射脈沖，選取首個(gè)到達(dá)的脈沖來分析加載過程中的衰減。根據(jù)已有研究，采用單一振幅的半余弦函數(shù)對接收的波形進(jìn)行處理[21-22]，如圖9(a)所示。由于微裂紋的萌生擴(kuò)展主要沿軸向擴(kuò)展，這里僅對側(cè)向透射波進(jìn)行處理，如圖9(b)所示(巖樣A1)。

圖9 不同應(yīng)力下側(cè)向透射波頻譜特征變化Fig.9 Amplitude spectra of lateral transmitted waves at different stress levels

當(dāng)應(yīng)力約為2 MPa 時(shí)，透射波主頻為213 kHz，伴隨著應(yīng)力的增加，原始微裂隙及微孔洞逐漸壓密閉合，透射波主頻呈小幅增加。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到62 MPa時(shí)，主頻增加到244 kHz，同時(shí)，頻譜幅值從0.46 V 增加到0.58 V，增幅更大，此時(shí)，巖石內(nèi)部微裂紋基本閉合(見圖3)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到82 MPa 時(shí)，主頻基本不變，頻譜幅值出現(xiàn)小幅增加。由于AE事件率逐漸呈穩(wěn)定增加(見圖4)，微裂紋開始萌生擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致透射波頻譜幅值快速下降，在峰值應(yīng)力前(160 MPa)，頻譜幅值下降到0.45 V。進(jìn)入峰后階段，由于裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，透射波頻譜幅值繼續(xù)下降，同時(shí)伴隨的是主頻小幅減小。當(dāng)峰后應(yīng)力減小到56 MPa 時(shí)，主頻下降到182 kHz，頻譜幅值則減小為0.29 V。

與A1相比，巖樣A3透射波頻譜特征在不同階段差異更大。同樣，在裂紋初始壓密階段，透射波主頻和幅值逐漸增大。在閉合應(yīng)力附近達(dá)到峰值，之后由于裂紋的孕育、萌生擴(kuò)展，透射波主頻和幅值快速下降。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到101 MPa時(shí)，頻譜幅值由0.93 V快速下降到0.57 V，此后一直持續(xù)到峰值應(yīng)力，并在峰前(148 MPa)減小到0.24 V，峰前透射波的頻譜特征下降幅度遠(yuǎn)比巖樣A1的下降幅度大。進(jìn)入到峰后階段，由于宏觀裂紋形成，導(dǎo)致側(cè)向波速快速下降(見圖8)，同時(shí)，透射波頻譜幅值下降到較小值(0.09 V)。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，透射波頻譜幅值變化幅度明顯大于波速和頻譜主頻的變化幅度。

2.4 AE震源時(shí)空演化規(guī)律

AE 測試技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢是能夠有效追蹤裂紋擴(kuò)展區(qū)域[4]。這里采用蓋格爾時(shí)差定位法[23]分析花崗巖破裂全過程AE震源演化分布。基于實(shí)時(shí)測試的波速變化，將AE 震源演化分為3 個(gè)階段，不同應(yīng)力水平下AE震源分布如圖10所示，其中圓圈直徑與震源幅值呈正比。

由圖10可見：在起裂應(yīng)力出現(xiàn)之前，出現(xiàn)少量小幅值A(chǔ)E 震源，并呈隨機(jī)分布。在起裂應(yīng)力階段后，裂紋率先在花崗巖上端部萌生，震源釋放速率逐漸增大，同時(shí)大幅值A(chǔ)E震源數(shù)量逐漸增多。在峰值應(yīng)力處，大振幅震源在花崗巖中上部聚集成核，宏觀表現(xiàn)為裂紋擴(kuò)展的局部化，初步沿軸向向下形成1條破裂帶。花崗巖的局部化破裂成核導(dǎo)致應(yīng)力下降，即進(jìn)入峰后階段。首先，震源繼續(xù)沿巖石中上部擴(kuò)展分布，同時(shí)逐漸向巖石下端部擴(kuò)展，由于峰后卸載下花崗巖屬于漸進(jìn)性破壞，AE 震源的幅值呈逐漸下降趨勢，大幅值震源的數(shù)量明顯比峰值應(yīng)力附近的大幅值震源數(shù)量少。

2.5 不同參量特征對比分析

裂紋體應(yīng)變是巖石破裂過程內(nèi)部微裂紋演化的宏觀表現(xiàn)，而聲波和聲發(fā)射特征與巖石斷裂及損傷演化密切相關(guān)[1,19]。波速與AE 事件率隨時(shí)間的變化如圖11所示。由圖11可見：在加載初期，原始微裂紋的閉合及沿裂紋壁面的滑移引起AE事件率間歇性地增加，而波速則逐漸增加；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到75.5 MPa 時(shí)，AE 事件率顯著增大，對應(yīng)微裂紋的起裂，但波速并未開始下降，而是繼續(xù)緩慢增加，直到101 MPa 附近v0才開始逐漸減小。在標(biāo)記點(diǎn)a處(見圖4和圖6)，由于裂紋加速擴(kuò)展，AE 事件率快速增加，同時(shí)，波速下降速率增大，尤其在峰值應(yīng)力處，裂紋的快速擴(kuò)展引起AE事件率增大和波速加速下降。峰后段的2次顯著應(yīng)力降(峰值應(yīng)力處和標(biāo)記點(diǎn)d)均伴隨著波速快速下降，但相比AE事件率的變化幅度，波速下降幅度較小，變化更平緩。第2 次顯著應(yīng)力降(標(biāo)記點(diǎn)d)之后，AE 事件率迅速減小并基本呈穩(wěn)定發(fā)展，v31和v58下降速率也逐漸平緩，但v0繼續(xù)以較大速率減小，此時(shí)，v0對裂紋擴(kuò)展的響應(yīng)比AE 事件對裂紋擴(kuò)展的響應(yīng)大。

圖10 不同階段AE震源演化分布Fig.10 Spatiotemporal distribution of AE hypocenters at different stages

圖11 AE事件率與波速隨時(shí)間的變化Fig.11 Change of AE event rate and wave velocities with time

圖12所示為宏觀變形與累計(jì)AE事件隨時(shí)間的變化。由圖12可見：累計(jì)AE事件增加的起點(diǎn)出現(xiàn)在花崗巖宏觀線彈性段(即裂紋體應(yīng)變?yōu)榱?，明顯早于裂紋體應(yīng)變增加的起點(diǎn)(擴(kuò)容起始點(diǎn))，這表明花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線的宏觀線彈性段已經(jīng)出現(xiàn)微破裂的孕育、萌生。擴(kuò)容起始點(diǎn)后，AE 事件和裂紋體應(yīng)變均呈非線性增加，在體應(yīng)變的反彎點(diǎn)(體應(yīng)變最大值)附近，AE 事件率迅速增大，這與裂紋體應(yīng)變的變化趨勢基本一致。在峰后階段，由于花崗巖快速擴(kuò)容，體應(yīng)變發(fā)生陡降并迅速歸零，裂紋體應(yīng)變也出現(xiàn)跳躍式增加，但AE事件變化速率并未出現(xiàn)大幅增大。值得關(guān)注的是，第2 次大幅應(yīng)力降之后，AE 事件率繼續(xù)增大，但增大速率明顯減小，而體應(yīng)變和裂紋體應(yīng)變繼續(xù)呈大速率增加，二者對裂紋擴(kuò)展的響應(yīng)明顯比AE事件對裂紋擴(kuò)展的響應(yīng)大。

圖12 裂紋體應(yīng)變與累計(jì)AE事件隨時(shí)間的變化Fig.12 Change of crack volumetric strain and accumulated AE event with time

3 討論

本次試驗(yàn)加載結(jié)束時(shí)，所有巖樣波速下降幅度范圍為0.18～0.44，且波速降低主要發(fā)生在峰后破裂階段。在軸向位移控制加載條件下，強(qiáng)度高、脆性突出的實(shí)驗(yàn)花崗巖多在峰值強(qiáng)度后很短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生劇烈破壞，巖石支撐結(jié)構(gòu)的損傷也主要發(fā)生在該階段。由于聲波測試受到發(fā)射頻率和強(qiáng)擾動等的影響，導(dǎo)致花崗巖劇烈破壞階段聲波測試存在一定困難。在環(huán)向變形控制加載條件下，脆性花崗巖在破壞前的波速下降幅度能達(dá)到較大值，巖樣加載結(jié)束時(shí)最大波速降幅達(dá)0.44。波速降η與損傷D的量化關(guān)系為[24]

加載結(jié)束時(shí)，基于波速量化的花崗巖損傷達(dá)到0.69。另外，值得說明的是，由于室內(nèi)巖石試件聲波傳感器布置存在數(shù)量限制，只能測試幾條指定方向的波速變化，而脆性巖石的破壞多是由微破裂的彌散型分布轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂?、局部化的分布[9]，因此，在此基礎(chǔ)上對巖石波速各向異性的分析也只是一種簡化分析。

AE 事件是空間分布的多個(gè)傳感器對破裂源的反演定位，事件率的顯著增大對應(yīng)微裂紋的萌生擴(kuò)展，而裂紋的擴(kuò)展則會引起波傳播衰減，但測試結(jié)果顯示AE增加早于波速下降，且在峰值應(yīng)力前，AE事件對局部裂紋快速擴(kuò)展的響應(yīng)比波速的大。其原因是：1)巖石試件聲波傳感器布置存在限制，只能測試有限幾條路徑區(qū)域的波速，而巖石的破裂多呈局部化，指定聲波測試路徑不一定恰好穿過裂紋萌生起裂及高度發(fā)育區(qū)；而聲發(fā)射則是對巖石全局破裂進(jìn)行探測；2)聲波測試主頻約為250 kHz，對應(yīng)的波長約為15 mm，裂紋初始起裂長度遠(yuǎn)小于該波長，根據(jù)波傳播理論，遠(yuǎn)小于波長的微裂紋擴(kuò)展對波傳播影響極小，而聲發(fā)射對破裂初始的小尺度微裂紋的敏感性極強(qiáng)。另外，對于花崗巖峰后卸載破壞段，AE 事件率下降較明顯，側(cè)向波速v0則繼續(xù)以較大速率下降，可見AE 事件表征的花崗巖漸進(jìn)性破壞過程反而更明顯；而宏觀體應(yīng)變和裂紋體應(yīng)變受峰后裂紋擴(kuò)展影響后的變化幅度更大，巖石損傷累積更明顯。這是因?yàn)榉搴笮遁d段宏觀破裂面已經(jīng)形成(見圖9)，環(huán)向變形控制下破裂面的擴(kuò)展張開引起的破裂強(qiáng)度并非十分突出(AE 事件增加速率相對較小)，而側(cè)向波速和體應(yīng)變尤其是橫向變形對破裂面的張開十分敏感，導(dǎo)致宏觀變形和波速的變化反而更加劇烈。因此，不同特參量表征的花崗巖破裂過程及活動性與花崗巖破裂模式和破壞劇烈程度有關(guān)。

通過對巖石破裂過程中聲波透射波進(jìn)行處理獲得不同應(yīng)力狀態(tài)下的頻譜曲線，結(jié)果表明透射波頻譜特征，尤其是頻譜幅值受巖石裂紋演化的影響較大。在花崗巖的初始加載階段，微裂紋的壓密閉合導(dǎo)致頻譜主頻和幅值增加，而隨著應(yīng)力增大，新生裂紋的孕育、萌生擴(kuò)展則引起特征值快速下降。同時(shí)，對比波速和頻譜特征值變化發(fā)現(xiàn)，頻譜幅值受裂紋演化的變化幅度要比波速的變化幅度大。

4 結(jié)論

1)花崗巖破裂全過程AE頻譜表現(xiàn)出雙峰值或多峰值，AE 主頻及幅值先增后減，主頻由初始加載段的115 kHz 增加到穩(wěn)定破裂段的300 kHz，峰后快速下降到230 kHz。AE事件率的峰值與能量分布的凸起較吻合，對應(yīng)裂紋加速擴(kuò)展，應(yīng)力突降伴隨著AE事件率的劇烈凸起和能量快速釋放。

2)在加載初期，AE 峰值頻率集中在87～97 kHz，起裂應(yīng)力σci附近，高頻小幅值A(chǔ)E快速增加；損傷應(yīng)力σcd后高頻大幅值A(chǔ)E迅速增多，對應(yīng)中尺度裂紋擴(kuò)展；峰值應(yīng)力σc附近AE頻譜帶寬快速增大，低頻大幅值A(chǔ)E急劇釋放，對應(yīng)大尺度破裂的發(fā)生；峰后應(yīng)力快速降低，從小尺度裂紋到大尺度宏觀主裂紋相互伴生；峰值頻率為87～97 kHz 與273～292 kHz 的AE貫穿破裂全過程，且大幅值A(chǔ)E 主要集中在該頻帶內(nèi)，是花崗巖的特征頻率，AE 頻率成分的復(fù)雜程度與破裂劇烈程度和模式密切相關(guān)。

3)單軸壓縮下波速先增加后減小，橫向波速率先下降且降幅最大，破壞前波速降幅高達(dá)0.44，裂紋擴(kuò)展的導(dǎo)向性引起波速各向異性逐漸增大；AE 震源演化較好地描繪了裂紋擴(kuò)展分布區(qū)域，峰值應(yīng)力附近局部大幅值震源聚集成核，是花崗巖破壞的誘因。

4)超聲透射波頻譜幅值和主頻隨著微裂紋的壓密閉合而逐漸增大，之后，由于裂紋的萌生擴(kuò)展而逐漸減小，且頻譜幅值受裂紋演化的變化幅度遠(yuǎn)比波速和頻譜主頻的大。

5)AE 事件在花崗巖的宏觀線彈性段開始穩(wěn)定增加，此時(shí)微裂紋開始孕育萌生，AE 事件增加早于波速下降，在峰前對裂紋擴(kuò)展的響應(yīng)及敏感度比波速的大；但在峰后卸載段，宏觀變形和波速對裂紋擴(kuò)展的響應(yīng)反而比AE事件對裂紋擴(kuò)展的響應(yīng)大，這與花崗巖峰后的破裂模式直接相關(guān)。