不同加載條件下巖石破壞產(chǎn)生的次聲波信號特征試驗研究

陳忠清 魏 威 呂 越 高 鑫 NJOKU OGECHI ADURAMOMI

(1. 紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000; 2. 浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實驗室, 浙江 紹興 312000; 3. 上海中梁地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，上海 200331)

次聲波是指頻率低于人可聽見的聲波頻率下限的聲波，頻率范圍小于20 Hz[1].19世紀(jì)80年代，在克拉卡托火山爆發(fā)活動中首先發(fā)現(xiàn)次聲現(xiàn)象[2].長期研究表明次聲波普遍存在，并且由于信號源的激發(fā)機(jī)理不同，次聲波往往具有不同的信號特征[3-6].

巖石或巖體在變形破壞過程中既會產(chǎn)生大量的高頻超聲波信號，同時也會產(chǎn)生很強(qiáng)的低頻次聲波信號[7].由于次聲波信號具有頻率低、波長長、衰減慢、穿透力強(qiáng)及傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，使得次聲波技術(shù)在滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用日益受到關(guān)注.周憲德等(2014年)研制了由次聲傳感器、資料處理器及訊號處理系統(tǒng)組成的坡地災(zāi)害次聲監(jiān)測系統(tǒng)，來實時監(jiān)控土石流和滑坡的發(fā)生[8]；馮懷升等(2010年)結(jié)合SMS技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了一種利用次聲波對滑坡地質(zhì)災(zāi)害實時監(jiān)測和預(yù)警的新型系統(tǒng)[9]；任際周(2012年)采用壓力場聲波傳感器設(shè)計了一套基于次聲波技術(shù)的滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[10]；朱星(2014年)采用InSAS2008高精度電容式次聲傳感器，開發(fā)了能滿足室內(nèi)或者野外次聲波探測的數(shù)字化次聲探測儀，并成功應(yīng)用于四川大光包滑坡北側(cè)拉裂壁邊界聲波信號的采集監(jiān)測[11].巖石在受力條件下破壞變形產(chǎn)生的次聲波信號特征是次聲波技術(shù)在巖質(zhì)滑坡監(jiān)測預(yù)警中成功應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，也是近些年相關(guān)研究較為集中的領(lǐng)域.朱星等(2013年)對花崗巖、泥巖、砂巖、千層巖、石灰?guī)r、紅砂巖6種巖樣在單軸壓縮作用下微破裂過程中產(chǎn)生的低頻次聲波信號進(jìn)行了檢測，得出巖石破壞前存在明顯的次聲發(fā)射現(xiàn)象，特征頻率一般在2.0 Hz～8.0 Hz范圍[12]；姜亮亮(2016年)研究了紅砂巖在單軸壓縮條件下峰值應(yīng)力前后的次聲信號特征，發(fā)現(xiàn)不同破壞形式產(chǎn)生的次聲信號表現(xiàn)不一， 破壞特征頻率集中在1 Hz～4 Hz[13]；徐洪和周廷強(qiáng)(2016年)研究了巖石變形破壞各階段次聲能量集中的頻段，發(fā)現(xiàn)巖石在變形破壞各階段的次聲信號集中頻帶存在差異[14]；魏建平(2017年)對花崗巖試樣進(jìn)行單軸加載，得到試樣破壞產(chǎn)生的次聲波主要集中在中低頻，巖石破壞前的次聲前兆特征突出[15]；楊云峰等(2017年)在室內(nèi)對巖石進(jìn)行了單軸壓縮試驗/斜剪試驗、巴西劈裂試驗，得出次聲信號頻帶能量與巖石所受的應(yīng)力狀態(tài)有很大關(guān)聯(lián)性[16]；趙奎(2018年)通過紅砂巖在單軸循環(huán)加、卸載次聲波試驗研究，得出次聲波累計振鈴計數(shù)可以反映紅砂巖內(nèi)部巖石損傷演化過程[17]；徐洪等(2016年)采集了砂巖試件破壞前的次聲信號，發(fā)現(xiàn)巖石變形破壞次聲信號能量主要集中在4 Hz～8 Hz的中頻帶和8 Hz～16 Hz的高頻帶兩個頻率范圍[18]；徐洪等(2018年)通過壓縮、剪切及拉伸狀態(tài)下的破壞試驗，得到巖石在不同受力狀態(tài)下的次聲波峰值頻率特征存在差異[19].

浙江省山地眾多(山地丘陵占全省陸域面積70.4%)，山體地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，而關(guān)于浙江地區(qū)典型巖石在不同受力狀態(tài)下破壞變形產(chǎn)生的次聲波信號特征研究尚鮮有展開.本文嘗試選取浙江地區(qū)四種典型巖石試樣，通過巖石單軸壓縮、巖橋剪切以及結(jié)構(gòu)面剪切試驗，研究不同破壞形式下次聲波信號特征，為該地區(qū)巖質(zhì)滑坡災(zāi)害次聲監(jiān)測提供參考.

1 試驗材料及儀器設(shè)備

1.1 試驗材料

采集浙江地區(qū)4種巖性的巖石，包括玄武巖、砂巖、灰?guī)r及凝灰?guī)r.分別制作成如下3種巖石試樣：

(1)50 mm×50 mm×100 mm的長方體巖樣(見圖1).每組巖性的試樣分別6個，共24個，編號為H1-6(灰?guī)r)、N1-6(凝灰?guī)r)、S1-6(砂巖)、X1-6(玄武巖)，用于單軸壓縮試驗.

a. 玄武巖 b. 凝灰?guī)r

c. 灰?guī)r d. 砂巖

圖1單軸壓縮試驗巖石試樣

(2)含巖橋的100 mm×100 mm×100 mm的立方體巖樣(見圖2).沿試樣正中間兩側(cè)切割出100 mm×40 mm×8 mm的槽口，留下中間100 mm×20 mm×8 mm巖橋.編號分別為TH1-4(灰?guī)r)、TN1-3(凝灰?guī)r)、TS1-4(砂巖)、TX1-4(玄武巖)，共15個巖樣，用于巖橋斜剪試驗.

(3)含貫通結(jié)構(gòu)面的100 mm×100 mm×100 mm的立方體巖樣(見圖3).通過人為切割巖樣正中間四側(cè)，劈裂巖樣以形成自然的貫通結(jié)構(gòu)面.編號分別為JH1-4(灰?guī)r)、JN1(灰?guī)r)、JS1-4(灰?guī)r)、JX1-4(灰?guī)r)，共13個巖樣，用于結(jié)構(gòu)面斜剪試驗.

1.2 儀器設(shè)備

采用CASI-RTU型次聲采集儀、CASI-DBF5-24型次聲傳感器及筆記本電腦(見圖4a)進(jìn)行試驗過程中的次聲波監(jiān)測和信號采集.次聲傳感器靈敏度為104.25 mv/Pa， 3 dB頻帶為0.1 Hz-200 Hz.單軸壓縮試驗中加載設(shè)備采用STYE-3000E型伺服壓力試驗機(jī)，斜剪試驗中加載設(shè)備采用WAW-3000B型電液伺服萬能材料試驗機(jī).

2 試驗方案與信號處理方法

2.1 試驗過程及次聲信號的采集

單軸壓縮試驗過程中， 加載速率設(shè)為0.3 kN/s，次聲傳感器布置在距離試樣0.5 m～1 m處(見圖4b)，采樣頻率為1200 Hz，門檻值設(shè)置為45 dB.加載前先采集環(huán)境本底次聲信號并保存.當(dāng)傳壓板降至剛好接觸巖樣時，同步啟動STYE-3000E型壓力試驗機(jī)和次聲波信號采集儀，直至巖樣破壞.

巖橋剪切和巖體結(jié)構(gòu)面剪切均采用斜剪試驗，位移加載速率為0.01 mm/s.次聲傳感器的布置及相關(guān)參數(shù)設(shè)置與單軸壓縮試驗相同.按照預(yù)先設(shè)置的加載方式同步開啟聲次聲波信號采集儀和WAW-3000B型試驗機(jī)，直至巖樣破壞.

2.2 次聲波信號處理與分析方法

為避免背景干擾信號對試驗結(jié)果的影響，首先采用小波閾值去噪的方法對采集的原始信號進(jìn)行濾波處理.

圖2剪切試驗巖樣

圖3結(jié)構(gòu)面剪切試驗巖樣

a.次聲采集儀及其連接

b.次聲傳感器及其布置

圖4次聲波監(jiān)測系統(tǒng)照片

(1)次聲波信號時域特征處理

基于MATLAB軟件的小波工具箱功能，對次聲波信號進(jìn)行小波分解與重構(gòu)[20].重構(gòu)后的典型次聲波本底信號和試驗信號波形圖如圖5所示.由圖5可得，重構(gòu)后本底信號整體平穩(wěn)且數(shù)值較低，整體幅值(絕對值)在0.06 V以下，而重構(gòu)后試驗信號在產(chǎn)生次聲信號時的波形圖突變幅值均大于0.06 V，平穩(wěn)部分的幅值在0.06 V以內(nèi).可見，可通過對試驗信號重構(gòu)開展次聲波的時域特征分析.

(2)次聲波信號時頻特征處理

基于MATLAB軟件，采用短時傅立葉變換(STFT)進(jìn)行次聲波信號時頻處理[20-21].經(jīng)短時傅立葉變換后的本底信號和試驗信號時頻圖如圖6所示.由圖6可得，實驗室內(nèi)環(huán)境噪聲穩(wěn)定且強(qiáng)度基本上不超過35 dB，次聲波特征頻率的強(qiáng)度值達(dá)到60 dB左右.為剔除環(huán)境噪聲的影響，將強(qiáng)度底值控制在35 dB左右進(jìn)行次聲波信號的時頻特征分析.

(3)次聲波信號累計振鈴計數(shù)分析

累計振鈴計數(shù)可以粗略地反映出信號的頻度和強(qiáng)度.基于本底信號和試驗信號的分析，綜合考慮本地信號和試驗信號的幅值水平，來確定信號的門檻值，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行次聲波信號的振鈴計數(shù)統(tǒng)計與分析.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 單軸壓縮條件下的次聲波信號特征

3.1.1 應(yīng)力-次聲時域和時頻特征分析

不同巖石在單軸壓縮破壞條件下的典型應(yīng)力-波形圖和時頻圖分別如圖7和圖8所示.從圖7可以看出，由于巖性差異及巖樣本身存在裂隙，不同巖石在單軸壓縮過程中從受力至破壞的歷時及抗壓強(qiáng)度有所不同，但均在試驗加載過程中出現(xiàn)多次大于本底信號峰值的次聲波現(xiàn)象，并從圖8可知，灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂巖及玄武巖在應(yīng)力加載直至峰值時產(chǎn)生的次聲波信號主頻范圍分別集中在1 Hz～7 Hz、1 Hz～6 Hz、2 Hz～6 Hz及1 Hz～5 Hz.由此可得，巖石在單軸壓縮破壞會產(chǎn)生明顯次聲波現(xiàn)象，主頻主要集中在1 Hz～7 Hz范圍內(nèi)，不同巖性之間差異不明顯.試驗結(jié)果與文獻(xiàn)[12]中花崗巖、灰?guī)r、紅砂巖、砂巖、千枚巖和泥巖6種典型巖石試樣，文獻(xiàn)[13]中江西贛州地區(qū)的紅砂巖，以及文獻(xiàn)[18]中重慶地區(qū)砂巖，在單軸壓縮條件下破壞產(chǎn)生的次聲波信號特征基本一致.

a.本底信號 b.試驗信號

圖5重構(gòu)后典型次聲波信號波形圖

a.本底信號

b.試驗信號

圖6典型次聲波信號時頻圖

a. 灰?guī)r

b. 凝灰?guī)r

c. 砂巖

d. 玄武巖

圖7不同巖石單軸壓縮破壞下的應(yīng)力-波形圖

a. 灰?guī)r

b. 凝灰?guī)r

c. 砂巖

d. 玄武巖

圖8不同巖石單軸壓縮破壞的次聲信號時頻圖

3.1.2 應(yīng)力-次聲累計振鈴計數(shù)特征

不同巖石在單軸壓縮條件下的次聲累計振鈴計數(shù)隨加載時間變化的典型試驗結(jié)果如圖9所示.由圖9可知，不同巖性的巖石試樣在單軸壓縮加載過程中累計振鈴計數(shù)逐漸增加，總體上應(yīng)力達(dá)到峰值之前，累計振鈴數(shù)明顯增加.同時可得，累計振鈴計數(shù)特征與巖性之間不存在明顯關(guān)系.

3.2 巖橋剪切條件下的次聲波信號特征

3.2.1 應(yīng)力-次聲時域和時頻特征

不同巖石在巖橋剪切破壞條件下的典型應(yīng)力-波形圖和時頻圖分別如圖10和圖11所示.從圖10可以看出，由于巖性差異及巖樣本身存在裂隙，不同巖性的巖橋在試驗過程中從受力至剪切破壞的歷時及抗剪強(qiáng)度有所不同，但均在剪應(yīng)力達(dá)到峰值前產(chǎn)生大幅次聲事件，并從圖11可知，灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂巖及玄武巖由于剪切破壞產(chǎn)生的次聲波信號主頻范圍分別集中在1 Hz～7 Hz、2 Hz～5 Hz、2 Hz～6 Hz及1 Hz～6 Hz.由此可得，巖石在巖橋剪切破壞時會產(chǎn)生明顯次聲波現(xiàn)象，信號主頻主要集中在1 Hz～7 Hz范圍內(nèi)，不同巖性之間差異亦不明顯.

3.2.2 應(yīng)力-次聲累計振鈴計數(shù)特征

不同巖石在巖橋剪切破壞下的應(yīng)力-次聲累計振鈴計數(shù)隨加載時間變化的典型試驗結(jié)果如圖12所示.由圖12可知，不同巖性的巖石在剪切過程中累計振鈴計數(shù)逐漸增加，并且總體上，在應(yīng)力達(dá)到峰值之前，累計振鈴數(shù)有明顯增加，同時可得累計振鈴計數(shù)特征與巖性之間不存在明顯的相關(guān)性.

3.3 結(jié)構(gòu)面剪切條件下的次聲波信號特征

3.3.1 應(yīng)力-次聲時域和時頻特征

不同巖石在結(jié)構(gòu)面剪切破壞條件下的典型應(yīng)力-波形圖和時頻圖分別如圖13和圖14所示.從圖13可以看出，由于巖性差異，不同結(jié)構(gòu)面在剪切摩擦過程中從受力至剪切破壞的歷時及界面抗剪強(qiáng)度有所不同，但均在結(jié)構(gòu)面剪切摩擦過程中出現(xiàn)多次大于本底信號峰值的次聲波現(xiàn)象，大多數(shù)的次聲事件主要在剪切應(yīng)力達(dá)到峰值前發(fā)生，并從圖14可知，灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂巖及玄武巖由于結(jié)構(gòu)面剪切破壞產(chǎn)生的次聲波信號主頻范圍分別集中在2 Hz～4 Hz、 2 Hz～5 Hz、 2 Hz～6 Hz及1 Hz～8 Hz.由此可得，巖石在結(jié)構(gòu)面剪切破壞時亦會產(chǎn)生明顯次聲波現(xiàn)象，信號主頻主要集中在1 Hz～8 Hz范圍內(nèi)，不同巖性之間差異亦不明顯.

3.3.2 應(yīng)力-次聲累計振鈴計數(shù)特征

不同巖石在結(jié)構(gòu)面剪切摩擦破壞下的應(yīng)力-次聲累計振鈴計數(shù)隨加載時間變化的典型試驗結(jié)果如圖15所示.由圖15可以看到，不同巖性的巖石在結(jié)構(gòu)面剪切摩擦過程中，基本上表現(xiàn)出累計振鈴計數(shù)隨剪應(yīng)力增加而逐漸增加，同時累計振鈴計數(shù)變化特征與巖性之間未看出存在明顯的相關(guān)性.

4 結(jié)論

(1)浙江地區(qū)四種不同巖性的巖石(包括灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂巖和玄武巖)在單軸壓縮、巖橋剪切及結(jié)構(gòu)面剪切條件下發(fā)生破壞過程中均產(chǎn)生明顯的次聲波現(xiàn)象，次聲信號主頻基本上集中在1 Hz～8 Hz范圍內(nèi)，與巖性和加載方式之間均不存在明顯的相關(guān)性.

(2)四種不同巖石在不同加載條件下破壞產(chǎn)生的次聲累計振鈴計數(shù)逐漸增加，并總體上在巖石破壞前后達(dá)到峰值，同時累計振鈴計數(shù)與巖性之間未發(fā)現(xiàn)存在明顯的相關(guān)性.