基于聲發(fā)射時(shí)頻特性的花崗巖各向異性實(shí)驗(yàn)研究

游 勛，王春仁，呂 欣，趙迎貴，余 敏

(1.馬鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000；2.華北理工大學(xué)現(xiàn)代技術(shù)教育中心，河北 唐山 063210)

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，地下巖體工程的規(guī)模朝大尺度、大埋深方向發(fā)展。巖石具有非均質(zhì)、各向異性特點(diǎn)早已為人所共知，但目前的研究卻不夠深入，人們?cè)诜治鰩r石力學(xué)問(wèn)題時(shí)，還常常把巖石看成各向同性體[1]。

關(guān)于巖石的各向異性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究。LEKHNITSKII[2]以廣義虎克定律為出發(fā)點(diǎn)，推導(dǎo)出了巖石各向異性體彈性理論的一般方程，為巖石各向異性問(wèn)題的研究奠定了理論基礎(chǔ)。RIBACHI[3]開(kāi)展了具有各向異性的巖石中巖石應(yīng)力的測(cè)量問(wèn)題研究。鄧濤等[4]研究指出，巖石材料中橫、縱波速度比與巖性存在較為嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。TATHAM[5]對(duì)巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)開(kāi)展研究，指出巖石內(nèi)部裂隙的幾何分布情況與成巖礦物共同影響著巖石材料的橫縱波速比值。MOGI[6]通過(guò)對(duì)不同巖性的巖石進(jìn)行了聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為巖石的均質(zhì)度對(duì)巖石聲發(fā)射有關(guān)。席道瑛等[7-8]開(kāi)展疲勞加載實(shí)驗(yàn)，得出南京砂巖的物理性質(zhì)隨頻率的增高呈非線性增長(zhǎng)，且強(qiáng)度具有明顯的各向異性。針對(duì)于飽和巖石在垂直和平行層理上的各向異性問(wèn)題，指出含水導(dǎo)致各向異性增強(qiáng)。王金安等[9]從巖石結(jié)構(gòu)面的分形各向異性和奇異各向異性出發(fā)，開(kāi)展了巖石斷裂面的多重分形特征研究，并提出了一種新的分形測(cè)量方法。楊天鴻等[10]針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的露天礦邊坡工程的穩(wěn)定性問(wèn)題，提出了考慮節(jié)理分布導(dǎo)致的巖體各向異性特征的露天礦邊坡巖體穩(wěn)定性分析方法。蔣海昆等[11]和王述紅等[12]考慮巖石的各向異性問(wèn)題，開(kāi)展聲發(fā)射定位研究。朱萬(wàn)成等[13]在考慮巖體各向異性的基礎(chǔ)上，基于蒙特卡洛法生成二維節(jié)理裂隙網(wǎng)格，構(gòu)建了一種基于RFPA數(shù)值模擬確定節(jié)理巖體表征單元體的方法。趙文瑞[14]在考慮作用力與層理面成不同角度條件下，研究了某地泥質(zhì)粉砂巖各向異性強(qiáng)度特征，指出層狀巖石的弱面對(duì)巖石的強(qiáng)度值有明顯的影響。

目前針對(duì)各向異性的研究，大部分以典型層理結(jié)構(gòu)的沉積巖居多。但花崗巖等由于巖漿流動(dòng)冷卻形成的火成巖，各向異性問(wèn)題同樣突出。受載過(guò)程中巖石的變形、應(yīng)力釋放、裂紋擴(kuò)展等現(xiàn)象，致使巖石內(nèi)部的顆粒相互分離、顆粒斷裂等，聲發(fā)射信號(hào)在傳播過(guò)程中出現(xiàn)能量損失。當(dāng)出現(xiàn)宏觀破壞時(shí)，在一定程度上破壞了巖石的完整性，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)傳播的衰減甚至中斷。 因此，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果可反映巖石的各向異性問(wèn)題，本文擬分析花崗巖破裂演化過(guò)程中的時(shí)頻特性，以此討論巖石的各向異性問(wèn)題。

本文選用燕山早期巖漿活動(dòng)所形成的花崗巖，布置8個(gè)探頭在不同位置，從聲發(fā)射時(shí)-頻域出發(fā)，著重開(kāi)展聲發(fā)射頻率特性研究，討論不同通道聲發(fā)射時(shí)域(絕對(duì)能量和幅值)、聲發(fā)射頻域(主頻)的異同，開(kāi)展巖石的各向異性研究。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 基本原理

巖石材料屬于非均質(zhì)、有缺陷的材料，在外部偏應(yīng)力作用下，內(nèi)部強(qiáng)度較低的微元體產(chǎn)生破裂(或塑性變形)，部分應(yīng)變能以彈性波的形式釋放，即為聲發(fā)射。簡(jiǎn)而言之，聲發(fā)射伴隨巖石變形破裂過(guò)程而產(chǎn)生(圖1)。

圖1 巖石聲發(fā)射技術(shù)原理Fig.1 Principle of rock acoustic emission technology

由于巖石損傷斷裂過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的破壞過(guò)程，聲發(fā)射時(shí)序特征具有隨機(jī)性、非周期性，主要表現(xiàn)了整個(gè)過(guò)程的能量耗散規(guī)律[15]。聲發(fā)射表征破裂問(wèn)題時(shí)，由于傳播中巖石各向異性問(wèn)題的影響，將對(duì)聲發(fā)射波形傳播造成影響。巖石各向異性的存在，將對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的波形造成轉(zhuǎn)換、反射、折射以及信號(hào)衰減等問(wèn)題，不可避免地會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的異化。隨著巖石損傷破裂的發(fā)展，巖石各向異性不斷加強(qiáng)，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響也不斷增加。從聲發(fā)射時(shí)頻特征參量中討論應(yīng)力各向異性、材料各向異性的影響指標(biāo)，可為聲發(fā)射技術(shù)探究巖石各向異性問(wèn)題提供可行性。

1.2 試件制備

本實(shí)驗(yàn)采用花崗巖，巖樣尺寸為150 mm×150 mm×75 mm的長(zhǎng)方體，正對(duì)中心鉆直徑45 mm貫通圓孔。通過(guò)磨石機(jī)磨平巖樣的6個(gè)端面，經(jīng)過(guò)人工打磨，平行度符合實(shí)驗(yàn)規(guī)程，如圖2所示。

圖2 巖樣尺寸規(guī)格Fig.2 Sample size

1.3 力學(xué)試驗(yàn)

1) 為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可對(duì)比性，力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)加載和聲發(fā)射系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)始。水平以800 N/s加載至300 kN，保持載荷不變，軸向以1 000 N/s加載至2 200 kN(花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度的90%)，保持載荷不變。

2) 力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)的水平及軸向均保載5 min。

3) 軸向保持位移不變，水平以40 mm/min的速度快速卸荷。 卸荷結(jié)束后，力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)和聲發(fā)射系統(tǒng)同時(shí)停止工作。

1.4 電鏡掃描試驗(yàn)

選取試驗(yàn)巖樣中心孔左右邊壁自然崩落碎屑，進(jìn)行電鏡掃描實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇Hitachi S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，試件樣品見(jiàn)圖3。對(duì)樣品進(jìn)行凈化、干燥等處理。采用導(dǎo)電膠把樣品粘結(jié)到樣品臺(tái)上，對(duì)樣品進(jìn)行鍍膜處理。

圖3 場(chǎng)發(fā)射掃描樣品圖Fig.3 SEM scanning sample

1.5 試驗(yàn)過(guò)程

正面所粘貼的1～4號(hào)探頭中，1號(hào)探頭出現(xiàn)松動(dòng)，3號(hào)探頭已經(jīng)掉落(圖4(a))；反面所粘貼的5～8號(hào)探頭中，8號(hào)探頭已掉落，而5號(hào)探頭亦出現(xiàn)了松動(dòng)(圖4(b))。因此，選擇2號(hào)探頭、4號(hào)探頭、6號(hào)探頭、7號(hào)探頭開(kāi)展聲發(fā)射分析工作。

松動(dòng)、掉落-巖石損傷信號(hào)接收不完整；正常粘貼-巖石損傷信號(hào)接收完整圖4 探頭布置及掉落情況Fig.4 Sensor placement and drop situation

2 花崗巖各向異性分析

聲發(fā)射時(shí)序參數(shù)反映了巖石斷裂過(guò)程中的能量耗散規(guī)律，由斷裂尺度、巖石儲(chǔ)能以及能量釋放多少?zèng)Q定。聲發(fā)射信號(hào)在巖石介質(zhì)中傳播，受材料各向異性以及應(yīng)力各向異性的影響。圖5為不同位置聲發(fā)射絕對(duì)能量-時(shí)間曲線圖。巖石在整個(gè)受力過(guò)程發(fā)生了兩次大破裂，對(duì)應(yīng)兩個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的極大值點(diǎn)A1點(diǎn)和A2點(diǎn)信息。在1 600 s左右和2 100 s左右均出現(xiàn)了絕對(duì)能量的響應(yīng)突增，但不同位置的增加幅度卻并不一致。

圖5 不同探頭位置聲發(fā)射絕對(duì)能量-時(shí)間分布Fig.5 Different sensor position distribution of acoustic emission energy-absolute time(注：A1、A2為巖石斷裂損傷過(guò)程中絕對(duì)能量釋放階段性極大值點(diǎn))

表1為不同位置絕對(duì)能量最大點(diǎn)的絕對(duì)能量-時(shí)間統(tǒng)計(jì)表。從到達(dá)時(shí)間來(lái)看，四個(gè)位置的A1點(diǎn)和A2點(diǎn)到達(dá)時(shí)間都是一致的，其中，A1點(diǎn)為2 060 s，A2點(diǎn)為1 599 s。從絕對(duì)能量值來(lái)看，對(duì)于A1點(diǎn)，絕對(duì)能量排序?yàn)?號(hào)探頭>6號(hào)探頭>7號(hào)探頭>4號(hào)探頭；對(duì)于A2點(diǎn)，絕對(duì)能量排序?yàn)?號(hào)探頭>2號(hào)探頭>6號(hào)探頭>4號(hào)探頭。A1點(diǎn)和A2點(diǎn)到達(dá)時(shí)間一致，不同位置的絕對(duì)能量演化呈現(xiàn)了一致性，并不隨著應(yīng)力各向異性的增加而發(fā)生變化。因此，絕對(duì)能量受材料各向異性影響較大。

表1 不同位置絕對(duì)能量A1點(diǎn)和A2點(diǎn)信息表Table 1 Different position absolute energy information table point A1 and A2

圖6為不同位置聲發(fā)射幅值-時(shí)間曲線圖，不同位置的聲發(fā)射幅值表現(xiàn)出不一樣的規(guī)律特征。除了也能找到B1點(diǎn)和B2點(diǎn)，但不同位置聲發(fā)射幅值的跳變幅度不一樣。在加載初期Q(0～500 s)時(shí)，不同位置的幅值表現(xiàn)了一定的共性，在500～2 000 s內(nèi)，出現(xiàn)了B1區(qū)域和B2區(qū)域，即圖6所表述的兩次大破裂。

表2為不同位置幅值-時(shí)間點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表，不同位置的探頭所獲得的B1點(diǎn)和B2點(diǎn)的信息。從到達(dá)時(shí)間來(lái)分析，B1點(diǎn)4個(gè)位置排序?yàn)?號(hào)探頭>2號(hào)探頭>4號(hào)探頭>6號(hào)探頭，B2點(diǎn)4個(gè)位置排序?yàn)?號(hào)探頭>4號(hào)探頭>6號(hào)探頭=2號(hào)探頭。從幅值來(lái)分析，對(duì)于B1點(diǎn)排序?yàn)?號(hào)探頭>2號(hào)探頭>7號(hào)探頭>6號(hào)探頭，B2點(diǎn)排序?yàn)?號(hào)探頭>7號(hào)探頭>2號(hào)探頭>4號(hào)探頭。四個(gè)通道的B1點(diǎn)和B2點(diǎn)到達(dá)時(shí)間和幅值都不同，且B1區(qū)域和B2區(qū)域處在加載的中后期，巖石的應(yīng)力各向異性是主要的影響因素，因此，幅值主要體現(xiàn)了應(yīng)力各向異性的影響。

3 討 論

3.1 巖石的礦物組分

利用透射光在偏光顯微鏡下觀察花崗巖樣品，并通過(guò)X射線衍射檢測(cè)。如圖7所示，花崗巖樣品的主要成分是斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、角閃石和黑云母，具體的礦物形式及其組分為：斜長(zhǎng)石含量為35%～40%，具有鈉長(zhǎng)石雙晶及圓形結(jié)構(gòu)，部分呈明顯的高嶺土化和絹云母化；鉀長(zhǎng)石含量為25%～30%，具有不同程度的高嶺土化和絹云母化；粒狀石英含量為20%～25%；列角閃石的含量為3%～5%。除此之外，還有黑云母、鈦鐵礦和磁鐵礦等其他礦物，其含量為2%～3%。由此可知，巖石元素的多樣性及礦物成分分布的不均一性，造成了巖石的材料各向異性，也進(jìn)一步促使了巖石的應(yīng)力各向異性。

圖6 不同探頭位置聲發(fā)射幅值-時(shí)間分布Fig.6 Different sensor position distribution of acoustic emission amplitude-absolute time(注：B1、B2為巖石斷裂損傷過(guò)程中聲發(fā)射幅度階段性極大值點(diǎn))

表2 不同位置聲發(fā)射幅值B1點(diǎn)和B2點(diǎn)信息表Table 2 Different position absolute amplitude information table point B1 and B2

3.2 巖石的各向異性

巖石的各向異性可以分為兩種：一種是由于巖石內(nèi)部孔隙、微裂縫等微結(jié)構(gòu)面的存在以及在巖體內(nèi)的排列、分布差異導(dǎo)致的，隨著巖石受力變化而改變，稱之為應(yīng)力各向異性；另一種是由于巖石微觀顆粒的定向組合引起的，稱之為材料各向異性。

1) 材料各向異性。作為一種典型各向異性地質(zhì)體，在微觀尺度上，巖石在成巖過(guò)程中，礦物顆粒的排列，裂隙的分布方式等隨方向而變化，引起了材料的宏觀各向異性。本次研究選取的花崗巖是燕山早期巖漿活動(dòng)形成的花崗巖，屬于侵入式火成巖，入侵方向決定了巖石的材料各向異性特征。損傷斷裂的出現(xiàn)，導(dǎo)致了巖石的應(yīng)力各向異性問(wèn)題。由圖8可知，斷裂面具有典型的方向性。圖8(a)中1號(hào)花崗巖巖屑的斷裂面呈現(xiàn)階梯狀，且方向接近水平；圖8(b)中2號(hào)碎屑也呈階梯狀，階梯的方向接近60°。

圖7 巖石元素含量及礦物成分Fig.7 Rock element content and mineral composition

圖8 花崗巖巖屑電鏡掃描圖(×300)Fig.8 Electron microscope scanning figure of granite cuttings

2) 應(yīng)力各向異性。假設(shè)巖石是由一系列六面體所構(gòu)成，任何部位的巖石所受到的應(yīng)力張量可分解為各方向應(yīng)力相等的球應(yīng)力張量和一個(gè)偏應(yīng)力張量(式(1))。其中，球應(yīng)力張量主要引起巖石材料的體積變形，偏應(yīng)力張量主要導(dǎo)致巖石材料出現(xiàn)畸變(變形、破裂)。

(1)

巖石的應(yīng)力各向異性主要是由巖石內(nèi)部的孔隙出現(xiàn)形變、擴(kuò)張以及孔隙相互貫通引起的。隨著應(yīng)力的增加，孔隙經(jīng)歷了壓縮→閉合→擴(kuò)張→相互貫通的過(guò)程。不同部位所受的應(yīng)力張量不盡相同，導(dǎo)致不同部位的六個(gè)方向上孔隙壓縮量或變形量不同，從而出現(xiàn)了巖石的應(yīng)力各向異性。因此，偏應(yīng)力的存在是導(dǎo)致巖石材料應(yīng)力各向異性的主要原因。

3.3 聲發(fā)射的各向異性

聲發(fā)射頻域信息由時(shí)序的波形數(shù)據(jù)經(jīng)時(shí)頻變換而來(lái)，微觀的晶體位錯(cuò)轉(zhuǎn)動(dòng)到宏觀尺度的斷裂均可從頻帶進(jìn)行區(qū)分。時(shí)域信號(hào)變換到頻域之后，分析信號(hào)的最大增益的頻率點(diǎn)——主頻，可以得到更為準(zhǔn)確的斷裂源本質(zhì)信息。

圖9為不同位置聲發(fā)射主頻-時(shí)間分布圖，受巖石的材料各向異性以及應(yīng)力各向異性影響，巖石變形-斷裂過(guò)程的聲發(fā)射波形信號(hào)頻譜分布較為復(fù)雜。圖9中的G-1頻段[40，50 kHz]，四個(gè)通道的探頭均有響應(yīng)，且不受各向異性問(wèn)題的影響，材料各向異性和應(yīng)力各向異性對(duì)其他頻段均有不同程度的影響。

低頻段(約20 kHz)的Y-1屬于加載初期，試件并沒(méi)有產(chǎn)生明顯損傷，受材料各向應(yīng)力的影響較大。Y-2屬于破裂后期，試件已出現(xiàn)明顯斷裂面，此時(shí)受應(yīng)力各向異性的影響較大。中頻(40～50 kHz)不受各向異性的影響，在整個(gè)階段均保持較高的響應(yīng)。次高頻GY-2(50～60 kHz)在不同位置的響應(yīng)程度不同，受應(yīng)力各向異性和材料各向異性的影響。高頻GY-1(80～110 kHz)臨近大破裂時(shí)出現(xiàn)，應(yīng)力各向異性對(duì)其有決定性的影響。

圖9 不同位置聲發(fā)射主頻-時(shí)間分布Fig.9 Different position distribution of acoustic emission domain frequency-absolute time

4 結(jié) 論

1) 各向異性(材料各向異性和應(yīng)力各向異性)是引起不同位置聲發(fā)射時(shí)頻域異常的主要原因。在加載初期，以材料各向異性為主要因素。隨著加載的進(jìn)行，損傷破裂出現(xiàn)的張開(kāi)裂紋、剪切錯(cuò)動(dòng)等引起的應(yīng)力各向異性開(kāi)始占主要作用。

2) 巖石不同部位所受的應(yīng)力張量不盡相同，不同部位的6個(gè)方向上孔隙壓縮量或變形量不同，出現(xiàn)了巖石的應(yīng)力各向異性。偏應(yīng)力的存在是導(dǎo)致巖石應(yīng)力各向異性的主要原因。

3) 不同聲發(fā)射時(shí)序參數(shù)對(duì)材料各向異性和應(yīng)力各向異性的影響存在差別，其中絕對(duì)能量主要受材料各向異性的影響，幅值受應(yīng)力各向異性的影響。

4) 不同頻段對(duì)材料各向異性以及應(yīng)力各向異性的敏感程度不同。其中，低頻(約20 kHz)前期由材料各向異性決定差異性，到后期主要體現(xiàn)應(yīng)力各向異性。中頻(40～50 kHz)不受各向異性的影響，次高頻(50～60 kHz)同時(shí)受材料各向異性和應(yīng)力各向異性影響。高頻(80～110 kHz)受應(yīng)力各向異性影響。

5) 針對(duì)巖石失穩(wěn)破裂監(jiān)測(cè)預(yù)警，通過(guò)本研究成果，可利用對(duì)各向異性影響較小的聲發(fā)射特征量作為基礎(chǔ)觀測(cè)參量，譬如絕對(duì)能量、中頻(40～50 kHz)等，進(jìn)行行之有效的預(yù)警工作。