單軸壓縮下石灰巖聲發射主頻特征*

劉城成,王創業,韓天宇,游茹,隋青瑞

(內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院,內蒙古 包頭 014010)

巖石內部微裂紋受力的作用下閉合、擴展貫通過程中以瞬態彈性波釋放應變能的現象叫做巖石的聲發射(Acoustic Emission,AE)[1].聲發射信號由材料內部微缺陷本身產生,每一個聲發射信號都反映了材料內部微缺陷的動態發展信息[2].

張艷博等[3]發現室內巖石破壞試驗與工程現場巖爆現象具有一致性;何滿潮等[4]認為聲發射主頻的復雜組成成分與巖石裂紋的破裂模式相關;趙奎等[5]采用聲發射信號的頻域信息表征巖石內部裂紋演化特征;龔囪等[6]記錄巖石破壞過程中不同的主頻特征;王創業等[7]研究了石灰巖、砂巖與類巖石在單軸壓縮條件下的力學特征及聲發射特性;高臻煒等[8]開展了含貫通節理的細砂巖單軸模擬試驗,研究了貫通節理的傾角、粗糙度對巖石破壞模式的影響.在單軸壓縮聲發射試驗研究不斷完善推進的同時,以石灰巖為研究對象的聲發射波形分析補充了聲發射方向研究對象和研究方法上的缺失,對巖土工程的安全建設具有重要的應用價值和現實意義.

以內蒙古烏海石灰巖為試驗對象,進行單軸壓縮聲發射試驗,采用主頻時頻域波形分析,研究和探尋石灰巖破裂失穩前兆.

1 試驗過程

1.1 試驗試件

石灰巖試件產地取自內蒙古烏?？ú计涞V區,按照國際巖石力學學會(ISRM)試驗規程將石灰巖加工成Φ50 mm×H100 mm的標準圓柱形試件.測量記錄每塊石灰巖試件的質量及其尺寸對其按測量順序進行編號,分別為Shy01～05,試件具體物理力學參數匯總至表1.

表1 石灰巖試件物理力學參數

1.2 試驗設備

巖石加載系統采用微機控制電液伺服巖石壓力試驗機(SAS-2000,長春新科)和多通道聲發射監測系統(SAEU2S,北京聲華)進行巖石試樣單軸壓縮實驗;在力學試驗進行過程中同步采集與分析聲發射特征參數.試驗采用軸向等位移控制方式,以0.05 mm·min-1的加載速率進行加載,直至試件發生破壞.試驗中聲發射的采樣頻率為1 000 kHz,波形門限、參數門限、前放增益均設置為40 dB.試驗設備見圖1.

圖1 試驗設備

試驗開始后,同步運行伺服加載系統、聲發射信號采集系統,同時記錄加載過程中的應力、應變及聲發射信號的相關參數.

2 試驗現象分析

通過石灰巖試件在單軸壓縮試驗的表現,從聲發射信號持續時間、石灰巖表面動態破壞、破壞面特征等方面進行分析.5個試件試驗結果基本劃分為2類,主要分析具有典型脆性巖爆試件Shy03和相對塑性延時破壞失穩的試件Shy05.通過試驗后試件的破壞形態見圖2及時間應力曲線見圖3,分析2個試件的破壞面特征及其破壞模式.

圖2 試件破壞形態(a)Shy03試件;(b)Shy05試件

圖3 試件時間應力曲線

結合圖2,3可知:在加載初期階段,Shy03經歷了一個較短的壓密階段,試件表面保持完整.試件加載1 845 s后,當應力接近峰值載荷53 MPa時,石灰巖破裂失穩,試件側面出現明顯宏觀裂紋,石灰巖碎片從巖體表面拋射出來,伴隨著巨大的爆破聲,呈現典型脆性破壞特征.Shy03試件最終破壞面形貌如圖3(a)所示,存在大量剪切裂隙和劈裂裂隙.此外,石灰巖碎塊較大,整個石灰巖剝落,表明試件Shy03經歷了劇烈的巖爆,整體失穩破壞持續時間較短,能量釋放速度較快.

在加載初期,試件Shy05的特性與試件Shy03相似.當試件加載1 088 s,應力接近峰值載荷81 MPa時,石灰巖試件表面出現輕微的石灰巖破碎剝落,巖屑從剝落區滑出,表明試件處于破裂初期.隨著載荷的不斷增加,混合著巖塵的石灰巖碎片從試件表面噴射出來,試件表面出現明顯的裂紋.隨著加載持續1 408 s,噴射出少量巖屑,伴隨著響亮的爆裂聲,試件表面形成宏觀裂紋,試件完全破裂失穩.從石灰巖開始破裂到完全失穩,歷時320 s,軸向應力降至27 MPa.從最終破壞面形貌圖2(b)可以看出,試件破壞模式有典型塑性變形特征,軸向剪切裂隙貫通,使整個巖體破裂失穩.

3 聲發射主頻頻域特征

相比于聲發射的參數分析,聲發射主頻能夠更全面直觀地反映聲發射源信息.對聲發射信號進行主頻特征分析更有助于獲得更多的石灰巖斷裂信息.

3.1 聲發射信號的主頻提取方法

聲發射頻譜分析能有效反映聲發射源的損傷特征,通常需要快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)將聲發射波形信號從時域轉換到頻域[9].其中FFT轉換公式為:

(1)

式中:x(t)為原信號時間域,kHz;X(f)為原信號頻率域,mV.

利用Matlab搭建的主頻分析提取處理平臺,采用FFT頻譜分析方法獲得二維頻譜,如圖4所示.并將其幅值最高點對應的頻率定義為聲發射主頻.

圖4 聲發射信號頻譜特征圖(a)頻譜圖;(b)原始波形

3.2 聲發射信號頻域特征演化分析

聲發射頻域信號中包含著大量巖石變形破壞過程中的內部裂紋斷裂演化信息.聲發射的能量能反映了巖石內部裂紋產生或擴展時所釋放的彈性能.為了研究單軸壓縮條件下石灰巖試件在變形破壞過程中的聲發射信號主頻和能量的變化特征,對采集到的聲發射主頻信號進行處理,并繪制如圖5所示的聲發射信號主頻、軸向應力、聲發射累積能量與時間之間關系曲線.

圖5 聲發射信號主頻、軸向應力與時間之間的關系曲線(a)Shy03試件;(b)Shy05試件

通過分析圖5可知,聲發射主頻的分布可分為3個頻帶:低(0～75 kHz)、中(75～125 kHz)和高(≥125 kHz)頻段.對所有聲發射頻率的分析表明,試件的主頻具有相似的演化模式.在加載初期,中頻段信號較少.早期中頻段信號的密度明顯低于高頻和低頻信號的密度如圖5(a).隨著軸向壓力的增大,破裂前夕中頻段信號激增,伴隨著石灰巖內部聲發射能量增大,對應試件即將達到峰值應力也是破裂失穩的前兆.在石灰巖破壞失穩過程中頻域信號隨破壞階段有明顯變化,其中中頻信號的差異最為明顯.所選試件中Shy05的中頻信號密度一直較高,試件Shy03的中頻信號密度在試件破壞前夕密集出現,伴隨聲發射能量的激增,脆性破壞的現象更為明顯,易出現巖爆現象.石灰巖破壞前中頻段主頻明顯增加,此結果可作為石灰巖破裂失穩發生的具體特征指標.

4 聲發射主頻頻譜特征

石灰巖破裂過程中不同模式聲發射信號演化規律根據石灰巖破裂模式和聲發射特征(能量、幅值和主頻)的關系分析,可知石灰巖聲發射主頻信號幅值與石灰巖破裂模式:高頻高幅值、高頻低幅值、低頻高幅值、低頻低幅值,分別對應小尺度高能量破壞、小尺度低能量破壞、大尺度高能量破壞、大尺度低能量破壞[10].主頻幅值與聲發射能量成正比,而聲發射能量與石灰巖中裂隙大小呈正相關.換言之,試件脆性破壞現象越嚴重,聲發射幅值越高.

結合圖6可以看出,石灰巖聲發射低幅值信號分布在低、中、高頻帶,而高幅值信號集中在低頻帶.試件Shy03的主頻呈現以15～75 kHz為主的低頻低幅值單峰狀,對應破壞模式單一,以脆性剪切破壞為主.試件Shy05主頻幅值向雙峰轉變,主峰頻率在44.43 kHz幅值為1 692 mV,次主峰頻率在23.44 kHz幅值為1 652 mV對應破壞模式復雜,塑性破壞特征明顯.

圖6 聲發射信號主頻、幅值散點圖(a)Shy03試件;(b)Shy05試件

以上分析表明:主頻的頻率與破壞模式呈現變化規律.高頻值信號反映了石灰巖裂隙的活動強度,高頻值信號反映了石灰巖內部微裂隙的萌生擴展,低頻值則顯示石灰巖存在較大的宏觀裂縫.主頻幅值在石灰巖破裂強度中整體呈增加趨勢,說明石灰巖中裂紋擴展能量釋放加劇,聲發射頻譜的峰值形狀也向低頻單峰轉變,可作為石灰巖破裂失穩脆性破壞的前兆.

5 結論

1)在單軸壓縮試驗中,石灰巖聲發射波形主要集中在15～75 kHz頻帶和125～175 kHz頻帶.

2)在觀測到的聲發射事件中,最高振幅總是與低主頻率相關對應高能量大尺度的破壞.

3)可將石灰巖破裂前夕聲發射中頻信號明顯增加,且巖爆現象在聲發射主頻幅值處在單峰時更為劇烈作為石灰巖破壞前夕過程中主頻的演化特征.