苗金丽

（1.中铁六局集团有限公司；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室）

声发射技术已经广泛应用于现场岩体工程的破坏预警及室内岩石实验研究中。研究结果表明，岩爆发生前微震特征为事件密度增大，事件数快速增长［1］。在岩爆诱发期表现为微震累计能量呈增加趋势，同时视应力减小及累计视体积骤增［2］。岩土材料复杂性特点决定了声发射传递过程的不确定性，声发射信号携带了大量岩体破坏信息，利用这些信息可对岩体破坏失稳进行预测。受设备性能制约，早期声发射在室内岩石实验应用主要是对荷载—声发射特征—破坏特征的关系进行分析。随着技术进步，声发射定位精度提高，实现了采用矩张量理论对声发射数据进行分析，判定声发射源张拉或剪切类型［3］。现场矿山开采过程中通过建立声发射微震监测网，实时监测声发射信息，用于预警［4］。

近些年开展了一些基于声发射全波形的时频分析研究成果。Ralston玄武岩和叶蜡石的试验结果表明，在临近破坏时产生高频高幅值的声发射事件［5］。采用玄武岩与流体作用模拟火山微震，并同时检测声发射的三轴试验结果表明，岩石脆性破坏时产生最大功率600 kHz的声发射，流体流动导致的声发射最大功率对应的是18 kHz［6］。

大尺度片麻岩试件（105 cm×40 cm×10 cm）在循环荷载作用下声发射频率范围为50~250 kHz［7］。混凝土在低荷载作用下声发射频率分布范围为10~50 kHz，分布窄，频率较低，幅值较小。有微裂纹产生时，出现165 kHz的高频成分。随着荷载增加，10~165 kHz频宽范围内的幅值增大。当宏观裂纹形成时，高幅值的声发射频率位于15 kHz左右，而在临近破坏前，高幅值覆盖了10~165 kHz，声发射活跃［8］。花岗岩节理摩擦滑移产生的声发射信号频率范围为78.1~312.5 kHz［9］。

不同谐振频率传感器对频率响应有差异，窄频传感器接收频率集中分布在33~110 kHz，宽频主频在0~500 kHz内均匀分布［10］。

上述研究结果表明，由于实验条件不同，获得的岩石声发射频谱特征明显不同，但有如下基本规律：即在破坏前声发射频率分布范围宽，幅值增大；在破坏时高幅值的频率降低。

本研究根据声发射波的传播及衰减规律，根据已有的研究成果，对室内应变岩爆实验条件下岩石材料破坏过程中的声发射频谱特征进行分析，并就如何分析应用室内实验声发射结果进行初步说明。

1 声发射波的传播及衰减特征

一般认为采用声发射技术对材料进行研究时，有一个频率适用范围［11］。岩石材料声发射频率范围为10 kHz~1 MHz，现场微震0.1~10 kHz，现场岩爆<0.1 kHz。

室内岩石声发射应用研究频率范围为1 kHz~1 MHz，主要集中在10~300 kHz，部分试验采用传感器为宽频，频率范围为1 kHz~1 MHz。因低频信号室内干扰严重，在采集滤波时，将低频段波滤掉。高频信号受试验样品尺寸影响衰减快速。根据已有研究，AE波在传播过程中的幅值衰减可以采用如下公式表示。

式中，U为振幅的变化率，%；f为AE频率，Hz；d为传播距离，m；v为传播速度，取3 000 m/s；Q为品质因子，取20。

当v，Q为常数时，0.2，20，2 000 m这3个尺度传播距离U与f的关系如图1所示，波在传播过程中，不同频率的波幅度的衰减速度与传播距离有很大关系。当传播距离为0.2 m，相当于室内实验样品的尺寸数量级，f<200 kHz的声发射波经过0.2 m传播后，幅度只有初始的12%；保持50%的幅度时，传播距离0.2，20，2 000 m对应的频率分别为65，0.65，0.006 5 kHz。以上结果说明传播距离成百倍增长后，振幅变化率减少50%所对应的频率也相应成百倍降低。在分析声发射波形信息时，需了解波传播规律、采集系统及传感器频响特性，并掌握材料特性，根据研究对象尺度，确定研究关注的频率范围。室内岩石实验50~200 kHz的频率范围较适宜，现场用于判定岩体稳定性时，则应该关注低频率（<10 Hz）。

2 小尺度岩样岩爆实验声发射特征

岩石力学破坏产生声发射的震源机制主要为张、剪两种类型。脆性岩石临近破坏时，声发射低频快速增加，可能是有较大裂纹产生或者高频成分快速衰减。临近破坏时高幅值事件增加，较大裂纹产生的声发射事件表现为高幅值、低频率［12］。

2.1 实验过程及参数

岩爆实验在应变岩爆实验系统上进行，该系统是一种改进的真三轴系统，可以实现三向六面加载和单面瞬时卸载。实验系统由实验主机系统、液压控制系统、力和变形数据采集系统、声发射监测系统和高速图像采集系统5个子系统组成。试件为长方体板状，标准尺寸为150 mm×60 mm×30 mm。

根据试样单轴抗压强度，综合考虑工程及场地环境，确定试件初始三向不等荷载，加载速率0.5~1.0 MPa/s，静止30 min后某一方向单面快速卸载，并暴露试样表面。当单面卸载后，30 min内试样未发生破坏，则恢复加载，并按比例增加三向作用荷载，增幅为5 MPa左右。再静止30 min后单面快速卸载，直到在某级荷载条件下快速卸载后试件发生岩爆，且会产生岩块、岩片的弹射现象［13］。

2.2 实验过程声发射特征

利用声发射监测系统采集岩爆过程中的声发射原始波形数据，并对实验过程中典型时段的原始波形数据进行快速傅里叶变换，将声发射数据转换为二维频谱数据，得到分区段的声发射频率和幅值分布变化特征。

图2是花岗岩、砂岩及石灰岩3例应变岩爆实验过程中岩石声发射频率特征图。幅值是通过无量纲处理后的结果。

图2中列举了每个试件4个不同阶段所产生的声发射频谱。每一种岩性有相对固定的主频范围，在不同的状态下（如加载、单面卸载、岩爆前、弱岩爆、岩爆及岩爆后），声发射幅值有一定差异。以岩爆时刻最高幅值所对应的频率为主频，其次为次主频。

图2（a）是花岗岩应变岩爆实验过程中单面卸载、弱岩爆、岩爆及岩爆后4个阶段的典型声发射时频分布特征。可以看出高幅值所对应的频率为180 kHz，相对集中，且单面卸载、弱岩爆及岩爆时所对应的幅值较高。次高幅值对应的频率分布范围为50~120 kHz，较分散，且单面卸载及岩爆对应的幅值较大。

图2（b）是砂岩应变岩爆实验过程中单面卸载、岩爆前、岩爆及岩爆后4个阶段的典型声发射时频分布特征。从该图中可以看出高幅值所对应的频率主要集中在180 kHz及90 kHz，且岩爆时幅值最大。次高幅值所对应的频率区间为70~110 kHz，频率分布区间略有分散，且幅值大小与主频段的相当。明显的特征表现为岩爆时主频段对应的幅值高；次主频段单面卸载时幅值最大，其次是岩爆时刻。

图2（c）是石灰岩应变岩爆实验过程中加载、单面卸载、岩爆前及岩爆后4个阶段的典型声发射时频分布特征。从该图中可以看出岩爆时高幅值所对应的频率为80 kHz左右，且30~100 kHz频率范围内幅值都较高，但明显小于花岗岩和砂岩的。次高幅值所对应的频率区间为170~180 kHz，频率分布区间较集中，且表现为单面卸载时幅值最大。

表1列出了3种岩性岩石试件在应变岩爆实验过程中声发射主频特征，发生机制是根据已有研究成果分析判断。从表中可以看出花岗岩及砂岩主频很接近，为170~190 kHz，花岗岩的主频更集中，为180 kHz左右。石灰岩主频最大值为80 kHz，变化范围为30~100 kHz，相对较分散。次主频花岗岩及砂岩的分布区间也近似相同，而石灰岩的次主频分布范围与花岗岩及砂岩的主频分布范围相似。

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上述实验结果表明，加载或岩爆破坏后一般声发射幅值低，见图2（c）。单面卸载或岩爆时（图2（a）~（c））幅值高。岩石力学试验监测到的声发射现象，反映了岩石不同破坏尺度下的能量释放特征。高幅值对应着较高的能量释放。砂岩及花岗岩的晶粒尺寸较大，而石灰岩的晶粒尺寸较小，说明岩石的声发射频率与其结构相关，主要是晶体结构大小及裂隙的分布特征。

通过对岩爆实验过程声发射波形数据进行分析，可以得到不同应力组合下声发射频谱特征，据此建立试样渐进破坏与声发射频谱特征之间的关系，判定可能发生破坏的类型，并有望对现场岩体工程失稳破坏进行预警。

3 结 论

（1）对室内岩石试样进行声发射特征研究时，关注的适宜频率范围为10~300 kHz。

（2）岩体破坏过程的不同阶段，产生声发射的幅值及频率有一定变化。高幅值对应的频率值因与监测设备及传感器的参数频率有关，利用处理的无量纲参数更具有可比性及应用性。

（3）不同力源导致破坏机制不同，产生的声发射事件包含的频率成分不同。小尺度的微破裂产生高频低幅值的声发射，大尺度的破裂声发射幅值增大，频率降低且范围增大。

（4）研究对象的尺寸效应及声发射传播的衰减理论是室内试验应用于现场的理论基础。据此，下一步可以研究将试验室声发射频率特征的研究成果应用于现场岩体的失稳预测。