赵奎，林颖，熊雪强

(1.江西理工大学工程研究院，江西赣州 341000;2.钨资源高效开发及应用技术教育部工程研究中心，江西赣州 341000; 3.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州 341000;4.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000)

不同应力水平下砂岩蠕变声发射频率特征研究*

赵奎1，2，林颖3，熊雪强4

(1.江西理工大学工程研究院，江西赣州 341000;2.钨资源高效开发及应用技术教育部工程研究中心，江西赣州 341000; 3.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州 341000;4.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000)

蠕变是岩石重要的力学性质之一，声发射可有效反映岩石变形破坏过程内部状态变化，然而关于岩石蠕变声发射的研究鲜见。通过分级循环加卸载砂岩蠕变声发射试验，采用快速傅里叶变换的方法，进行了不同应力水平岩石蠕变声发射的频率特征研究，得到了各分级蠕变声发射主频变化，结果表明各循环均出现次主频现象，频带随应力水平提高而变宽。

蠕变;声发射;分级循环加卸载;快速傅里叶变换;频率

1 引言

蠕变是岩石重要的力学性质之一，岩石工程的失稳破坏绝大多数和蠕变有关，随着采矿、水利水电、地下工程、土木建筑等岩石工程规模的扩大以及向深部发展，岩石蠕变的研究越来越得到广泛重视。目前对岩石蠕变的研究主要是在试验的基础上，根据蠕变过程监测的应力、变形，进行蠕变变形规律、蠕变本构、岩石长期强度以及由宏观变量表征蠕变损伤的研究。

岩石受力变形破坏时因内部微破裂演化、发展释放弹性波的现象称为声发射(acoustic emission，简称AE)［1］，利用相应仪器监测、存储、分析声发射信号以及由声发射信号研究材料特性的技术称之为声发射技术［2］。国内外学者在岩石受力破坏过程的声发射特性方面，进行了大量室内试验研究，包括岩石受压、剪切、断裂和张拉等的声发射研究［3］。由于蠕变试验时间长和声发射仪器性能限制等原因，关于岩石蠕变声发射的研究鲜见。

对声发射信号的分析处理是声发射技术能够得到更好的发展和推广的重要条件，声发射信号具有瞬态性和多模式特点，属于典型的非平稳信号，频率是声发射信号的重要特征。凌同华等［4］利用小波包分析技术对冲击荷载作用下岩石声发射信号的能量分布特征进行研究，讨论了冲击荷载作用下不同岩石对声发射信号频带能量分布的影响;潘长良等［5］对具有岩爆倾向岩石进行单轴压缩声发射试验，探讨了不同应力水平声发射频率变化规律;李楠等［6］对循环加载和分级加载条件下岩石损伤破坏全过程的声发射规律和频谱特性进行了研究，得到了加载、稳压、卸载阶段声发射主频;李俊平等［7］在单轴压缩下，借助手动加压，应用全自动的声发射高速采样、记录系统，研究了4种岩石在渗流与应力耦合下的声发射特征。

对砂岩岩芯加工后进行分级循环加卸载蠕变声发射试验，分级循环加卸载方式不仅反映了岩石蠕变行为，同时在一定程度上也反映了其工程实际应力路径，采用快速傅里叶变换的方法，进行不同应力水平岩石蠕变声发射的频率特征研究。

2 蠕变声发射试验

试验系统由MTS858疲劳试验机和SAEU2S声发射仪组成，如图1所示，并对MTS858试验机加载装置进行了相应改进以达到岩石蠕变试验要求。MTS858疲劳试验机小巧轻便，可以灵活地进行动态和静态的力学测试，配置各种载荷等级和控制器，可根据不同试验目的自行设计试验过程控制程序，能够进行长期试验。SAEU2S声发射仪由传感器、前置放大器、数据采集卡和计算机组成的多通道平行的检测系统，可实现声发射的实时采集、显示波形信号和参数信号，具有FFT变换、小波变换、神经网络分析等声发射信号后处理。

图1 蠕变声发射试验

试样选取结构稳定、均质性好的砂岩，经切割、打磨加工成25×25×60mm方形试样。试验主要是得到不同应力水平的蠕变声发射频率特征，为此设计了5级不同应力水平，以满足试验的要求。根据载荷控制过程编写MTS试验过程控制程序，同时对每一阶段进行时间、变形、载荷数据的储存，加卸载过程采用载荷控制速率为0.35kN/s，加卸载过程数据采样频率为1秒/次，稳压蠕变阶段数据采样频率为5秒/次。声发射采集开始于每级载荷的加载，结束于每级载荷的卸载完成，实时采集、记录试样变形过程声发射达到时间、幅度、振铃计数、持续时间、能量、上升计数、上升时间的参数和相关波形;使用SR150M型探头，工作频率为60kHz～400kHz、中心频率为150kHz，采样频率1M，采样长度2048，波形门限40，参数门限40，前置放大器增益40dB，滤波器频率100～400K，试验如图1所示。

3 结果与分析

3.1 蠕变声发射波形

共进行了5级应力水平的蠕变声发射试验，每级载荷1小时，相对一般蠕变试验时间较短，主要是因为声发射仪在数据记录、存储以及性能上无法满足更长时间的试验，这也是蠕变声发射研究鲜见的原因。得到了砂岩蠕变过程声发射波形，通常声发射技术采用参数分析法来处理声发射信号，对波形只是简单表述，然而声发射波形蕴含了大量的信息，可更全面地反映声发射信号特征。声发射信号波形分析技术指根据所记录的波形来分析声发射源信息的一种方法，常用方法有小波分析、快速傅里叶变换和神经网络分析等。快速傅里叶变换(FFT)是一种被广泛应用频谱分析法，可准确反映信号的全局频谱特性，研究表明，岩石受载荷作用产生的声发射信号频率与应力状态、赋存环境、岩石组构、力学性质有关。为有效揭示蠕变声发射特性，采用快速傅里叶变换对试验所得的声发射波形进行频谱分析，重点讨论不同应力水平的蠕变声发射频率变化。

3.2 快速傅里叶变换

快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的，为计算离散傅里叶变换的一种快速算法，简称FFT。FFT能使计算离散傅里叶变换的乘法次数大为减少，尤其在被变换的抽样点数N越多，计算量的节省就越显著。

其中，是离散频谱的第个值，是时域采样的第个值。时域里与频域里的采样数均为。频域的每一个采样值(谱线)都是从对时域的所有采样值的变换而得到的，反之亦然。

3.3 蠕变声发射频率特征

图2～图6为各分级应力水平蠕变声发射频谱特征图，从图可看出，第一级载荷主频较其他各级载荷低，第一级载荷主频为117.22kHz，后四级载荷约为175kHz，见表1。虽然各级载荷频率分布上存在差异，总体上看频率主要分布在110～120kHz和160～180kHz区间，这两个频率区间均表现出强度较大的峰值频率，如第一载荷虽然主频较低，但在相对的高频率具有两个峰值频率，而其他四级载荷在高频率表现为主频，同时在低频率均有次主频。

图6 第五级载荷24kN蠕变声发射频谱分析

表1 蠕变声发射频谱分析结果(KHz)

岩石在循环加卸载蠕变试验过程中，低应力水平因岩石内部存在大量小尺度微破裂，损伤演化以低烈度微破裂演生为主，声发射主频以低频为主。在前期载荷作用下岩石内部小尺度微破裂相互贯穿尺度变大，从而导致裂隙、缺陷在数量减少，但在尺度上增大，损伤演化以高烈度微破裂演生为主，声发射主频有增大趋势。各循环均出现次主频现象，频带随应力水平提高而变宽。

4 结论

通过分级循环加卸载砂岩蠕变声发射试验，采用快速傅里叶变换的方法，进行了不同应力水平岩石蠕变声发射的频率特征研究，得到了各分级蠕变声发射主频变化，结果表明各循环均出现次主频现象，频带随应力水平提高而变宽。

［1］唐春安，王述红，傅宇方.岩石破裂过程数值试验［M］.北京，科学出版社，2003.

［2］马孝春.岩石切削中的声发射研究［J］.岩石力学与工程学报，1996，15(1):77－83.

［3］李庶林，唐海燕.不同加载条件下岩石材料破裂过程的声发射特性研究［J］.岩土工程学报，2010，32(1):147－152.

［4］凌同华，廖艳程，张胜.冲击荷载下岩石声发射信号能量特征的小波包分析［J］.振动与冲击，2010，29(10):127－130.

［5］潘长良，祝方才，曹平，等.单轴压力下岩爆倾向岩石的声发射特征［J］.中南工业大学学报，2001，32(4):336－338.

［6］李楠，王恩元，赵恩来，等.岩石循环加载和分级加载损伤破坏声发射实验研究［J］.煤炭学报，2010，35(7):1099－1103.

［7］李俊平，余志雄，周创兵，等.水力耦合下岩石的声发射特征试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(3):492－498.

Studies on Acoustic Emission Frequency of Creep of Sandstone Under Different Stress Levels

ZHAO Kui1，2，LIN Ying3，XIONG Xue－qiang4
(1.Engineering Institute，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China; 2.High－efficiency Development and Application Technology Institute for Tungsten Resources，Ganzhou，Jiangxi 341000，China; 3.School of Architectural and Surveying＆Mapping Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China; 4.School of Resources＆Environment Engineering，Jiangxi University of Ccience and Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China)

Creep is one of the important mechanical properties of the rock.The internal change during deformation and failure of the rock can be reflected by acoustic emission(AE)，however，there is a dearth of study on AE of rock creep.Through the AE of rock creep of sandstone under step－cyclic loading and unloading experiment，then the AE frequency of creep of sandstone was researched by using Fast Fourier Transform(FFT).The changes of dominant frequency of AE of creep under all steps were obtained.The results show that the secondary－dominant frequency of AE arises in all cycles，and frequency range of AE was wider with the increasing of the stress level.

creep;acoustic emission;step－cyclic loading and unloading;Fast Fourier Transform;frequency

TD313

:A

:1009－3842(2012)04－0022－03

2012－06－15

国家自然科学基金项目(51064010)

赵奎( 1969 － ) ，男，安徽六安人，博士，教授，硕士生导师，主要从事矿山岩石力学方面的研究和教学工作。E －mail: yglmf_zk@163. com