陈忠清 魏 威 吕 越 高 鑫 NJOKU OGECHI ADURAMOMI

(1. 绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000; 2. 浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室, 浙江 绍兴 312000; 3. 上海中梁地产集团有限公司，上海 200331)

次声波是指频率低于人可听见的声波频率下限的声波，频率范围小于20 Hz[1].19世纪80年代，在克拉卡托火山爆发活动中首先发现次声现象[2].长期研究表明次声波普遍存在，并且由于信号源的激发机理不同，次声波往往具有不同的信号特征[3-6].

岩石或岩体在变形破坏过程中既会产生大量的高频超声波信号，同时也会产生很强的低频次声波信号[7].由于次声波信号具有频率低、波长长、衰减慢、穿透力强及传播距离远等特点，使得次声波技术在滑坡灾害监测预警中的应用日益受到关注.周宪德等(2014年)研制了由次声传感器、资料处理器及讯号处理系统组成的坡地灾害次声监测系统，来实时监控土石流和滑坡的发生[8]；冯怀升等(2010年)结合SMS技术设计并实现了一种利用次声波对滑坡地质灾害实时监测和预警的新型系统[9]；任际周(2012年)采用压力场声波传感器设计了一套基于次声波技术的滑坡监测预警系统[10]；朱星(2014年)采用InSAS2008高精度电容式次声传感器，开发了能满足室内或者野外次声波探测的数字化次声探测仪，并成功应用于四川大光包滑坡北侧拉裂壁边界声波信号的采集监测[11].岩石在受力条件下破坏变形产生的次声波信号特征是次声波技术在岩质滑坡监测预警中成功应用的前提和基础，也是近些年相关研究较为集中的领域.朱星等(2013年)对花岗岩、泥岩、砂岩、千层岩、石灰岩、红砂岩6种岩样在单轴压缩作用下微破裂过程中产生的低频次声波信号进行了检测，得出岩石破坏前存在明显的次声发射现象，特征频率一般在2.0 Hz～8.0 Hz范围[12]；姜亮亮(2016年)研究了红砂岩在单轴压缩条件下峰值应力前后的次声信号特征，发现不同破坏形式产生的次声信号表现不一， 破坏特征频率集中在1 Hz～4 Hz[13]；徐洪和周廷强(2016年)研究了岩石变形破坏各阶段次声能量集中的频段，发现岩石在变形破坏各阶段的次声信号集中频带存在差异[14]；魏建平(2017年)对花岗岩试样进行单轴加载，得到试样破坏产生的次声波主要集中在中低频，岩石破坏前的次声前兆特征突出[15]；杨云峰等(2017年)在室内对岩石进行了单轴压缩试验/斜剪试验、巴西劈裂试验，得出次声信号频带能量与岩石所受的应力状态有很大关联性[16]；赵奎(2018年)通过红砂岩在单轴循环加、卸载次声波试验研究，得出次声波累计振铃计数可以反映红砂岩内部岩石损伤演化过程[17]；徐洪等(2016年)采集了砂岩试件破坏前的次声信号，发现岩石变形破坏次声信号能量主要集中在4 Hz～8 Hz的中频带和8 Hz～16 Hz的高频带两个频率范围[18]；徐洪等(2018年)通过压缩、剪切及拉伸状态下的破坏试验，得到岩石在不同受力状态下的次声波峰值频率特征存在差异[19].

浙江省山地众多(山地丘陵占全省陆域面积70.4%)，山体地质灾害严重，而关于浙江地区典型岩石在不同受力状态下破坏变形产生的次声波信号特征研究尚鲜有展开.本文尝试选取浙江地区四种典型岩石试样，通过岩石单轴压缩、岩桥剪切以及结构面剪切试验，研究不同破坏形式下次声波信号特征，为该地区岩质滑坡灾害次声监测提供参考.

1 试验材料及仪器设备

1.1 试验材料

采集浙江地区4种岩性的岩石，包括玄武岩、砂岩、灰岩及凝灰岩.分别制作成如下3种岩石试样：

(1)50 mm×50 mm×100 mm的长方体岩样(见图1).每组岩性的试样分别6个，共24个，编号为H1-6(灰岩)、N1-6(凝灰岩)、S1-6(砂岩)、X1-6(玄武岩)，用于单轴压缩试验.

a. 玄武岩 b. 凝灰岩

c. 灰岩 d. 砂岩

图1单轴压缩试验岩石试样

(2)含岩桥的100 mm×100 mm×100 mm的立方体岩样(见图2).沿试样正中间两侧切割出100 mm×40 mm×8 mm的槽口，留下中间100 mm×20 mm×8 mm岩桥.编号分别为TH1-4(灰岩)、TN1-3(凝灰岩)、TS1-4(砂岩)、TX1-4(玄武岩)，共15个岩样，用于岩桥斜剪试验.

(3)含贯通结构面的100 mm×100 mm×100 mm的立方体岩样(见图3).通过人为切割岩样正中间四侧，劈裂岩样以形成自然的贯通结构面.编号分别为JH1-4(灰岩)、JN1(灰岩)、JS1-4(灰岩)、JX1-4(灰岩)，共13个岩样，用于结构面斜剪试验.

1.2 仪器设备

采用CASI-RTU型次声采集仪、CASI-DBF5-24型次声传感器及笔记本电脑(见图4a)进行试验过程中的次声波监测和信号采集.次声传感器灵敏度为104.25 mv/Pa， 3 dB频带为0.1 Hz-200 Hz.单轴压缩试验中加载设备采用STYE-3000E型伺服压力试验机，斜剪试验中加载设备采用WAW-3000B型电液伺服万能材料试验机.

2 试验方案与信号处理方法

2.1 试验过程及次声信号的采集

单轴压缩试验过程中， 加载速率设为0.3 kN/s，次声传感器布置在距离试样0.5 m～1 m处(见图4b)，采样频率为1200 Hz，门槛值设置为45 dB.加载前先采集环境本底次声信号并保存.当传压板降至刚好接触岩样时，同步启动STYE-3000E型压力试验机和次声波信号采集仪，直至岩样破坏.

岩桥剪切和岩体结构面剪切均采用斜剪试验，位移加载速率为0.01 mm/s.次声传感器的布置及相关参数设置与单轴压缩试验相同.按照预先设置的加载方式同步开启声次声波信号采集仪和WAW-3000B型试验机，直至岩样破坏.

2.2 次声波信号处理与分析方法

为避免背景干扰信号对试验结果的影响，首先采用小波阈值去噪的方法对采集的原始信号进行滤波处理.

图2剪切试验岩样

图3结构面剪切试验岩样

a.次声采集仪及其连接

b.次声传感器及其布置

图4次声波监测系统照片

(1)次声波信号时域特征处理

基于MATLAB软件的小波工具箱功能，对次声波信号进行小波分解与重构[20].重构后的典型次声波本底信号和试验信号波形图如图5所示.由图5可得，重构后本底信号整体平稳且数值较低，整体幅值(绝对值)在0.06 V以下，而重构后试验信号在产生次声信号时的波形图突变幅值均大于0.06 V，平稳部分的幅值在0.06 V以内.可见，可通过对试验信号重构开展次声波的时域特征分析.

(2)次声波信号时频特征处理

基于MATLAB软件，采用短时傅立叶变换(STFT)进行次声波信号时频处理[20-21].经短时傅立叶变换后的本底信号和试验信号时频图如图6所示.由图6可得，实验室内环境噪声稳定且强度基本上不超过35 dB，次声波特征频率的强度值达到60 dB左右.为剔除环境噪声的影响，将强度底值控制在35 dB左右进行次声波信号的时频特征分析.

(3)次声波信号累计振铃计数分析

累计振铃计数可以粗略地反映出信号的频度和强度.基于本底信号和试验信号的分析，综合考虑本地信号和试验信号的幅值水平，来确定信号的门槛值，并以此为基础进行次声波信号的振铃计数统计与分析.

3 试验结果分析

3.1 单轴压缩条件下的次声波信号特征

3.1.1 应力-次声时域和时频特征分析

不同岩石在单轴压缩破坏条件下的典型应力-波形图和时频图分别如图7和图8所示.从图7可以看出，由于岩性差异及岩样本身存在裂隙，不同岩石在单轴压缩过程中从受力至破坏的历时及抗压强度有所不同，但均在试验加载过程中出现多次大于本底信号峰值的次声波现象，并从图8可知，灰岩、凝灰岩、砂岩及玄武岩在应力加载直至峰值时产生的次声波信号主频范围分别集中在1 Hz～7 Hz、1 Hz～6 Hz、2 Hz～6 Hz及1 Hz～5 Hz.由此可得，岩石在单轴压缩破坏会产生明显次声波现象，主频主要集中在1 Hz～7 Hz范围内，不同岩性之间差异不明显.试验结果与文献[12]中花岗岩、灰岩、红砂岩、砂岩、千枚岩和泥岩6种典型岩石试样，文献[13]中江西赣州地区的红砂岩，以及文献[18]中重庆地区砂岩，在单轴压缩条件下破坏产生的次声波信号特征基本一致.

a.本底信号 b.试验信号

图5重构后典型次声波信号波形图

a.本底信号

b.试验信号

图6典型次声波信号时频图

a. 灰岩

b. 凝灰岩

c. 砂岩

d. 玄武岩

图7不同岩石单轴压缩破坏下的应力-波形图

a. 灰岩

b. 凝灰岩

c. 砂岩

d. 玄武岩

图8不同岩石单轴压缩破坏的次声信号时频图

3.1.2 应力-次声累计振铃计数特征

不同岩石在单轴压缩条件下的次声累计振铃计数随加载时间变化的典型试验结果如图9所示.由图9可知，不同岩性的岩石试样在单轴压缩加载过程中累计振铃计数逐渐增加，总体上应力达到峰值之前，累计振铃数明显增加.同时可得，累计振铃计数特征与岩性之间不存在明显关系.

3.2 岩桥剪切条件下的次声波信号特征

3.2.1 应力-次声时域和时频特征

不同岩石在岩桥剪切破坏条件下的典型应力-波形图和时频图分别如图10和图11所示.从图10可以看出，由于岩性差异及岩样本身存在裂隙，不同岩性的岩桥在试验过程中从受力至剪切破坏的历时及抗剪强度有所不同，但均在剪应力达到峰值前产生大幅次声事件，并从图11可知，灰岩、凝灰岩、砂岩及玄武岩由于剪切破坏产生的次声波信号主频范围分别集中在1 Hz～7 Hz、2 Hz～5 Hz、2 Hz～6 Hz及1 Hz～6 Hz.由此可得，岩石在岩桥剪切破坏时会产生明显次声波现象，信号主频主要集中在1 Hz～7 Hz范围内，不同岩性之间差异亦不明显.

3.2.2 应力-次声累计振铃计数特征

不同岩石在岩桥剪切破坏下的应力-次声累计振铃计数随加载时间变化的典型试验结果如图12所示.由图12可知，不同岩性的岩石在剪切过程中累计振铃计数逐渐增加，并且总体上，在应力达到峰值之前，累计振铃数有明显增加，同时可得累计振铃计数特征与岩性之间不存在明显的相关性.

3.3 结构面剪切条件下的次声波信号特征

3.3.1 应力-次声时域和时频特征

不同岩石在结构面剪切破坏条件下的典型应力-波形图和时频图分别如图13和图14所示.从图13可以看出，由于岩性差异，不同结构面在剪切摩擦过程中从受力至剪切破坏的历时及界面抗剪强度有所不同，但均在结构面剪切摩擦过程中出现多次大于本底信号峰值的次声波现象，大多数的次声事件主要在剪切应力达到峰值前发生，并从图14可知，灰岩、凝灰岩、砂岩及玄武岩由于结构面剪切破坏产生的次声波信号主频范围分别集中在2 Hz～4 Hz、 2 Hz～5 Hz、 2 Hz～6 Hz及1 Hz～8 Hz.由此可得，岩石在结构面剪切破坏时亦会产生明显次声波现象，信号主频主要集中在1 Hz～8 Hz范围内，不同岩性之间差异亦不明显.

3.3.2 应力-次声累计振铃计数特征

不同岩石在结构面剪切摩擦破坏下的应力-次声累计振铃计数随加载时间变化的典型试验结果如图15所示.由图15可以看到，不同岩性的岩石在结构面剪切摩擦过程中，基本上表现出累计振铃计数随剪应力增加而逐渐增加，同时累计振铃计数变化特征与岩性之间未看出存在明显的相关性.

4 结论

(1)浙江地区四种不同岩性的岩石(包括灰岩、凝灰岩、砂岩和玄武岩)在单轴压缩、岩桥剪切及结构面剪切条件下发生破坏过程中均产生明显的次声波现象，次声信号主频基本上集中在1 Hz～8 Hz范围内，与岩性和加载方式之间均不存在明显的相关性.

(2)四种不同岩石在不同加载条件下破坏产生的次声累计振铃计数逐渐增加，并总体上在岩石破坏前后达到峰值，同时累计振铃计数与岩性之间未发现存在明显的相关性.