单轴压缩条件下不同粒径类岩石材料次声信号特性研究

赵铭久，赵 奎，曾 鹏，邓岁伟

(1.江西理工大学 资源与环境工程学院, 赣州市 341000；2.江西省矿业工程重点实验室, 江西 赣州市 341000)

0 引 言

对岩石力学的研究在工程上具有重大意义，诸如采矿、土木、水利、交通等工程建设。国内外大量的科研工作者为此不断努力，从多方面对岩石力学进行了大量研究[1]，同时也取得了大量的科研成果。但在岩石力学室内试验及其在工程中的应用方面仍存在各种缺陷，其中岩石材料粒径、岩石内部的原生缺陷以及在进行岩石力学试验过程中岩样的获取、加工、加载方式等其他环境因素直接或间接地导致对岩石力学研究的复杂性，在试验和理论研究方面发展缓慢。

声发射(AE)技术已被广泛应用于许多领域，能够反映岩石破坏过程内部缺陷形成、发展和失稳破坏的整个动态过程，在探究各种因素对AE特性的影响方面，左保成、陈从新等[2]将石英砂、石膏以及混凝土替代灰岩，发现其内部结构以及破坏形式与灰岩相似，在室内试验中用来模拟灰岩具有可行性。刘树新、包春燕等[3-4]研究表明，岩石均质度对AE特性具有重要的影响。李元辉等[5]得到三种不同脆性岩石AE分形及b值特征，提出了岩样破坏失稳的前兆特征。邓朝福等[6]对4种不同粒径北山花岗岩进行断裂韧度试验，系统研究了不同粒度北山花岗岩的断裂力学行为及AE特征。在加载方式与岩石AE特性关系的研究方面，李庶林等[7]研究了岩石破坏全过程AE试验，研究表明岩样破坏形式的不同AE特征也不同。赵小平等[8]通过对裂隙岩样和完整软岩进行单轴AE试验，对比分析两者内部裂隙的演化过程。康志强等[9]考虑岩石岩性，节理裂隙状态、注水孔形状及大小，岩石强度、 密度、渗透率及加载方式等影响因素，结合声发射计数，研究了岩石水压致裂过程中的岩石损伤演化过程及破裂规律。

次声波信号作为超低频信号的代表，其具有频率低(0.01～20 Hz)、传播距离远、衰减小、抗干扰能力强等特点[10]，使得次声信号采集过程中传感器的布置更为简便，极大减小了耦合因素的影响，在采集波长较长，衰减较小的次声信号时效果更好。但至今，次声探测技术在室内试验和工程应用方面研究较少。杨云峰、赵奎等[11]通过对岩样进行不同加载试验，发现在剪切试验中岩样产生的次声波信号较为突出，单轴加载试验及劈裂试验不明显。同时发现随着岩样承受应力的增大，分布于1～4 kHz区间内的次声波信号能量占比在峰值点附近可达85%以上。徐洪等[12]采集了8组岩样在单轴压缩破坏过程中的次声波信号，并对破坏过程中的异常次声信号进行小波分析。结果发现异常次声信号中的中低频能量会随着岩石破坏程度的加剧而削弱，而同时高频能量将会增加。在岩样将要破坏时，高频与中低频能量占比趋于相同。

综上所述，作者将对不同粒径组成的类岩石模拟材料进行单轴压缩试验，运用次声探测技术，对试验过程中次声信号的特性进行研究，尝试找出不同粒径组成的类岩石材料单轴压缩过程中次声信号特征的差异，从而揭示粒径组成对岩石破坏内在机理的影响，同时为岩石室内次声试验提供基础依据。

1 试验设计

1.1 试 样

此次模拟试验选用纯度为99.9%，密度为2.65 g/cm3高纯石英砂作为骨料，标准硅酸盐水泥P.O32.5为胶结材料。灰砂比1∶3，质量浓度80%进行不同粒径的类岩石材料试件的浇筑。分别选取石英砂粒径范围为0.08～0.16 mm，0.315～0.63 mm，1～1.25 mm，1.5～2 mm的石英砂4组，每组制作5个50 mm×100 mm(直径×高)的圆柱体试样。对浇筑好的类岩石材料试样在达到一定标准条件后进行脱模并养护，制备完成试样见图1。

图1 试 样

1.2 试验设备及方法

选择RMT-150C岩石力学加载系统为本次试验加载系统。选择次声波仪为本次试验次声信号采集系统，其主要由次声传感器、网络传输仪、计算机3个部分组成。该传感器具有对声信号较为灵敏、频响宽、无需耦合等特点，值得注意的是，振动对其影响较小，仅对声波敏感，频带范围在0.001～100 Hz，灵敏度为422 mv/Pa(频率为1 Hz时)。此系统使用简单，便于携带(见图2)。

在进行单轴压缩次声试验之前，首先对加载系统处于高压状态下环境中的次声信号水平进行度量，作为本次试验本底信号，采集时长为4 min，采集结束时对数据进行转换并保存。然后进行单轴次声试验，采用位移加载控制方式，加载速率为0.002 mm/s，力终点200 kN，位移终点2 mm，次声采集系统采样频率设置为640 Hz。保证力学试验系统和次声采集系统同步运行和结束。试验结束后分别保存力学试验数据及次声试验数据。试验系统及加载装置如图3、图4所示。

图2 次声信号采集系统

图3 次声试验系统

图4 单轴压缩加载装置

2 结果分析

2.1 本底信号分析

本底信号为非试验状态下环境信号水平，为避免试验信号失真，如本底信号频带范围与试验信号频带范围发生重叠，通过幅值水平的比较，本底信号对次声信号影响较小，可不对试验信号做滤波处理[13]。由此，对本底信号和试验信号进行小波分解与重构，图5为某试验本底信号和某试样加载的试验信号。

从图5可知，本底信号整体平稳，幅值水平基本在-0.003～0.003范围内，而试验信号幅值波动较大，且幅值水平较高。说明了本底信号包含在试验信号幅值水平较低的部分，故可判定本底信号水平对试验信号影响较小，通过多次对比并证实了此现象的准确性，在此不一一阐述。综合以上分析结果，将不再对试验信号中本底信号进行去噪处理。

图5 重构后本底、试验信号

2.2 次声信号特征

振铃计数是评价AE活动性指标之一，而累计振铃计数能更好地描述试验过程中振铃计数的变化趋势，但易受门槛值的影响。由图5可确定振铃计数门槛值为-0.003～0.003，进而对累计振铃计数进行统计，结合幅值-时间-应力曲线对不同粒径试样次声信号特征描述分析，限于篇幅，每组取一个试样。如图6所示。

单轴压缩条件下，类岩石材料破坏过程大致可分为4个变形阶段：初始压密阶段(OA)、弹性变形阶段(AB)、塑性变形阶段(BC)、裂纹加速扩展至试件破坏阶段(CD)[14]，如图6中标注所示。

OA段，试样内部孔隙、空隙不断被压密，各粒径试样幅值波动相对平稳，累计振铃计数的增加较为缓慢，如0.315～0.63 mm粒径和1.5～2 mm粒径试样表现较为明显。

AB段，随着应力的增大，试样内部孔隙、空隙进一步被压密，应力-时间曲线近似线性，各粒径试样次声信号幅值的波动及累计振铃计数的变化存在较强的相似性：此阶段前期幅值及累计振铃计数的变化与OA段相似，相对平稳；后期幅值均出现较大的波动，同时累计振铃计数也出现明显上升。笔者认为，AB段前期试样内部孔隙、空隙进一步被压密的过程中，伴有少量的胶结材料链接被压断，而此阶段后期，随着应力的进一步增大，大量的胶结材料链接被压断，因此次声信号幅值在AB段前期平稳，后期波动明显，累计振铃计数前期增加缓慢，后期上升趋势加强。

图6次声信号幅值-时间-应力-累计振铃计数

BC段，相较于AB段后期，各粒径试样次声信号幅值及累计振铃计数在此阶段均出现不同程度的“相对平静”，如图6所示。累计振铃计数在此“相对平静”阶段表现出稳定的趋势，如0.315～0.63 mm粒径和1～1.25 mm粒径试样累计振铃计数的增长速率相对稳定，0.08～0.16 mm粒径和1.5～2 mm粒径试样甚至表现为零增长。笔者认为，随着AB段胶结材料链接的破坏，此阶段更多的是试样内部颗粒以及胶结材料之间的挤压作用，并伴有微裂纹的产生及扩展。

CD段，随着应力的进一步增大，试样内部微裂隙的进一步扩展、汇合，形成相对较大尺度的微裂隙，再加之类岩石材料质地相对松散，试样内部微裂面之间的滑移摩擦，致使次声信号幅值及累计振铃计数在CD段出现间歇性增加或上升。

通过对比不同粒径试样次声信号幅值及累计振铃计数整体变化趋势，可以发现：

(1) 在幅值方面，粒径较小的试样幅值变化越杂乱，粒径越大的试样幅值变化越有序，如0.08～0.16 mm粒径试样，在整个加载过程中，幅值波动是持续不断的，即使在BC段出现“相对平静”阶段，所历时长较短，而1.5～2 mm粒径试样，幅值明显波动时段较为突出，幅值平稳阶段所历时长较长。

(2) 在累计振铃计数方面，粒径越小的试样，累计振铃计数整体上升速率较为平稳，即曲线斜率变化幅度较小，粒径越大的试样，累计振铃计数曲线“阶梯感”较为明显，即曲线斜率变化幅度较大。如0.08～0.16 mm粒径试样和1.5～2 mm粒径试样对比尤为明显。

笔者认为，粒径越小的试样，其均质度越高，颗粒之间胶结更加紧密，不易产生应力集中，而粒径越大的试样，其越不均质，颗粒与颗粒之间的胶结材料体积更大，在受到外力作用下，更容易产生应力集中的现象，进而导致次声信号幅值及累计振铃计数变化趋势上的差异性。

3 结 论

(1) 试验过程中，次声信号幅值的变化与累计振铃计数的变化具有同步性。

(2) 单轴压缩条件下，不同粒径试样在弹性变形阶段后期次声信号幅值均有不同程度的增大，同时累计振铃计数均表现出明显上升趋势。

(3) 塑形变形阶段，不同粒径试样幅值均出现不同程度的“相对平静”阶段；同时累计振铃计数稳定增长速率近似线性。

(4) 粒径越小，幅值变化越杂乱，粒径越大幅值变化越有序；粒径越小，累计振铃计数曲线斜率变化幅度越小，粒径越大，累计振铃计数曲线“阶梯感”较为明显，即曲线斜率变化幅度越大。