不同應力水平下砂巖蠕變聲發射頻率特征研究*

趙奎，林穎，熊雪強

(1.江西理工大學工程研究院，江西贛州 341000;2.鎢資源高效開發及應用技術教育部工程研究中心，江西贛州 341000; 3.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000;4.江西理工大學資源與環境工程學院，江西贛州 341000)

不同應力水平下砂巖蠕變聲發射頻率特征研究*

趙奎1，2，林穎3，熊雪強4

(1.江西理工大學工程研究院，江西贛州 341000;2.鎢資源高效開發及應用技術教育部工程研究中心，江西贛州 341000; 3.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000;4.江西理工大學資源與環境工程學院，江西贛州 341000)

蠕變是巖石重要的力學性質之一，聲發射可有效反映巖石變形破壞過程內部狀態變化，然而關于巖石蠕變聲發射的研究鮮見。通過分級循環加卸載砂巖蠕變聲發射試驗，采用快速傅里葉變換的方法，進行了不同應力水平巖石蠕變聲發射的頻率特征研究，得到了各分級蠕變聲發射主頻變化，結果表明各循環均出現次主頻現象，頻帶隨應力水平提高而變寬。

蠕變;聲發射;分級循環加卸載;快速傅里葉變換;頻率

1 引言

蠕變是巖石重要的力學性質之一，巖石工程的失穩破壞絕大多數和蠕變有關，隨著采礦、水利水電、地下工程、土木建筑等巖石工程規模的擴大以及向深部發展，巖石蠕變的研究越來越得到廣泛重視。目前對巖石蠕變的研究主要是在試驗的基礎上，根據蠕變過程監測的應力、變形，進行蠕變變形規律、蠕變本構、巖石長期強度以及由宏觀變量表征蠕變損傷的研究。

巖石受力變形破壞時因內部微破裂演化、發展釋放彈性波的現象稱為聲發射(acoustic emission，簡稱AE)［1］，利用相應儀器監測、存儲、分析聲發射信號以及由聲發射信號研究材料特性的技術稱之為聲發射技術［2］。國內外學者在巖石受力破壞過程的聲發射特性方面，進行了大量室內試驗研究，包括巖石受壓、剪切、斷裂和張拉等的聲發射研究［3］。由于蠕變試驗時間長和聲發射儀器性能限制等原因，關于巖石蠕變聲發射的研究鮮見。

對聲發射信號的分析處理是聲發射技術能夠得到更好的發展和推廣的重要條件，聲發射信號具有瞬態性和多模式特點，屬于典型的非平穩信號，頻率是聲發射信號的重要特征。凌同華等［4］利用小波包分析技術對沖擊荷載作用下巖石聲發射信號的能量分布特征進行研究，討論了沖擊荷載作用下不同巖石對聲發射信號頻帶能量分布的影響;潘長良等［5］對具有巖爆傾向巖石進行單軸壓縮聲發射試驗，探討了不同應力水平聲發射頻率變化規律;李楠等［6］對循環加載和分級加載條件下巖石損傷破壞全過程的聲發射規律和頻譜特性進行了研究，得到了加載、穩壓、卸載階段聲發射主頻;李俊平等［7］在單軸壓縮下，借助手動加壓，應用全自動的聲發射高速采樣、記錄系統，研究了4種巖石在滲流與應力耦合下的聲發射特征。

對砂巖巖芯加工后進行分級循環加卸載蠕變聲發射試驗，分級循環加卸載方式不僅反映了巖石蠕變行為，同時在一定程度上也反映了其工程實際應力路徑，采用快速傅里葉變換的方法，進行不同應力水平巖石蠕變聲發射的頻率特征研究。

2 蠕變聲發射試驗

試驗系統由MTS858疲勞試驗機和SAEU2S聲發射儀組成，如圖1所示，并對MTS858試驗機加載裝置進行了相應改進以達到巖石蠕變試驗要求。MTS858疲勞試驗機小巧輕便，可以靈活地進行動態和靜態的力學測試，配置各種載荷等級和控制器，可根據不同試驗目的自行設計試驗過程控制程序，能夠進行長期試驗。SAEU2S聲發射儀由傳感器、前置放大器、數據采集卡和計算機組成的多通道平行的檢測系統，可實現聲發射的實時采集、顯示波形信號和參數信號，具有FFT變換、小波變換、神經網絡分析等聲發射信號后處理。

圖1 蠕變聲發射試驗

試樣選取結構穩定、均質性好的砂巖，經切割、打磨加工成25×25×60mm方形試樣。試驗主要是得到不同應力水平的蠕變聲發射頻率特征，為此設計了5級不同應力水平，以滿足試驗的要求。根據載荷控制過程編寫MTS試驗過程控制程序，同時對每一階段進行時間、變形、載荷數據的儲存，加卸載過程采用載荷控制速率為0.35kN/s，加卸載過程數據采樣頻率為1秒/次，穩壓蠕變階段數據采樣頻率為5秒/次。聲發射采集開始于每級載荷的加載，結束于每級載荷的卸載完成，實時采集、記錄試樣變形過程聲發射達到時間、幅度、振鈴計數、持續時間、能量、上升計數、上升時間的參數和相關波形;使用SR150M型探頭，工作頻率為60kHz～400kHz、中心頻率為150kHz，采樣頻率1M，采樣長度2048，波形門限40，參數門限40，前置放大器增益40dB，濾波器頻率100～400K，試驗如圖1所示。

3 結果與分析

3.1 蠕變聲發射波形

共進行了5級應力水平的蠕變聲發射試驗，每級載荷1小時，相對一般蠕變試驗時間較短，主要是因為聲發射儀在數據記錄、存儲以及性能上無法滿足更長時間的試驗，這也是蠕變聲發射研究鮮見的原因。得到了砂巖蠕變過程聲發射波形，通常聲發射技術采用參數分析法來處理聲發射信號，對波形只是簡單表述，然而聲發射波形蘊含了大量的信息，可更全面地反映聲發射信號特征。聲發射信號波形分析技術指根據所記錄的波形來分析聲發射源信息的一種方法，常用方法有小波分析、快速傅里葉變換和神經網絡分析等。快速傅里葉變換(FFT)是一種被廣泛應用頻譜分析法，可準確反映信號的全局頻譜特性，研究表明，巖石受載荷作用產生的聲發射信號頻率與應力狀態、賦存環境、巖石組構、力學性質有關。為有效揭示蠕變聲發射特性，采用快速傅里葉變換對試驗所得的聲發射波形進行頻譜分析，重點討論不同應力水平的蠕變聲發射頻率變化。

3.2 快速傅里葉變換

快速傅里葉變換是1965年由J.W.庫利和T.W.圖基提出的，為計算離散傅里葉變換的一種快速算法，簡稱FFT。FFT能使計算離散傅里葉變換的乘法次數大為減少，尤其在被變換的抽樣點數N越多，計算量的節省就越顯著。

其中，是離散頻譜的第個值，是時域采樣的第個值。時域里與頻域里的采樣數均為。頻域的每一個采樣值(譜線)都是從對時域的所有采樣值的變換而得到的，反之亦然。

3.3 蠕變聲發射頻率特征

圖2～圖6為各分級應力水平蠕變聲發射頻譜特征圖，從圖可看出，第一級載荷主頻較其他各級載荷低，第一級載荷主頻為117.22kHz，后四級載荷約為175kHz，見表1。雖然各級載荷頻率分布上存在差異，總體上看頻率主要分布在110～120kHz和160～180kHz區間，這兩個頻率區間均表現出強度較大的峰值頻率，如第一載荷雖然主頻較低，但在相對的高頻率具有兩個峰值頻率，而其他四級載荷在高頻率表現為主頻，同時在低頻率均有次主頻。

圖6 第五級載荷24kN蠕變聲發射頻譜分析

表1 蠕變聲發射頻譜分析結果(KHz)

巖石在循環加卸載蠕變試驗過程中，低應力水平因巖石內部存在大量小尺度微破裂，損傷演化以低烈度微破裂演生為主，聲發射主頻以低頻為主。在前期載荷作用下巖石內部小尺度微破裂相互貫穿尺度變大，從而導致裂隙、缺陷在數量減少，但在尺度上增大，損傷演化以高烈度微破裂演生為主，聲發射主頻有增大趨勢。各循環均出現次主頻現象，頻帶隨應力水平提高而變寬。

4 結論

通過分級循環加卸載砂巖蠕變聲發射試驗，采用快速傅里葉變換的方法，進行了不同應力水平巖石蠕變聲發射的頻率特征研究，得到了各分級蠕變聲發射主頻變化，結果表明各循環均出現次主頻現象，頻帶隨應力水平提高而變寬。

［1］唐春安，王述紅，傅宇方.巖石破裂過程數值試驗［M］.北京，科學出版社，2003.

［2］馬孝春.巖石切削中的聲發射研究［J］.巖石力學與工程學報，1996，15(1):77－83.

［3］李庶林，唐海燕.不同加載條件下巖石材料破裂過程的聲發射特性研究［J］.巖土工程學報，2010，32(1):147－152.

［4］凌同華，廖艷程，張勝.沖擊荷載下巖石聲發射信號能量特征的小波包分析［J］.振動與沖擊，2010，29(10):127－130.

［5］潘長良，祝方才，曹平，等.單軸壓力下巖爆傾向巖石的聲發射特征［J］.中南工業大學學報，2001，32(4):336－338.

［6］李楠，王恩元，趙恩來，等.巖石循環加載和分級加載損傷破壞聲發射實驗研究［J］.煤炭學報，2010，35(7):1099－1103.

［7］李俊平，余志雄，周創兵，等.水力耦合下巖石的聲發射特征試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，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

國家自然科學基金項目(51064010)

趙奎( 1969 － ) ，男，安徽六安人，博士，教授，碩士生導師，主要從事礦山巖石力學方面的研究和教學工作。E －mail: yglmf_zk@163. com