深部灰巖劈裂破壞的聲發射損傷表征

常新科, 吳順川*, 程海勇 , 王勇兵, 夏志遠 , 汪小東

(1. 昆明理工大學國土資源工程學院, 昆明 650093; 2. 云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤礦業分公司, 曲靖 654200; 3. 長沙有色冶金設計研究院有限公司, 長沙 410019)

在深部地下工程中,大多數隧道、巷道及硐室會承受較大的拉應力或結構損傷進而發生壓拉失穩破壞,巖體的穩定性監測是保障深部巖體工程安全建設的必要手段[1-3]。聲發射(acoustic emission,AE)是巖石內部結構發生變化釋放的瞬態彈性波,AE信號特征與巖石的力學性質及破裂機制具有密切關系[4]。因此,深入分析巖石在壓拉荷載下破壞的AE特性,有助于科學認識其演化規律,對實際工程穩定性研究和監測預警更具指導意義。

學者們從AE事件率[5-6]、能率[7-8]、b值[9-10]等時域特征參數方面入手,展開了對巖石破壞過程的一系列研究,取得了豐盛的成果。但這些AE時域特征參數只是對信號單一特征的統計描述,僅能提供有限的破裂信息。為了彌補研究上的不足,近年來關于AE頻域頻譜信息的研究熱度逐年增長,獲得了巖石受力狀態、結構、物理力學特性等豐富信息。胡英等[11]從白云巖破壞的AE頻域特征出發,分析了巖石破壞的前兆信息。Wang等[12]分析了細砂巖破壞的AE頻域信息,認為其破壞模式與波形主頻及幅值相關。Zhang等[13]進行了不同類別巖石的單軸壓縮AE試驗,認為AE高頻對應剪切破壞,低頻對應拉伸破壞。這些研究成果證實了從AE頻域頻譜信息角度,能夠獲得巖石的損傷機制。但主頻僅代表AE頻譜中最高幅值對應的頻率,對于巖石這種復雜的非均勻材質而言,只考慮主頻顯然是不合適的,容易忽略AE信號的全局性特征,時域內的信息仍值得關注。Shiotani等[14]通過RA值(上升時間與幅值的比值)表征巖石破壞模式,表明高RA值對應剪切破壞,低RA值對應張拉破壞。混凝土材料往往將AF值(振鈴計數與持續時間的比值)的降低,視為破壞模式由拉伸向剪切的轉變[15]。Du等[16]進行了多組不同力學路徑的AE試驗,表明RA-AF值具有對巖石破裂模式進行分類的性質。吳順川等[17]分析了隧道內的AE監測信號,表明RA-AF值具有表征巖石破壞的可行性。因此,RA-AF值可以作為從AE信號時域特征直接獲取巖石破裂模式的重要參數。

盡管對于巖石破壞過程中AE損傷表征已有廣泛研究,但其關注點主要局限在時域層面或頻域層面內的定性研究上,對二者耦合的定量研究仍然較少。由于深部巖石的復雜性,單一AE指標不足以起到定量表征作用。如果能聯合AE頻-時域信息深入了解巖石微觀破壞機制,將有利于認識深部巖石從起裂發展至宏觀破裂的裂紋演變過程及破壞特性,與巖石內部的微觀結構變化起到緊密聯系。

據此,現對深部灰巖進行巴西圓盤劈裂AE實驗,分析AE實測全波形特征,聯合頻-時域內的主頻及RA-AF信息,探討深部巖石在張拉破壞下的AE特性及損傷表征,在一定程度上促進深部巖體工程破壞分析方法由定性分析向定量分析的轉變。

1 實驗設計

1.1 灰巖試件制備

實驗所用巖石為云南某地下鋅鍺礦大塘組深部灰巖,現場取芯時均按同一方向鉆取(井口標高2 308 m,取芯孔標高為1 104 m)。按照國際巖石力學與巖石工程學會(International Society for Rock Mechanics,ISRM)建議,將現場取回的巖芯加工成直徑50 mm ×厚25 mm的巴西圓盤試樣,編號BS,加工精度滿足試驗要求,取芯現場及巴西圓盤試樣,如圖1所示。

圖1 取芯現場及巴西圓盤試樣Fig.1 Coring site and specimen

1.2 實驗方案及參數設置

巴西圓盤劈裂AE試驗采用線荷載加載方式[18],所需試驗力由YAW-300型微機控制電液伺服壓力機提供,預加荷載為200 N,加載速率為0.1 MPa/s。AE信號通過DS5-16B/C型16通道AE監測系統采集,采集參數基于前期開展的大量AE實驗研究,按表1設置。

在試件表面固定了6個涂抹硅脂的PAC-Nano30型AE傳感器,其中兩個布設在試件正面劈裂中心兩側,剩余4個對稱布設在試樣圓環面上,分別與水平線呈±30°。AE傳感器布設方案及室內試驗現場,如圖2所示。

表1 AE系統采集參數設置Table 1 AE system acquisition parameter setting

圖2 AE傳感器布設方案及試驗現場Fig.2 AE sensor installation scheme and test site

2 試驗結果分析

2.1 AE實測全波形特征

巖石在微觀尺度上的裂紋萌生、擴展和聚合變形,是巖石因應力作用發生破壞的重要機制,這種與結構變化機制直接相關的源,稱為AE源。AE源的本征性貯存在向外釋放的瞬態彈性波內,其幅值變化與巖石損傷強度直接關聯。而巖石損傷量的活躍程度則可通過統計單位時間內的波形事件率進行測量。

通過對巖石破壞全過程的AE實測波形進行適當分析,可以為巖石穩定性監測提供更多細節[19]。灰巖的巴西圓盤劈裂AE實驗結果表明,6個性能相同的AE傳感器采集到的波形存在差異,經分析認為主要與AE源的距離、方向、傳播路徑及衰減特性相關。為此,將全部傳感器共同采集到同一信號進行耦合,選擇到達時間最早的波形作為實測AE波形,繪制了灰巖在巴西圓盤劈裂條件下的AE實測全波形圖,如圖3所示。AE實測全波形圖中的不同顏色波形,代表了不同的觸發時刻。

分析圖3可知,通過AE實測全波形特征,可以將灰巖在巴西圓盤劈裂條件下的損傷過程劃分為3個階段(階段Ⅰ～Ⅲ),依次對應巖石微損傷萌生階段,裂紋擴展階段和結構破壞階段。為了更清晰地表述階段Ⅰ～Ⅲ內的波形特征,將各階段內的AE極值波形(幅值最低和幅值最高的波形)進行了繪制,如圖4所示。

圖3 實測AE全波形圖Fig.3 AE full waveform

圖4 不同階段的AE極值波形Fig.4 AE extreme waveforms at different stages

圖4(a)和圖4(b)為分別階段Ⅰ內幅值最低(No.6)和最高(No.32)的波形,圖4(c)和圖4(d)分別階段Ⅱ內幅值最低(No.59)和最高(No.85)的波形,圖4(e)和圖4(f)分別為階段Ⅲ內的幅值最低(No.277)和最高(No.792)的波形,其中波形的藍色區域為AE事件的持續時間,橘色區域為撞擊定義時間(hit definition time,HDT),黃色區域為撞擊閉鎖時間(hit lockout time,HLT)。HDT確保了AE系統采集到的信號僅為一次撞擊,HLT則避免了單個撞擊信號中包含其他撞擊信號,消除了反射波的干擾,保障了撞擊的完整性。不同階段的AE極值波形幅值比,如表2所示。

表2 不同階段的AE極值波形幅值比Table 2 AE polar waveform amplitude ratio at different stages

分析圖4和表2可以看出,低幅值波形多為連續型信號,幅值梯度變化小,高幅值波形則多為突發型信號,幅值梯度衰減快。隨試驗荷載的增加,低幅值信號的持續時間段明顯加長,極值波形幅值比顯著增加。這些貫穿試驗全過程低幅值波形,主要與微觀層面上的位錯、晶體孿生、晶界面移動相關,相反,逐級遞增的高幅值波形,則主要與宏觀層面上的礦物顆粒、結構面的滑移和分離相關。

階段Ⅰ,灰巖AE實測波形較為離散,相鄰信號間隔較大,且幅值較低。在外部荷載作用下AE源釋放的AE波形較少,巖石微損傷活躍度較低,使得AE事件率維持在較低水平,AE累積事件數曲線表現出緩慢增長特征。這是由于灰巖在裂紋擴展前期,發生的變化主要是內部應力狀態的重新分布,巖石結構仍處于穩定狀態,巖石抵抗外力破壞的能力仍然較強。

階段Ⅱ,灰巖AE實測波形表現出連貫密集的分布特征,但幅值仍然較低,AE事件率較前一階段有所增加,AE累積事件數曲線增長速率出現明顯提高。這表明巖石內部局部區域已經形成應力集中,此前的微損傷演化成內部裂紋,并在應力集中區域得到擴展,使得巖石內部結構出現變化,損傷量迅速積累疊加。

階段Ⅲ,灰巖AE實測波形表現出更加連貫密集的特征,幅值相比前一階段顯著增高,AE事件率進一步增加,特別是在試驗59 s左右出現了極高值,造成AE累積事件數曲線豎直向上攀升。這主要是因為巖石內部結構發生的劇烈變化,巖石抵抗外力破壞的能力消失,AE源的活躍度和強度大幅增加,損傷裂紋向宏觀破裂面聚攏,巖石發生斷裂。值得注意的是,在試驗末尾,AE事件率及累積事件曲線不再大幅增加,出現了1～2 s的“平靜期”,經分析認為,由于巖石宏觀裂隙地形成,阻礙了瞬態彈性波地傳播。

2.2 AE信號主頻演化特征

通過快速傅里葉變換可以將信號從時域角度轉化到頻域角度,獲得實測波形的二維頻譜信息。二維頻譜圖中最大幅值對應的頻率即為主頻,是AE頻域分析中表征波形特性的一個重要參數。圖4中極值波形(No.6、No.32、No.59、No.85、No.277和No.792)的二維頻譜圖,如圖5所示。

分析圖5可知,根據Nyquist采樣定律,AE采樣頻率為2.5 MHz,可以獲得0～1 250 kHz的頻域信息。灰巖的AE波形二維頻譜主要特征集中在0～500 kHz內,其中No.85和No.792為高頻信號,其余為低頻信號,灰巖在階段Ⅰ～Ⅱ內的AE頻譜多為較窄的單峰結構,進入階段Ⅲ后,頻譜增寬并逐漸向雙峰或多峰結構轉化。這主要與巖石的損傷量及損傷程度密切相關。在階段Ⅰ～Ⅱ,巖石發生的變化主要是微損傷的萌生和裂紋的擴展,其損傷形式較單一。進入階段Ⅲ后,試驗臨近斷裂,其內部結構發生破壞,損傷形式增加,使得頻率成分逐漸復雜。

為了獲得更全面的分析結果,計算了實驗獲得的全部波形的AE主頻,同時結合試樣的時間-應力曲線,繪制了灰巖斷裂全過程的AE主頻演化特征圖,如圖6所示。

分析圖6可知,灰巖AE主頻演化階段與實測AE全波形演化階段一致,可分為相同的階段Ⅰ、階段Ⅱ和階段Ⅲ,對應巖石微損傷萌生階段,裂紋擴展階段,結構破壞階段。按照主頻分布及聚類特征,又可分為4個頻帶,頻帶1(1～15 kHz)、頻帶2(33～55 kHz)、頻帶3(142～155 kHz)和頻帶4(307～358 kHz),其中頻帶1和頻帶2屬于低頻帶,頻帶3和頻點4屬于高頻帶。對于巖石AE而言,不同類型的AE源對應著不同的破壞模式,不同的破壞模式產生不同頻率的信號[20]。

以BS-1為例,可以看出頻帶1貫穿試驗全過程,對應著微觀層面上的位錯、晶體孿生,頻帶2在階段Ⅰ僅有零星幾個,在階段Ⅱ增加,在階段Ⅲ聚集,對應著微觀層面上的晶界面移動,頻帶3僅在階段Ⅲ出現,對應著宏觀層面上的礦物顆粒和結構面的分離,頻帶4主要分布在階段Ⅱ和階段Ⅲ內,對應著宏觀層面上礦物顆粒和結構面的滑移。臨近巖石斷裂前,頻帶的增加意味著破壞模式的復雜化。

圖5 AE波形二維頻譜圖Fig.5 2D spectrogram of AE waveform

圖6 AE主頻演化特征圖Fig.6 AE dominant frequency evolutionary feature

2.3 AE信號RA-AF分布特性

RA值越小時波形梯度越大,表明脈沖越窄,但RA值僅能刻畫上升時間段內波形,對信號整體特征關注不足。AF值補充了描述波形的全局特征,在持續時間內信號越過的門限的次數越多,表明頻率越高。

拉伸破壞信號具有窄脈沖,高頻率的特性,剪切破壞信號則具有寬脈沖,低頻率的特性[21],如圖8(a)所示。據此,研究者們根據RA值與AF值之間的關系對AE信號進行分類,將具有低RA值、高AF值特征信號視為剪切事件,將高RA值、低AF值特征的信號視為張拉事件,如圖8(b)所示。

不同AE主頻帶的RA-AF散點密度分布圖,如圖9所示。RA-AF的分布范圍,如表3所示。

分析圖9可知,RA值核心密度區域為0～8 ms/V,AF值核心密度區域為0～500 kHz,為便于分析,將RA-AF值的核心密度區域進行了放大觀察。可以看出,絕大多數的RA-AF散點貼近AF軸,表明試樣的破壞以拉伸破壞為主。其中頻帶1的RA-AF值分布范圍較廣,頻帶3的信號數量較少,且不具有明顯的聚類特征,在分析其破壞模式時應予剔除。頻帶2和頻帶4的RA-AF值主要聚集在核心密度區域,且二者僅出現在臨近巖石完全破壞前,因此能夠作為表征巖石的破壞模式的優勢頻帶。

圖7 AE特征參數示意圖Fig.7 Graphical representations of AE characteristic parameters

表3 不同AE主頻帶的RA-AF分布差異Table 3 Differences in RA-AF distribution for different AE dominant bands

圖9 不同AE主頻帶的RA-AF散點分布Fig.9 RA-AF scatter distribution for different AE dominant frequency bands

現階段研究均證實了拉伸破壞對應較低的RA值和較高的AF值,剪切破壞對應較低的AF值和較高的RA值,但對于RA-AF分布的劃分,尚未形成統一的定論。日本JC MS-Ⅲ B5706混凝土建筑規范[22]提出,將AF/RA定義為k,將AF/RA>k的信號視為張拉破壞,將AF/RA

通過圖10可以看出,基于RA-AF區分張拉破壞與剪切破壞的分界線,可能不是一條固定的斜率的直線。這主要是因為巖石作為一種非均質的材質,其損傷特性與外部荷載、原位環境,礦物顆粒及細觀結構特征等相關,在破壞過程中包含了原生缺陷的壓密,微孔隙及微裂紋的萌生、擴張、延伸,宏觀裂隙的貫通等,表現出階段性特性。因此,在進行巖石AE的破壞模式分析時,不能將全部的RA-AF進行批量處理,更不能將RA-AF分界線簡單定義為一條確定斜率的直線。現通過結合AE主頻優勢頻帶特征與RA-AF分布密度劃分的分界線,具有一定實際物理意義,增加了AE信號損傷表征能力,在一定程度上促進了深部巖體工程破壞預測方法由定性分析向定量分析的轉變,分析結果可為深地巖石的破壞模式的研究提供參考。

圖10 優勢頻帶的RA-AF散點密度特征Fig.10 RA-AF scatter density characteristics of dominant frequency band

3 結論

本研究對深部灰巖進行了巴西圓盤劈裂AE試驗,通過對試驗全過程的實測AE波形進行頻-時域聯合分析,得到以下結論。

(1)通過實測AE全波形特征,可以將灰巖在巴西圓盤劈裂條件下的損傷過程分為階段Ⅰ～Ⅲ,分別對應微損傷萌生階段,裂紋擴展階段,結構破壞階段。在實測AE波形特征中,低幅值主要表現為連續型特征,高幅值波形則主要表現為突發型特征。

(2)AE頻譜結構與灰巖損傷量及損傷程度密切相關。當試樣損傷量較小時,AE信號頻譜較窄,表現出單峰結構,損傷量較大時,AE信號頻譜變寬,表現出雙峰或多峰結構。

(3)AE主頻具有聚類分布特征,可以分為低頻帶信號與高頻帶信號。低頻帶信號貫穿試驗全過程,主要與微觀層面上的位錯、晶體孿生、晶界面移動相關。高頻信號僅在巖石臨近完全斷裂前出現,主要與宏觀層面上的礦物顆粒、結構面的滑移和分離相關。

(4)巖石的破壞過程具有階段性特性,基于AE主頻劃分的RA-AF分界線能有效增加AE信號表征灰巖的破裂模式及裂紋分類的能力,為損傷表征定量分析提供重要的理論依據。