張 凱，張東曉，趙勇強(qiáng)，楊英明，郭偉耀,，孫 鵬，胥林鵬，付光勝

(1.北京低碳清潔能源研究院 煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211；2.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011；3.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；4.中國(guó)冶金地質(zhì)總局青島地質(zhì)勘查院，山東 青島 266590)

巖石內(nèi)部含有大量原生孔隙與微裂隙，在外部應(yīng)力環(huán)境影響下，微裂隙逐漸擴(kuò)展聚合，導(dǎo)致其力學(xué)性能劣化[1]。微裂隙擴(kuò)展常被視為巖石損傷累積，決定了巖體破壞失穩(wěn)過(guò)程[2]。由于巖體工程一般開(kāi)挖規(guī)模大、擾動(dòng)強(qiáng)度高，巖體損傷區(qū)會(huì)隨時(shí)間推移不斷發(fā)展演化，導(dǎo)致巖體工程施工過(guò)程中需要不斷地對(duì)圍巖損傷區(qū)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷區(qū)巖體力學(xué)性質(zhì)及承載能力的快速估算[3-4]。因此，合理預(yù)測(cè)巖石損傷程度對(duì)工程穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

研究表明，不同損傷程度巖石物理性質(zhì)會(huì)有明顯區(qū)別，包括聲學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)等物理參數(shù)[5-6]。巖石在受力作用時(shí)，其內(nèi)部原生孔洞裂隙的發(fā)育擴(kuò)展以及新生裂隙孕育所產(chǎn)生的能量以彈性波形式釋放，稱為巖石的聲發(fā)射[7-8]。聲發(fā)射特征參數(shù)和頻譜特性能夠反映巖石內(nèi)部破裂的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，研究巖石破裂聲發(fā)射信號(hào)特征可為巖體破壞的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)[9]。目前，損傷巖石聲發(fā)射特征研究主要可以分為兩大類：基于時(shí)域參數(shù)的方法和基于波形的方法，通過(guò)振鈴計(jì)數(shù)、能量、b值、S值等聲發(fā)射特征參數(shù)來(lái)研究巖石變形破壞過(guò)程，以及分析巖石不同損傷階段的聲發(fā)射特性、巖石破壞震源定位等[10-12]。但這些聲發(fā)射參數(shù)只是對(duì)信號(hào)單一特征的簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)描述，僅提供有限的破裂源特征信息，無(wú)法獲取聲發(fā)射波形攜帶的巖石受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)等全部信息[13-15]。近年來(lái)，學(xué)者開(kāi)始對(duì)聲發(fā)射波形進(jìn)行分析，即采用信號(hào)處理方法分析波形，揭示巖石破裂過(guò)程中時(shí)域信號(hào)演化規(guī)律，進(jìn)而提供更全面詳盡的聲發(fā)射特征信息[16-18]。頻率特征由于具有本征性、唯一性和穩(wěn)定性，且不同的頻率特征能反映出巖體內(nèi)部不同的破壞過(guò)程，被廣泛應(yīng)用于聲發(fā)射演化規(guī)律研究[19-21]。另外，超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在巖體損傷測(cè)試中也得到了廣泛應(yīng)用，專家學(xué)者利用超聲波穿過(guò)巖土介質(zhì)后所反映的聲學(xué)特征參數(shù)如波速、振幅、衰減系數(shù)等來(lái)反演巖土介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)及損傷規(guī)律[22-25]。

以上研究成果表明，巖石在損傷破裂過(guò)程中波速、聲發(fā)射參數(shù)均會(huì)表現(xiàn)出一定的演化特征，但關(guān)于不同損傷程度巖石的波速及聲發(fā)射特征研究相對(duì)較少。鑒于此，筆者通過(guò)循環(huán)加卸載試驗(yàn)制備不同損傷程度粉砂巖試樣，并開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)，分析粉砂巖損傷程度與波速關(guān)系及其聲發(fā)射演化規(guī)律，探討不同損傷程度粉砂巖聲發(fā)射響應(yīng)機(jī)制，以期為損傷巖體工程災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供一定理論參考。

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

圖1 為制備的標(biāo)準(zhǔn)粉砂巖試樣。原巖取自陜西神東礦區(qū)布爾臺(tái)煤礦頂板的粉砂巖巖層，自地面向下鉆孔取心獲得，取樣地點(diǎn)煤層覆巖結(jié)構(gòu)未受采動(dòng)影響。依據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，將巖心切割加工為?50 mm×100 mm(高度)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣、?50 mm×25 mm(高度)的巴西圓盤(pán)試樣，粉砂巖基本力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。采用JSM-6510LV 型掃描電鏡觀測(cè)粉砂巖碎片細(xì)觀形貌特征，結(jié)果如圖2 所示，粉砂巖內(nèi)部細(xì)密晶粒均勻分布，局部存在破碎巖屑與黏土礦物，整體均質(zhì)性較好，試件基本力學(xué)參數(shù)都在統(tǒng)一認(rèn)可的誤差范圍內(nèi)。

表1 粉砂巖基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of siltstone

圖1 標(biāo)準(zhǔn)粉砂巖試樣Fig.1 Standard siltstone specimens

圖2 粉砂巖試樣細(xì)觀形貌Fig.2 Micromorphology of siltstone specimens

目前，學(xué)者多通過(guò)開(kāi)展循環(huán)加卸載試驗(yàn)來(lái)制備不同損傷程度試樣，在循環(huán)加卸載過(guò)程中，試樣損傷演化過(guò)程必然伴隨著試驗(yàn)輸入能、試樣儲(chǔ)存彈性能以及裂隙擴(kuò)展耗散能之間的相互轉(zhuǎn)化[26]。圖3 為應(yīng)力點(diǎn)σi處循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中加載曲線oa與應(yīng)變所圍成的面積Soac為第i次循環(huán)中巖石存儲(chǔ)的輸入能密度ui，卸載曲線ab與應(yīng)變所圍成的面積Sabc為彈性能密度uie，加載曲線oa與卸載曲線ab、應(yīng)變所圍成的面積Soab為耗散能密度uid。由此可得輸入能、彈性能及耗散能密度計(jì)算公式為：

圖3 循環(huán)加卸載能量計(jì)算Fig.3 Schematic diagram of energy calculation of cyclic loading-unloading

本質(zhì)上巖石損傷是由能量耗散引起的，損傷累積可以看作是能量耗散的不可逆過(guò)程，可根據(jù)下式定義巖石損傷變量[27]：

圖4 為不同循環(huán)加卸載次數(shù)下粉砂巖試樣損傷程度演化規(guī)律。開(kāi)展循環(huán)加卸載試驗(yàn)制備損傷試樣，采用位移控制方式，加卸載速率均為0.25 mm/min，載荷從0 →3 kN → 0.3 kN → 6 kN → 0.3 kN → 9 kN → 0.3 kN······逐級(jí)遞增。根據(jù)式(1)-式(3)計(jì)算粉砂巖試樣的輸入能、彈性能和耗散能密度，根據(jù)式(4)計(jì)算粉砂巖試樣損傷變量，最后根據(jù)損傷變量評(píng)估巖石損傷程度(損傷程度0 表示非損傷試樣)。隨著循環(huán)次數(shù)增加，試樣損傷程度呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖4 不同循環(huán)加卸載次數(shù)下粉砂巖損傷程度Fig.4 Damage degree of siltstone under different loading-unloading cycles

1.2 試驗(yàn)方案

圖5 為本次試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)圖。利用RLJW-2000 型伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試樣加載；利用試驗(yàn)機(jī)自帶的位移傳感器監(jiān)測(cè)試樣軸向變形；采用AMSY-6 聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測(cè)試樣裂隙發(fā)育情況，在試樣兩側(cè)分別粘貼一個(gè)聲發(fā)射探頭，探頭型號(hào)為VS45-H，前置放大器增益值設(shè)定為38 dB，信號(hào)激發(fā)門(mén)檻值設(shè)定為40 dB，儀器監(jiān)測(cè)頻率為10 MHz；采用HKN-B 型聲波探測(cè)儀監(jiān)測(cè)試樣波速。首先開(kāi)展常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)試非損傷試樣的基本物理力學(xué)參數(shù)；然后開(kāi)展不同次數(shù)循環(huán)加卸載試驗(yàn)，以此制備不同損傷程度試樣，試驗(yàn)過(guò)程中加卸載速率均為0.25 mm/min，循環(huán)載荷以3 kN 逐級(jí)遞增，加載至預(yù)期損傷程度后取下試樣(圖4)；最后開(kāi)展損傷試樣單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)試損傷試樣在加載過(guò)程中的聲發(fā)射演化特征。

圖5 試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)Fig.5 Test equipment system

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 波速演化規(guī)律

圖6 為損傷試樣縱波波速演化規(guī)律。試樣縱波波速隨著損傷程度增加呈線性減小趨勢(shì)，當(dāng)試樣損傷程度為0 時(shí)，縱波波速為2 256.79 m/s；當(dāng)試樣損傷程度為9.51%時(shí)，縱波波速為2 318.19 m/s，相比非損傷試樣增加了5.84%；當(dāng)試樣損傷程度為62.69%時(shí)，縱波波速為2 012.91 m/s，相比非損傷試樣減小了10.81%；最終當(dāng)試樣損傷程度達(dá)到100%時(shí)，縱波波速為1 721.38 m/s，相比非損傷試樣減小了23.72%。波速的變化可以反映試樣內(nèi)部裂隙發(fā)育程度，損傷程度較小的試樣處于微裂隙壓密狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)完整性較好，導(dǎo)致縱波波速減小不明顯甚至有所增大；而隨著循環(huán)加載次數(shù)增多，試樣內(nèi)部裂隙密度增大，導(dǎo)致縱波波速明顯減小。

圖6 損傷試樣縱波波速演化規(guī)律Fig.6 P-wave velocity evolution law of damaged specimens

2.2 聲發(fā)射演化規(guī)律

圖7 為損傷試樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)演化規(guī)律。振鈴計(jì)數(shù)隨著應(yīng)力增加整體呈階段性遞增趨勢(shì)，當(dāng)損傷程度為9.51%時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)在壓密、彈性及屈服階段緩慢增加，屈服階段快速增加、峰后破壞階段突增達(dá)到峰值；當(dāng)損傷程度為37.80%時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)在壓密階段小幅增加，彈性及屈服階段緩慢增加、峰后破壞階段突增；當(dāng)損傷程度為100%時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)在峰前各個(gè)階段均呈線性增加趨勢(shì)，僅在峰后破壞階段小幅度突增。隨著試樣損傷程度增加，振鈴計(jì)數(shù)由階段性遞增轉(zhuǎn)變?yōu)榧虞d全過(guò)程迅速增加，且峰后大幅突增現(xiàn)象不明顯。

圖7 損傷試樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)演化規(guī)律Fig.7 AE ringing count evolution law of damaged specimens

圖8 為損傷試樣聲發(fā)射能量演化規(guī)律。隨著應(yīng)力增加，聲發(fā)射能量呈先緩慢增加而后快速增加，最終在峰后破壞階段呈現(xiàn)突增演化趨勢(shì)。當(dāng)損傷程度為9.51%時(shí)，能量在壓密及彈性階段緩慢增加，而在屈服階段出現(xiàn)小幅突增后迅速增加，并在峰后破壞階段出現(xiàn)多次突增，累積能量最終達(dá)16.1×10-10aJ；當(dāng)損傷程度為37.80%時(shí)，能量在峰前各階段均緩慢增加，但在峰后破壞階段迅速增加，最終達(dá)到0.6×10-10aJ；當(dāng)損傷程度為100%時(shí)，能量演化規(guī)律與損傷程度37.80%試樣類似，在峰后破壞階段突增至2.6×10-10aJ。隨著損傷程度增加，聲發(fā)射能量在屈服階段由小幅突增轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖僭黾印?/p>

圖8 損傷試樣聲發(fā)射能量演化規(guī)律Fig.8 AE energy evolution law of damaged specimens

3 損傷巖石聲發(fā)射響應(yīng)機(jī)制探討

3.1 b 值與S 值

聲發(fā)射b值反映了巖石內(nèi)部不同尺度裂隙的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)b值在小范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，巖石以漸進(jìn)式穩(wěn)定破壞為主，若b值發(fā)生大幅度波動(dòng)，則巖石內(nèi)部裂隙迅速擴(kuò)展造成突發(fā)式失穩(wěn)[18]。計(jì)算巖石聲發(fā)射b值公式[22]如下：

圖9 為損傷試樣聲發(fā)射b值演化規(guī)律。在加載過(guò)程中b值均呈波動(dòng)式發(fā)展趨勢(shì)，但不同損傷程度粉砂巖試樣的b值演化特征區(qū)別明顯。當(dāng)損傷程度為9.51%，b值在壓密及彈性階段呈小幅度波動(dòng)，而在屈服階段突增，在峰后破壞階段達(dá)到峰值；當(dāng)損傷程度為37.80%，b值在壓密階段波動(dòng)增加，而在彈性階段波動(dòng)減小，在屈服及峰后破壞階段快速增大直至峰值；當(dāng)損傷程度為100%，b值在壓密階段突增，而在屈服及峰后破壞階段逐漸減小。隨著粉砂巖損傷程度增加，b值峰值區(qū)由峰后破壞階段向壓密階段轉(zhuǎn)移，即主控裂隙成形階段會(huì)更早出現(xiàn)。

圖9 損傷試樣聲發(fā)射b 值演化規(guī)律Fig.9 AE b value evolution law of damaged specimens

由此可見(jiàn)，當(dāng)巖石損傷程度較小時(shí)，b值在壓密以及彈性階段小幅波動(dòng)，僅在屈服及峰后破壞階段突增，即產(chǎn)生突發(fā)式失穩(wěn)；當(dāng)巖石損傷程度較大時(shí)，b值在壓密階段突增，而在彈性直至峰后破壞階段呈波動(dòng)式減小趨勢(shì)，表明其在壓密階段已處于非穩(wěn)定劣化狀態(tài)，造成破壞階段突發(fā)式失穩(wěn)特征不明顯。需注意的是，當(dāng)巖石損傷程度較小時(shí)，b值在屈服階段突增預(yù)示了巖石即將產(chǎn)生破壞，而當(dāng)巖石損傷程度較大時(shí)，這一現(xiàn)象不明顯。因此，不同損傷程度巖石破壞失穩(wěn)前兆具有一定區(qū)別，應(yīng)結(jié)合其他聲發(fā)射參數(shù)演化特征進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。

聲發(fā)射S值反映巖體內(nèi)部聲發(fā)射源集中程度和能量尺度，計(jì)算巖石聲發(fā)射S值公式[23]如下：

圖10 為損傷試樣聲發(fā)射S值演化規(guī)律。S值隨著應(yīng)力增加經(jīng)歷了先減小再波動(dòng)變化，然后突增，最后達(dá)到峰值后減小的變化趨勢(shì)，但不同損傷程度粉砂巖試樣的S值演化特征區(qū)別明顯。當(dāng)損傷程度為9.51%時(shí)，S值在壓密階段逐漸減小，彈性及屈服階段維持在0.1～0.2，峰后破壞階段出現(xiàn)突增現(xiàn)象；當(dāng)損傷程度為37.80%時(shí)，S值在壓密及彈性階段呈波動(dòng)式變化特征，直至在屈服階段出現(xiàn)突增而后在峰后破壞階段達(dá)到最大值；當(dāng)損傷程度為100%時(shí)，S值在壓密及彈性階段為0.32～0.36，在屈服階段開(kāi)始增大直至在峰后破壞階段達(dá)到最大值。隨著試樣損傷程度增加，在加載前中期聲發(fā)射S值由低位中幅度波動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶恍》炔▌?dòng)。

圖10 損傷試樣聲發(fā)射S 值演化規(guī)律Fig.10 AE S value evolution law of damaged specimens

由此可見(jiàn)，當(dāng)巖石損傷程度較小時(shí)，S值在峰前階段呈低位中高幅度波動(dòng)，而當(dāng)巖石損傷程度較大時(shí)，S值在峰前階段呈高位小幅度波動(dòng)，表明損傷程度較小巖石在峰前階段主要產(chǎn)生穩(wěn)定破壞，損傷程度較大巖石在峰前階段產(chǎn)生非穩(wěn)定破壞。

3.2 主頻特征

圖11 為損傷試樣聲發(fā)射主頻演化規(guī)律。主頻整體呈橫向條帶狀分布，在壓密及彈性階段主頻條帶相對(duì)較少，在屈服階段明顯增多，尤其在峰后破壞階段出現(xiàn)多個(gè)主頻信號(hào)帶，其中低頻高能信號(hào)主要分布在壓密及峰后破壞階段，但不同損傷程度試樣的主頻演化特征具有明顯差異。由圖11a、圖11b 可知，當(dāng)損傷程度為9.51%時(shí)，主頻在壓密階段密集、彈性階段較少，在屈服階段開(kāi)始增多直至在峰后破壞階段密集分布，主頻頻率主要分布在20～60、90～130 和250～300 kHz，在整個(gè)加載過(guò)程中以0～100 kHz 低頻信號(hào)為主，占比均達(dá)到80%以上，100～300、300 kHz 以上的中高頻信號(hào)較少，占比均低于10%。由圖11c、圖11d 可知，當(dāng)損傷程度為37.80%時(shí)，主頻演化規(guī)律與之類似，但出現(xiàn)了400～500 kHz 的高頻低能信號(hào)帶，即高頻信號(hào)占比明顯增加，在彈性變形階段占比達(dá)到30%以上；由圖11e、圖11f 可知，當(dāng)損傷程度為62.69%時(shí)，新出現(xiàn)了480～520、600～720和790～880 kHz 高頻低能信號(hào)帶，高頻信號(hào)占比進(jìn)一步增加，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線各個(gè)階段占比達(dá)到70%以上；由圖11g、圖11h 可知，當(dāng)損傷程度為100%時(shí)，高頻信號(hào)帶頻率轉(zhuǎn)變?yōu)?00～580、590～770 和780～880 kHz，在加載全過(guò)程高頻信號(hào)占比超過(guò)80%。

圖11 損傷試樣聲發(fā)射主頻演化規(guī)律及分布特征Fig.11 AE dominant frequency evolution law and distribution characteristics of damaged siltstone specimens

可見(jiàn)，當(dāng)試樣損傷程度較小時(shí)，在壓密及彈性階段以低頻低能信號(hào)為主、高頻低能信號(hào)零星出現(xiàn)，在屈服階段開(kāi)始出現(xiàn)低頻高能信號(hào)，最后在峰后階段出現(xiàn)大量低頻高能信號(hào)。而當(dāng)損傷程度較大時(shí)，在壓密、彈性、屈服以及峰后階段均出現(xiàn)大量的高頻低能信號(hào)，在壓密以及峰后階段出現(xiàn)低頻高能信號(hào)。學(xué)者普遍認(rèn)為，晶間滑移引起的摩擦型聲發(fā)射主頻小，新生裂隙發(fā)育引起的破裂型聲發(fā)射主頻高，而宏觀裂紋擴(kuò)展與摩擦的混合型聲發(fā)射主頻頻帶較寬[28]。當(dāng)損傷程度較小時(shí)，聲發(fā)射以低頻信號(hào)為主、高頻信號(hào)零星出現(xiàn)，主頻頻帶在壓密及彈性階段相對(duì)較窄、在屈服以及峰后破壞階段變寬，表明巖石劣化過(guò)程以晶間滑移為主；當(dāng)損傷程度較大時(shí)，聲發(fā)射出現(xiàn)大量高頻低能信號(hào)，且高頻低能信號(hào)帶持續(xù)整個(gè)加載過(guò)程，表明巖石破壞過(guò)程以裂隙發(fā)育為主。

3.3 聲發(fā)射響應(yīng)機(jī)制

圖12 為不同損傷程度巖石聲發(fā)射響應(yīng)機(jī)制示意圖。損傷程度較小時(shí)，在壓密及彈性階段產(chǎn)生晶間滑移摩擦，聲發(fā)射b值和S值呈低幅小范圍波動(dòng)、低能高頻信號(hào)零星出現(xiàn)；在屈服階段裂隙貫通形成裂紋，b值和S值開(kāi)始增大、低頻高能信號(hào)增多；在峰后破壞階段裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致巖石破壞，b值和S值達(dá)到最大值、低頻高能信號(hào)密集出現(xiàn)。損傷程度較大時(shí)，在壓密及彈性階段其內(nèi)部裂隙已開(kāi)始不斷發(fā)育，b值突增后大幅度波動(dòng)、S值維持在中幅小范圍波動(dòng)、高頻低能信號(hào)密集出現(xiàn)且頻帶較寬；在屈服階段裂隙貫通形成裂紋，b值大幅度波動(dòng)、S值開(kāi)始增大、高頻低能信號(hào)較密集；在峰后破壞階段裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致試樣破壞，b值逐漸減小、S值先增大后減小、低頻高能信號(hào)出現(xiàn)。

圖12 不同損傷程度巖石聲發(fā)射響應(yīng)機(jī)制Fig.12 AE response mechanism of rocks in different damage degrees

由此可見(jiàn)，不同損傷程度巖石破裂過(guò)程有明顯區(qū)別，晶間滑移、裂隙發(fā)育、裂紋擴(kuò)展等行為對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射響應(yīng)特征明顯不同。為了便于分析，將b值、S值以及主頻頻率認(rèn)為是聲發(fā)射活躍度，主頻信號(hào)的能量認(rèn)為是聲發(fā)射強(qiáng)度。據(jù)此可將不同損傷程度巖石聲發(fā)射響應(yīng)機(jī)制總結(jié)為：損傷程度小時(shí)，巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育少，峰前階段以漸進(jìn)式穩(wěn)定變形為主，聲發(fā)射信號(hào)活躍度低、強(qiáng)度??；損傷程度大時(shí)，巖石內(nèi)部裂隙密度增多，峰前階段以突發(fā)式非穩(wěn)定變形為主，聲發(fā)射信號(hào)活躍度高、強(qiáng)度大。

以上對(duì)不同損傷程度的巖石波速及聲發(fā)射參數(shù)演化特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射參數(shù)以及波速隨著巖石損傷程度變化具有明顯的規(guī)律性，可通過(guò)監(jiān)測(cè)巖石的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、能量、b和S值等參數(shù)演化趨勢(shì)定性評(píng)估其損傷程度[29-30]。而不同損傷程度試樣的聲發(fā)射主頻信號(hào)演化特征更便于量化評(píng)估，本次試驗(yàn)選取的粉砂巖試樣在其損傷程度較大時(shí)，聲發(fā)射高頻低能(400～800 kHz、0～250 aJ)信號(hào)由零星出現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榧虞d全過(guò)程中密集分布，在圖11 中，當(dāng)巖石損傷程度為37.80%時(shí)，在加載過(guò)程中0～100 kHz 的主頻數(shù)量占比為61.79%～80.59%，當(dāng)巖石損傷程度為62.69%時(shí)，300 kHz 以上的主頻數(shù)量明顯增加，數(shù)量占比為73.34%～86.17%，且隨著損傷程度增加，主頻頻率的最大值同樣在不斷增大，當(dāng)巖石損傷程度分別為9.51%、37.80%、62.69%、100%時(shí)，加載過(guò)程中主頻頻率的最大值分別為310、510、840、880 kHz，這一特征也可作為識(shí)別巖石損傷程度的指標(biāo)之一。需注意的是，本次試驗(yàn)只選取了粉砂巖作為試樣，不同巖性巖石受載過(guò)程中的損傷破裂過(guò)程存在一定差別[31-34]。由此導(dǎo)致聲發(fā)射參數(shù)規(guī)律演化也產(chǎn)生差異，后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)其他類型損傷巖石的聲發(fā)射演化規(guī)律及響應(yīng)特征進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

a.開(kāi)展不同損傷程度巖石的單軸加載試驗(yàn)，其聲發(fā)射特征參數(shù)及縱波波速演化規(guī)律顯示：損傷試樣縱波波速隨著損傷程度增加呈線性減小趨勢(shì)，但聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)由階段性遞增轉(zhuǎn)變?yōu)榧虞d全過(guò)程迅速增加，聲發(fā)射能量在屈服階段由小幅度突增轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖僭黾?，聲發(fā)射b值峰值區(qū)由峰后破壞階段向壓密階段轉(zhuǎn)移，S值在壓密至屈服階段由低位中幅度波動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶恍》炔▌?dòng)?？蓪⑦@些參數(shù)作為定性評(píng)估巖石損傷程度的指標(biāo)。

b.基于聲發(fā)射主頻信號(hào)演化特征劃分了損傷巖石破裂類型。隨著試樣損傷程度增加，巖石破壞過(guò)程由晶間滑移主導(dǎo)型轉(zhuǎn)變?yōu)榱严栋l(fā)育主導(dǎo)型，導(dǎo)致聲發(fā)射高頻低能(400～800 kHz、0～250 aJ)信號(hào)由零星出現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榧虞d全過(guò)程中密集分布，以及高頻信號(hào)帶變寬。高頻低能信號(hào)的出現(xiàn)可作為定量評(píng)價(jià)巖石損傷程度的指標(biāo)。

c.揭示了不同損傷程度巖石破裂聲發(fā)射響應(yīng)機(jī)制。損傷巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育程度不同是導(dǎo)致聲發(fā)射響應(yīng)機(jī)制差異化的根本原因，巖石內(nèi)部裂隙密度隨著損傷程度增加而增大，造成其在受載過(guò)程中由漸進(jìn)式穩(wěn)定破壞模式向突發(fā)式非穩(wěn)定破壞模式轉(zhuǎn)變，以及加載過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)活躍度及強(qiáng)度增強(qiáng)。

符號(hào)注釋：

a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，震級(jí)間隔取0.2，起算震級(jí)大小為2；A為聲發(fā)射幅值，dB；b為表征聲發(fā)射活動(dòng)水平的物理量；D為基于耗散能密度占比定義的損傷變量，用于評(píng)估試樣的損傷程度，%；ms為統(tǒng)計(jì)窗口最大聲發(fā)射事件幅值的震級(jí)；msi為第i個(gè)聲發(fā)射事件幅值的震級(jí)；n為震級(jí)間隔下的聲發(fā)射統(tǒng)計(jì)累積頻次，即為標(biāo)準(zhǔn)化的幅值大于等于統(tǒng)計(jì)震級(jí)的聲發(fā)射數(shù)量；N為最終循環(huán)次數(shù)；Ni為第i次循環(huán)；ui為第i次循環(huán)中巖石存儲(chǔ)的輸入能密度，J/m3；uie為第i次循環(huán)中巖石存儲(chǔ)的彈性能密度，J/m3；uid為第i次循環(huán)中巖石耗散能密度，J/m3；ε為循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線上某一點(diǎn)應(yīng)變值；ε0為第i輪循環(huán)起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值；εi為第i輪循環(huán)應(yīng)力峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值；εie為第i輪循環(huán)卸載至0 點(diǎn)的應(yīng)變值；σ為循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線上某一點(diǎn)應(yīng)力值，MPa。