工程科学学报.第41卷.第11期：1422-1432.2019年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.11:1422-1432,November 2019 D0L:10.13374/.issn2095-9389.2018.11.29.005,http://journals.ustb.edu.cn 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 刘希灵)四，刘周，李夕兵)，韩梦思，杨柳青) 1)中南大学资源与安全工程学院，长沙4100832)中南大学材料科学与工程学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:Ixlenglish@163.com 摘要通过开展花岗岩和大理岩巴西圆盘声发射试验，结合扫描电镜进行破裂面微观形貌分析，探讨了劈裂荷载下岩石声 发射特性与微观破裂机制的关系.结果表明：基于RA(上升时间与幅值的比值)和AF(平均频率)的变化趋势，不同裂纹模式 (拉伸裂纹、剪切裂纹以及复合裂纹)的分布和破坏强度受岩石结构影响，但岩石裂纹演化过程不受其影响.相应地，两种岩 样破裂信号均以400~499kHz为主，100~199kHz的信号次之，但不同破裂阶段的峰值频率变化趋势显著不同.在微观形貌 上，花岗岩劈裂面的微观形貌以层叠状、台阶状及平坦状为主：而大理岩以光滑多面体状为主.此外，结合频率一尺度缩放关 系可推测.400~499kHz的信号应主要来自钾长石、大理岩矿物颗粒内部的破裂：100~199kHz的信号应主要来自石英矿物 颗粒内部不连续分离以及压密阶段矿物颗粒之间的滑移. 关键词巴西劈裂：扫描电镜：RA值：频率特性：微观形貌 分类号TD76 Acoustic emission and micro-rupture characteristics of rocks under Brazilian splitting load LIU Xi-ling,LIU Zhou,LI Xi-bing,HAN Meng-si.YANG Liu-qing? 1)School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China 2)School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:Ixlenglish@163.com ABSTRACT Considering the polycrystalline and anisotropic features of rock,its mechanical failure actually involves the generation, propagation,and penetration of internal micro-cracks until an ultimate macro-fracture is achieved.The nucleation and propagation of cracks emits energy outward as elastic waves referred to as acoustic emission(AE).The close relationship between AE signals and the rock fracture mechanism has been demonstrated.Many instability and failure processes in underground engineering are induced by the effects of tensile stress on tunnels and chambers or local damage to the rock structure.Several compression experiments show that the main fracture mode of rock is tensile failure.Thus,investigations of rock AE characteristics under tensile failure and the effects of the rock fabric on crack propagation patterns are of great significance.This study assesses the signal characteristics AE and its relationship with the micro-rupture mechanisms in granite and marble under tensile stress.Herein,an MTS-322 rock mechanical test system was employed to carry out Brazilian split tests,and a scanning electron microscope was employed to carry out micro-morphological analysis of rupture surfaces.According to the trends of RA and AF,the distribution of crack modes-tensile and shear or mixed patterns in both rock types and its fracture strength depend on the rock fabric.By contrast,the evolution process of crack propagation appears to depend on the softening process.Although the rock fracture signals are mainly in the range of 400-499 kHz and 100-199 kHz,the variation trend of peak frequency shows significant differences at different failure stages.At the microtopographic level,granite mainly shows 收稿日期：2018-11-29 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016Y℉C0600706):中南大学研究生自由探索创新资助项目(2018zzs757)
劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 刘希灵1) 苣，刘 周1)，李夕兵1)，韩梦思1)，杨柳青2) 1) 中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083 2) 中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083 苣通信作者，E-mail：lxlenglish@163.com 摘 要 通过开展花岗岩和大理岩巴西圆盘声发射试验，结合扫描电镜进行破裂面微观形貌分析，探讨了劈裂荷载下岩石声 发射特性与微观破裂机制的关系. 结果表明：基于 RA（上升时间与幅值的比值）和 AF（平均频率）的变化趋势，不同裂纹模式 （拉伸裂纹、剪切裂纹以及复合裂纹）的分布和破坏强度受岩石结构影响，但岩石裂纹演化过程不受其影响. 相应地，两种岩 样破裂信号均以 400～499 kHz 为主，100～199 kHz 的信号次之，但不同破裂阶段的峰值频率变化趋势显著不同. 在微观形貌 上，花岗岩劈裂面的微观形貌以层叠状、台阶状及平坦状为主；而大理岩以光滑多面体状为主. 此外，结合频率−尺度缩放关 系可推测，400～499 kHz 的信号应主要来自钾长石、大理岩矿物颗粒内部的破裂；100～199 kHz 的信号应主要来自石英矿物 颗粒内部不连续分离以及压密阶段矿物颗粒之间的滑移. 关键词 巴西劈裂；扫描电镜；RA 值；频率特性；微观形貌 分类号 TD76 Acoustic emission and micro-rupture characteristics of rocks under Brazilian splitting load LIU Xi-ling1) 苣 ，LIU Zhou1) ，LI Xi-bing1) ，HAN Meng-si1) ，YANG Liu-qing2) 1) School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China 2) School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China 苣 Corresponding author, E-mail: lxlenglish@163.com ABSTRACT Considering the polycrystalline and anisotropic features of rock, its mechanical failure actually involves the generation, propagation, and penetration of internal micro-cracks until an ultimate macro-fracture is achieved. The nucleation and propagation of cracks emits energy outward as elastic waves referred to as acoustic emission (AE). The close relationship between AE signals and the rock fracture mechanism has been demonstrated. Many instability and failure processes in underground engineering are induced by the effects of tensile stress on tunnels and chambers or local damage to the rock structure. Several compression experiments show that the main fracture mode of rock is tensile failure. Thus, investigations of rock AE characteristics under tensile failure and the effects of the rock fabric on crack propagation patterns are of great significance. This study assesses the signal characteristics AE and its relationship with the micro-rupture mechanisms in granite and marble under tensile stress. Herein, an MTS-322 rock mechanical test system was employed to carry out Brazilian split tests, and a scanning electron microscope was employed to carry out micro-morphological analysis of rupture surfaces. According to the trends of RA and AF, the distribution of crack modes-tensile and shear or mixed patterns in both rock types and its fracture strength depend on the rock fabric. By contrast, the evolution process of crack propagation appears to depend on the softening process. Although the rock fracture signals are mainly in the range of 400−499 kHz and 100−199 kHz, the variation trend of peak frequency shows significant differences at different failure stages. At the microtopographic level, granite mainly shows 收稿日期: 2018−11−29 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2016YFC0600706）；中南大学研究生自由探索创新资助项目（2018zzts757） 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期：1422−1432，2019 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 11: 1422−1432, November 2019 DOI：10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.29.005; http://journals.ustb.edu.cn
刘希灵等：劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 1423 three micro-morphologies,including laminated,stepwise,and smooth planar patterns.Marble is mostly smooth polyhedrals.The signals at 400-499 kHz may be inferred to be mainly generated by fractures in the k-feldspar and marble minerals,while those at 100-199 kHz are mainly produced by discontinuous separation among quartz mineral particles and slipping among mineral particles in the compaction stage. KEY WORDS Brazilian splitting tests;scanning electron microscope;RA values;frequency characteristic;micro morphology 在采矿和矿山地下开采实践中，下向胶结充 学性质等全部信息，更能全面地揭示岩石破坏机 填法是一种常用的金属利矿山采矿方法，充填顶板 制及破坏前兆叫，Bucheim!121指出岩石试样在剪切 的稳定性至关重要，而研究表明，充填顶板的稳定 斜面上破坏产生的AE信号具有频谱宽的特征，而 性很大程度上是受张拉破坏影响山，而且在实际地 在拉伸破坏下产生的信号则具有频谱窄的特征； 下工程中，大多数隧道、矿井巷道及酮室由于结构 张艳博等阿在煤矸石试验中发现AE信号始终有 本身局部损伤或整体承受较大的拉应力致使发生 两个主频带，在岩石破坏前主频值会发生突变.而 破坏或失稳.因此分析岩石的抗拉特性对实际工 在频谱分析中，峰值频率最为典型，更能评判岩石 程应用具有指导意义四 破裂特性间据此，Rodriguez和Celestino!!]结合 岩石受力破坏是其内部微观裂纹破裂萌生、 AE参数和时频特性分析对花岗岩和大理岩展开 扩展和贯通，直至最终发生宏观断裂的过程，由于 研究，进一步表明RA值能较好评判岩石裂纹扩展 其多晶、各向异性特征，内部含有天然的结构面 特性，相应的频率特性也具有显著差异，其中以大 (节理、夹层等)，当岩石内部或外部应力达到一定 理岩最为典型 程度时，会发生矿物颗粒、结构面的滑移和分离. 上述研究成果增进了人们对岩石破坏过程中 这些微观层面上的位错、晶体孪生、晶界面移动 AE信号特征的认识，但对张拉破坏下岩石声发射 以及宏观层面上的矿物颗粒、结构面的滑移和分 特性的研究较少，且一般采用同一岩性的试样，囊 离，都会以弹性波的形式向外辐射能量，伴随其破 括性较差，而岩石AE信号特征很大程度上受其内 坏过程中会产生声发射(AE)信号，其信号特征与 部结构影响，同时还与其所处的应力状态有关，不 岩石破裂机制具有密切关系).不同的力学响应 同岩性的岩石由于结构的差异性，在同种加载 特性，释放的AE信号理应具有显著差异，其中振 条件下，声发射特性也应具有一定区别.正是由于 铃计数、持续时间、上升时间、能量、幅值等作为 岩石结构的复杂性，受力后岩石最终宏观破裂 AE特征参数被广泛用于揭示岩石破裂机制.然 往往与其内部的微观结构及其微观裂纹扩展紧 而，研究已表明岩石加载前期AE活动较低，事 密相关，不同结构的破裂就会产生不同类型的 件率和累积能量都处于较低水平，随着载荷的增 声发射信号，从而在破裂断口处留下的微观形貌 加，由于裂纹聚集、成核，甚至贯通，AE事件大量 也就不尽相同，而对断口处形貌分析须结合扫描 增加，接近峰值时，事件率和累积能量瞬间突升， 电镜(SEM)来实现，如梁昌玉等以及Zhang和 不同岩性的岩石所表现出来的参数特征均比较相 Zhao利用扫描电镜研究了单轴压缩下岩石的 似，给岩石的破裂预测带来了困难，也无法揭示岩 微观破裂特性，均发现岩石的破裂机制取决于 石内部裂纹扩展特性.基于此，Shiotani等m引进 加载速率和岩石的微观结构.另外Manthei和 了新的参数RA值（上升时间与幅值的比值），通过 Alkan等7也认为岩石受压后其破裂模式主要是 此参数可以衡量岩石破坏模式，高RA值对应剪切 I型张拉破坏，90%的AE事件来自这种张拉作用 破坏，低RA值对应拉伸破坏；而在混凝土材料中， 下沿晶界的破坏，主要是因为岩石内部由不同的 往往结合AF值（平均频率）一起衡量其破裂模式， 矿物颗粒组成，矿物颗粒又是由无数晶体聚集而 AF值的降低说明破裂模式由拉伸模式转变为剪 成，一般来说，单个完整晶体的强度最高，晶体之 切模式，也可能与大裂纹张拉破坏有关圆后来肖 间耦合的强度次之，而矿物颗粒之间耦合的强度 福坤等9和Wang等Io利用RA值和AF值对砂 和结构面的强度最小.而且在压缩荷载下，由于岩 岩在拉伸和剪切荷载下破裂模式进行了分析，均 石的不均质性和内部缺陷，应力集中也会导致拉 得出剪切破坏对应高RA值、低AF值；拉伸破坏 伸裂纹的产生，由此研究拉应力作用下岩石内 对应低RA值、高AF值.与上述参数特征相比， 部裂纹扩展特性具有重要意义，不同结构中的张 AE频谱特性携带有岩石受力状态、结构、物理力 拉破裂究竟会释放出何种特征的弹性波信号，如
three micro-morphologies, including laminated, stepwise, and smooth planar patterns. Marble is mostly smooth polyhedrals. The signals at 400−499 kHz may be inferred to be mainly generated by fractures in the k-feldspar and marble minerals, while those at 100−199 kHz are mainly produced by discontinuous separation among quartz mineral particles and slipping among mineral particles in the compaction stage. KEY WORDS Brazilian splitting tests；scanning electron microscope；RA values；frequency characteristic；micro morphology 在采矿和矿山地下开采实践中，下向胶结充 填法是一种常用的金属矿山采矿方法，充填顶板 的稳定性至关重要，而研究表明，充填顶板的稳定 性很大程度上是受张拉破坏影响[1] ，而且在实际地 下工程中，大多数隧道、矿井巷道及硐室由于结构 本身局部损伤或整体承受较大的拉应力致使发生 破坏或失稳. 因此分析岩石的抗拉特性对实际工 程应用具有指导意义[2] . 岩石受力破坏是其内部微观裂纹破裂萌生、 扩展和贯通，直至最终发生宏观断裂的过程，由于 其多晶、各向异性特征，内部含有天然的结构面 （节理、夹层等），当岩石内部或外部应力达到一定 程度时，会发生矿物颗粒、结构面的滑移和分离. 这些微观层面上的位错、晶体孪生、晶界面移动 以及宏观层面上的矿物颗粒、结构面的滑移和分 离，都会以弹性波的形式向外辐射能量，伴随其破 坏过程中会产生声发射（AE）信号，其信号特征与 岩石破裂机制具有密切关系[3−5] . 不同的力学响应 特性，释放的 AE 信号理应具有显著差异，其中振 铃计数、持续时间、上升时间、能量、幅值等作为 AE 特征参数被广泛用于揭示岩石破裂机制. 然 而，研究已表明[6] 岩石加载前期 AE 活动较低，事 件率和累积能量都处于较低水平，随着载荷的增 加，由于裂纹聚集、成核，甚至贯通，AE 事件大量 增加，接近峰值时，事件率和累积能量瞬间突升， 不同岩性的岩石所表现出来的参数特征均比较相 似，给岩石的破裂预测带来了困难，也无法揭示岩 石内部裂纹扩展特性. 基于此，Shiotani 等[7] 引进 了新的参数 RA 值（上升时间与幅值的比值），通过 此参数可以衡量岩石破坏模式，高 RA 值对应剪切 破坏，低 RA 值对应拉伸破坏；而在混凝土材料中， 往往结合 AF 值（平均频率）一起衡量其破裂模式， AF 值的降低说明破裂模式由拉伸模式转变为剪 切模式，也可能与大裂纹张拉破坏有关[8] . 后来肖 福坤等[9] 和 Wang 等 [10] 利用 RA 值和 AF 值对砂 岩在拉伸和剪切荷载下破裂模式进行了分析，均 得出剪切破坏对应高 RA 值、低 AF 值；拉伸破坏 对应低 RA 值、高 AF 值. 与上述参数特征相比， AE 频谱特性携带有岩石受力状态、结构、物理力 学性质等全部信息，更能全面地揭示岩石破坏机 制及破坏前兆[11] ，Bucheim[12] 指出岩石试样在剪切 斜面上破坏产生的 AE 信号具有频谱宽的特征，而 在拉伸破坏下产生的信号则具有频谱窄的特征； 张艳博等[6] 在煤矸石试验中发现 AE 信号始终有 两个主频带，在岩石破坏前主频值会发生突变. 而 在频谱分析中，峰值频率最为典型，更能评判岩石 破裂特性 [5] . 据此 ， Rodríguez 和 Celestino[13] 结 合 AE 参数和时频特性分析对花岗岩和大理岩展开 研究，进一步表明 RA 值能较好评判岩石裂纹扩展 特性，相应的频率特性也具有显著差异，其中以大 理岩最为典型. 上述研究成果增进了人们对岩石破坏过程中 AE 信号特征的认识，但对张拉破坏下岩石声发射 特性的研究较少，且一般采用同一岩性的试样，囊 括性较差，而岩石 AE 信号特征很大程度上受其内 部结构影响，同时还与其所处的应力状态有关，不 同岩性的岩石由于结构的差异性，在同种加载 条件下，声发射特性也应具有一定区别. 正是由于 岩石结构的复杂性，受力后岩石最终宏观破裂 往往与其内部的微观结构及其微观裂纹扩展紧 密相关，不同结构的破裂就会产生不同类型的 声发射信号，从而在破裂断口处留下的微观形貌 也就不尽相同，而对断口处形貌分析须结合扫描 电镜（SEM）来实现，如梁昌玉等[14] 以及 Zhang 和 Zhao[15] 利用扫描电镜研究了单轴压缩下岩石的 微观破裂特性，均发现岩石的破裂机制取决于 加载速率和岩石的微观结构. 另外 Manthei[16] 和 Alkan 等[17] 也认为岩石受压后其破裂模式主要是 I 型张拉破坏，90% 的 AE 事件来自这种张拉作用 下沿晶界的破坏，主要是因为岩石内部由不同的 矿物颗粒组成，矿物颗粒又是由无数晶体聚集而 成，一般来说，单个完整晶体的强度最高，晶体之 间耦合的强度次之，而矿物颗粒之间耦合的强度 和结构面的强度最小. 而且在压缩荷载下，由于岩 石的不均质性和内部缺陷，应力集中也会导致拉 伸裂纹的产生[13] ，由此研究拉应力作用下岩石内 部裂纹扩展特性具有重要意义，不同结构中的张 拉破裂究竟会释放出何种特征的弹性波信号，如 刘希灵等： 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 · 1423 ·
.1424 工程科学学报.第41卷，第11期 果结合AE测试和扫描电镜实验深入了解岩石微 表1岩样基本参数 观破裂机制和AE参数特性，将有利于认识岩石从 Table 1 Basic parameters of the rock samples 起裂发展至宏观破坏的裂纹演变过程以及张拉破 试样编号 直径mm高/mm 密度/人gcm) 波速/(ms) 裂特性 GI 48.41 49.95 2.61 4197.83 据此，本文分别对花岗岩和大理岩进行巴西 G2 48.57 50.36 2.63 4272.61 劈裂声发射实验，同时结合扫描电镜分析不同岩 G3 48.33 50.62 2.62 4211.35 石结构下断口形貌特征，利用RA-AF变化趋势及 MI 50.99 49.32 2.85 3825.41 峰值频率特性探讨张拉破坏下岩石的声发射特性 M2 50.35 48.19 2.78 3901.74 与对应的裂纹扩展规律，以及不同岩石结构对声 M3 50.79 48.57 2.85 3857.66 发射特性的影响，为实际地下工程声发射监测提 供丰富的理论依据 验前，通过透明薄片折射率实验对花岗岩和大理 岩的组成进行了测定，如图1所示，该花岗岩的主 1试验设计 要矿物成分为石英、钾长石、斜长石以及少量的 1.1试样制备 黑云母：大理岩的主要矿物成分为白云石和少量 本文试验选用花岗岩(G系列)和大理岩(M 的方解石，图l(a)中可以明显的看出多种矿物颗 系列)作为研究对象，制成直径和长均为50mm的 粒之间耦合，以及单一矿物颗粒内部的缺陷、空隙 圆柱形试样，同时利用岩石声波参数测试仪(HS- 等；而图1(b)中可以明显看出粒状变晶结构，白云 YS4A)对各岩样进行了纵波测量，结果见表1.试 石和方解石颗粒之间成紧密镶嵌结构 (a) (b) mm Qz一石英：Kfs一钾长石；Dol一白云石；Bt一黑云母：P一斜长石；Cl一方解石 图1两种岩石微观结构图.(a)花岗岩，(b)大理岩 Fig.I Micro-structures of rock samples in the transparent refractive index experiment:(a)granite,(b)marble 1.2试样方案及参数设置 业业业 试验所用的加载设备是MTS-322型加载系 上压板 统，加载速率设为30 kN-min,采样率设为50Hz 声发射测试设备为美国PAC公司的PCI-2声发射 声发射传感器 仪，参数设置如表2所示.另外传感器选用两个谐 裂纹 振频率为550kHz的PIC0型传感器，分别粘贴于 试样断面靠近劈裂中心位置，如图2所示 声发射传感器 钢丝垫条 表2声发射设备参数设置 下压板 Table 2 Parameter settings of the acoustic emission device 门槛值/前置增益/采样长度/采样频率/PDT/HLT/HDT/ 图2巴西劈裂传感器布置示意图 dB dB kb MHz μsμ4sμs Fig.2 Layout of AE sensors in the Brazilian split tests 40 40 10 50300200 由于劈裂试样较小，声发射信号在边界处的反射 其中门槛值40dB是基于前期开展的大量声 也会被传感器采集到.因此将门槛值提高至40B 发射实验，发现门槛值较低会有电流噪声，一般情 此外，在室内声发射实验中，通常震源的持续时间 况下在35dB以上就能抑制电流噪声，同时考虑到 要大于声发射信号在试样边界反射回传的时间
果结合 AE 测试和扫描电镜实验深入了解岩石微 观破裂机制和 AE 参数特性，将有利于认识岩石从 起裂发展至宏观破坏的裂纹演变过程以及张拉破 裂特性. 据此，本文分别对花岗岩和大理岩进行巴西 劈裂声发射实验，同时结合扫描电镜分析不同岩 石结构下断口形貌特征，利用 RA-AF 变化趋势及 峰值频率特性探讨张拉破坏下岩石的声发射特性 与对应的裂纹扩展规律，以及不同岩石结构对声 发射特性的影响，为实际地下工程声发射监测提 供丰富的理论依据. 1 试验设计 1.1 试样制备 本文试验选用花岗岩 (G 系列) 和大理岩 (M 系列) 作为研究对象，制成直径和长均为 50 mm 的 圆柱形试样，同时利用岩石声波参数测试仪（HSYS4A）对各岩样进行了纵波测量，结果见表 1. 试 验前，通过透明薄片折射率实验对花岗岩和大理 岩的组成进行了测定，如图 1 所示，该花岗岩的主 要矿物成分为石英、钾长石、斜长石以及少量的 黑云母；大理岩的主要矿物成分为白云石和少量 的方解石，图 1(a) 中可以明显的看出多种矿物颗 粒之间耦合，以及单一矿物颗粒内部的缺陷、空隙 等；而图 1(b) 中可以明显看出粒状变晶结构，白云 石和方解石颗粒之间成紧密镶嵌结构. 1.2 试样方案及参数设置 试验所用的加载设备是 MTS-322 型加载系 统，加载速率设为 30 kN·min−1，采样率设为 50 Hz. 声发射测试设备为美国 PAC 公司的 PCI-2 声发射 仪，参数设置如表 2 所示. 另外传感器选用两个谐 振频率为 550 kHz 的 PICO 型传感器，分别粘贴于 试样断面靠近劈裂中心位置，如图 2 所示. 其中门槛值 40 dB 是基于前期开展的大量声 发射实验，发现门槛值较低会有电流噪声，一般情 况下在 35 dB 以上就能抑制电流噪声，同时考虑到 由于劈裂试样较小，声发射信号在边界处的反射 也会被传感器采集到，因此将门槛值提高至 40 dB. 此外，在室内声发射实验中，通常震源的持续时间 要大于声发射信号在试样边界反射回传的时间， 表 1 岩样基本参数 Table 1 Basic parameters of the rock samples 试样编号 直径/mm 高/mm 密度/(g·cm−3) 波速/(m·s−1) G1 48.41 49.95 2.61 4197.83 G2 48.57 50.36 2.63 4272.61 G3 48.33 50.62 2.62 4211.35 M1 50.99 49.32 2.85 3825.41 M2 50.35 48.19 2.78 3901.74 M3 50.79 48.57 2.85 3857.66 表 2 声发射设备参数设置 Table 2 Parameter settings of the acoustic emission device 门槛值/ dB 前置增益/ dB 采样长度/ kb 采样频率/ MHz PDT/ µs HLT/ µs HDT/ µs 40 40 5 10 50 300 200 (a) Kfs Kfs Qtz Qtz Pl Pl 1 mm 1 mm Qtz Qtz Bt Bt (b) Qtz—石英; Kfs—钾长石; Dol—白云石; Bt—黑云母; PI—斜长石; Cal—方解石 图 1 两种岩石微观结构图. （a）花岗岩; （b）大理岩 Fig.1 Micro-structures of rock samples in the transparent refractive index experiment: (a) granite; (b) marble 上压板 下压板 声发射传感器 声发射传感器 裂纹 钢丝垫条 图 2 巴西劈裂传感器布置示意图 Fig.2 Layout of AE sensors in the Brazilian split tests · 1424 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期
刘希灵等：劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 1425 因此，即使反射波信号超过了门槛值，也会与震源 免单个撞击信号中包含其他撞击信号，影响分析 信号一起被传感器采集，但是反射信号的能量在 结果.鉴于劈裂荷载下岩石破裂高频特性，根据奈 整个信号中占比较小.虽然反射信号对整个信号 奎斯特采样定律，选取较高的采样频率，可以避免 的能量、计数等参数有影响，但对整个信号的幅 高频信号的缺失.另外，本文是通过声发射设备本 值、峰值频率没有影响.而且在加载后期裂纹成 身具有的带通滤波器进行高频降噪处理，以达到 核并形成宏观破裂面时，会有不同信号叠加，但是 信号有效采集的目的 这在声发射实验中是不可避免的，并且由于传感 2试验结果分析 器距破裂优势面较近，信号传播过程中衰减较小， 则撞击信号波形持续时间较长，选择较高的 2.1声发射信号的RA-AF特性 HLT(一个撞击(hit)闭锁时间)可以采集到单个完 一般情况下，岩石的抗拉强度远低于抗压强 整撞击信号，HDT(一个撞击(hit)定义时间)的正 度.在巴西劈裂实验过程中，两种岩石试样均沿加 确设置将确保一个AE信号反映到系统中的是一 载方向岩样中心面形成对径拉伸破坏，破裂面明 个且仅为一个hit,而且劈裂荷载下岩石破裂信号 显分离成两块，在表面间没有错动，且无小碎片及 具有明显地突发性特征，信号峰值的间隔时间较 碎屑产生，其破坏效果如图3所示，属于典型的拉 短，选择较低的PDT(信号峰值定义时间)，可以避 伸破坏，符合线弹性叠加原理) (3) (b 图3巴西劈裂实验中两种岩石的破坏形态.()花岗岩，(b)大理岩 Fig.3 Failure form of granite and marble in the Brazilian split test:(a)granite;(b)marble 在声发射特性研究中，特征参数分析是信号 波形而丧失整个波形信息的缺陷，于是，RA-AF的 处理常用的方法，其中，RA值（上升时间与幅值的 分布特征可以很好的衡量波形的特征，拉伸破坏 比值，单位msV)常用来表征声发射源的产生机 产生的信号一般具有低RA值、高AF值的特征， 制.在混凝土材料的声发射实验中，RA值已经成 而剪切破坏产生的信号一般具有高RA值、低AF 为破裂类型评判的重要参数叭，并且RA值常与平 值的特征 均频率(AF,计数与持续时间的比值，单位kHz)一 图4表示了巴西劈裂荷载下两种岩石RA和 起来分析岩石的破裂模式-0,1)，这说明RA值同 AF参数随时间变化的典型趋势.在压密阶段，由 样可以作为衡量岩石破裂模式的指标，高RA值、 于压应力的作用，裂纹的闭合和滑移致使产生较 低AF值对应剪切破坏，低RA值、高AF值对应拉 高RA值和较低AF值的信号，随拉应力的主导作 伸破坏.RA值的大小一定程度上反应了信号的突 用.微观裂纹开始起裂，RA值随之减小，AF值逐 发性（突发型的还是持续型的），RA值是上升时间 渐增大，即拉裂纹起主导地位.其中大理岩的RA 段信号包络线梯度的倒数，RA值越小说明信号波 值和AF值变化幅度高于花岗岩，这可能源于花岗 形的梯度越大，波形越具有突发型信号的特征，这 岩中的石英颗粒更容易发生剪切滑移现象20，然 种脉冲就越窄，从而频率会较高，这种信号正符合 而在临界破坏时，由于岩石的软化作用，RA值却 拉伸破坏产生的信号特征，当然RA值也不能完全 迅速增大，AF值迅速减小，如此趋势类似于其他 确定脉冲有很大的突发性或较窄，而另外一个参 文献[13).这主要是因为在劈裂荷载下，未破坏区 数AF值是计数与持续时间的比值，如果计数固 域的裂纹首先扩展，当微裂纹开始合并形成平行 定，持续时间越长则脉冲越宽，信号的频率就越 于加载方向的宏观裂纹时，由于内部损伤的加剧 低，而此时的AF值也越小；如果持续时间固定，计 微裂隙界面彼此相互移动，因裂纹具有弯曲和非 数越多则信号频率越高，而此时AF值也越大.因 对称性特点，微裂隙界面间会发生摩擦，致使较短 此，AF值的大小可在一定程度上衡量整个脉冲的 时间内产生剪切裂纹或复合裂纹，导致RA值增 频率特性，这就弥补了RA值只关注上升时间段的 加、AF值降低.值得注意的是，当应力达到60%
因此，即使反射波信号超过了门槛值，也会与震源 信号一起被传感器采集，但是反射信号的能量在 整个信号中占比较小. 虽然反射信号对整个信号 的能量、计数等参数有影响，但对整个信号的幅 值、峰值频率没有影响. 而且在加载后期裂纹成 核并形成宏观破裂面时，会有不同信号叠加，但是 这在声发射实验中是不可避免的. 并且由于传感 器距破裂优势面较近，信号传播过程中衰减较小， 则 撞 击 信 号 波 形 持 续 时 间 较 长 ， 选 择 较 高 的 HLT（一个撞击（hit）闭锁时间）可以采集到单个完 整撞击信号，HDT（一个撞击（hit）定义时间）的正 确设置将确保一个 AE 信号反映到系统中的是一 个且仅为一个 hit，而且劈裂荷载下岩石破裂信号 具有明显地突发性特征，信号峰值的间隔时间较 短，选择较低的 PDT（信号峰值定义时间），可以避 免单个撞击信号中包含其他撞击信号，影响分析 结果. 鉴于劈裂荷载下岩石破裂高频特性，根据奈 奎斯特采样定律，选取较高的采样频率，可以避免 高频信号的缺失. 另外，本文是通过声发射设备本 身具有的带通滤波器进行高频降噪处理，以达到 信号有效采集的目的. 2 试验结果分析 2.1 声发射信号的 RA-AF 特性 一般情况下，岩石的抗拉强度远低于抗压强 度. 在巴西劈裂实验过程中，两种岩石试样均沿加 载方向岩样中心面形成对径拉伸破坏，破裂面明 显分离成两块，在表面间没有错动，且无小碎片及 碎屑产生，其破坏效果如图 3 所示，属于典型的拉 伸破坏，符合线弹性叠加原理[18] . 在声发射特性研究中，特征参数分析是信号 处理常用的方法，其中，RA 值（上升时间与幅值的 比值，单位 ms·V−1）常用来表征声发射源的产生机 制. 在混凝土材料的声发射实验中，RA 值已经成 为破裂类型评判的重要参数[19] ，并且 RA 值常与平 均频率（AF，计数与持续时间的比值，单位 kHz）一 起来分析岩石的破裂模式[7−10, 13] ，这说明 RA 值同 样可以作为衡量岩石破裂模式的指标，高 RA 值、 低 AF 值对应剪切破坏，低 RA 值、高 AF 值对应拉 伸破坏. RA 值的大小一定程度上反应了信号的突 发性（突发型的还是持续型的），RA 值是上升时间 段信号包络线梯度的倒数，RA 值越小说明信号波 形的梯度越大，波形越具有突发型信号的特征，这 种脉冲就越窄，从而频率会较高，这种信号正符合 拉伸破坏产生的信号特征，当然 RA 值也不能完全 确定脉冲有很大的突发性或较窄. 而另外一个参 数 AF 值是计数与持续时间的比值，如果计数固 定，持续时间越长则脉冲越宽，信号的频率就越 低，而此时的 AF 值也越小；如果持续时间固定，计 数越多则信号频率越高，而此时 AF 值也越大. 因 此，AF 值的大小可在一定程度上衡量整个脉冲的 频率特性，这就弥补了 RA 值只关注上升时间段的 波形而丧失整个波形信息的缺陷，于是，RA-AF 的 分布特征可以很好的衡量波形的特征，拉伸破坏 产生的信号一般具有低 RA 值、高 AF 值的特征， 而剪切破坏产生的信号一般具有高 RA 值、低 AF 值的特征. 图 4 表示了巴西劈裂荷载下两种岩石 RA 和 AF 参数随时间变化的典型趋势. 在压密阶段，由 于压应力的作用，裂纹的闭合和滑移致使产生较 高 RA 值和较低 AF 值的信号，随拉应力的主导作 用，微观裂纹开始起裂，RA 值随之减小，AF 值逐 渐增大，即拉裂纹起主导地位. 其中大理岩的 RA 值和 AF 值变化幅度高于花岗岩，这可能源于花岗 岩中的石英颗粒更容易发生剪切滑移现象[20] ，然 而在临界破坏时，由于岩石的软化作用，RA 值却 迅速增大，AF 值迅速减小，如此趋势类似于其他 文献 [13]. 这主要是因为在劈裂荷载下，未破坏区 域的裂纹首先扩展，当微裂纹开始合并形成平行 于加载方向的宏观裂纹时，由于内部损伤的加剧， 微裂隙界面彼此相互移动，因裂纹具有弯曲和非 对称性特点，微裂隙界面间会发生摩擦，致使较短 时间内产生剪切裂纹或复合裂纹，导致 RA 值增 加、AF 值降低. 值得注意的是，当应力达到 60% (a) (b) 图 3 巴西劈裂实验中两种岩石的破坏形态. （a）花岗岩; （b）大理岩 Fig.3 Failure form of granite and marble in the Brazilian split test: (a) granite; (b) marble 刘希灵等： 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 · 1425 ·
1426 工程科学学报，第41卷，第11期 时，大理岩出现RA值小幅度增加，AF值小幅度 RA-AF整体变化趋势基本一致，裂纹扩展过程中， 减小的趋势，这可能由于大理岩的软化作用早于 均是先产生拉伸裂纹，后伴随产生剪切裂纹或复 花岗岩所致，从花岗岩的抗拉强度高于大理岩中 合裂纹，这与Backer等2的结论也类似.这说明 可以体现，但由于在裂纹扩展中，拉伸破坏占据主 岩石结构的差异不会影响其从加载初期至最终破 导地位，导致此处大理岩RA值和AF值变化幅度 坏中裂纹演化过程，这是因为相比岩石结构的差 不明显.另外根据密度云图可知，红色区域代表 异性，受力条件对岩石裂纹模式的影响更大，这也 数据分布的高密度集中带，随着颜色由红变蓝，数 是许多研究表明不同岩性岩石所表现出来的声发 据分布也由密集变得逐渐分散稀疏，也明显发现 射参数特性均比较相似的原因阿另外文献[13] 大理岩的低RA值、高AF特性更显著（见图5和 也对岩石结构对裂纹模式的影响进行了相应分 对应的表3)，而且从图4中RA值下降趋势也可 析，发现裂纹模式并不取决于岩石结构，而是取决 知，大理岩中拉伸破坏更显著，由此说明岩石结构 于岩石的软化过程.据此，上述结果验证了通过 的差异性会影响不同裂纹模式（拉伸裂纹、剪切 RA值和AF值的变化趋势来研究岩石材料破裂 裂纹以及复合裂纹)的分布情况.而两种岩石的 机制的可行性 61 800 714 600 710 (a) (b) 5 12 83% 500 8 600--- g 10 87% 8 3 16 应力 400 60% 16 2 应力 300 平均频率 4 eaw/tf 200 4 平均頫率 1 2 2 100 RA值 RA值 0 0 10 20 30 40 50 60 10 20 30 时间s 时间s 图4劈裂荷载下花岗岩和大理岩RA和AF参数随时间的变化趋势（通过移动平均线实现）.()花岗岩，(b)大理岩 Fig.4 Trends of the mean RA and average frequency parameters under a splitting load (the two AE parameters are obtained by using moving averages): (a)granite;(b)marble 2.2声发射信号主频特征分析 有明显的带状分布特征，主要分布于100~199kHz 在以上RA-AF的分布关系中，AF代表平均 之间以及400~499kHz之间，详情见表4.从表中 频率，是计数和持续时间的比值，并不是声发射 可以看出，劈裂荷载下两种岩石峰值频率在400~ 信号的真实频率，而信号的真实频率也可以反映 499kHz区间的声发射信号最多，100~199kHz之 震源的特征.一般来说，地震信号的频率在几赫 间的信号次之.在劈裂荷载下，岩样以拉伸破坏 兹以下，微震信号的频率在几赫兹到数千赫兹之 为主，拉伸裂纹产生的声发射信号具有衰减快、 间，而声发射信号的频率则在几千赫兹到数兆赫 高频特征，而剪切裂纹释放的声发射信号具有衰 滋之间，而且频率是表征弹性波震源特性的一个 减慢、低频特征2，由此也表明拉伸破坏下岩石 重要参数.对于岩石声发射而言，不同类型的震 破裂信号包含更多高频成分.此外，在试验中，由 源产生不同尺度的破裂，不同尺度的破裂则产生 于拉应力的作用，岩样通常会沿着试样轴向中心 不同频率的信号，大尺度裂纹产生的信号含有较 面破裂，从而使得沿着岩样内部不连续面（节理、 显著的低频率成分，而小尺度裂纹产生的信号含 夹层等)破裂的几率大大降低，在这种情况下破 有较显著的高频成分22-2习在频谱分析中，峰值 裂主要来自岩样轴向中心面上矿物颗粒的分离 频率是分析信号频谱特征的一个重要参数，峰值 或者矿物颗粒内部的破坏，这些破坏尺度较小、 频率即最大能谱点的频率，在震源评估中，峰值 产生的声发射信号的频率较高.因此，花岗岩和 频率是震源频谱特征的重要表现，可将其近似看 大理岩中峰值频率在400~499kHz区间的信号 作信号的主频，通过分析不同参数值大小进行震 居多 源类型识别 2.3不同加载阶段峰值频率变化规律 两种岩石的峰值频率分布正如图6所示，具 正如2.2节所述，峰值频率在100~199kHz以
时，大理岩出现 RA 值小幅度增加，AF 值小幅度 减小的趋势，这可能由于大理岩的软化作用早于 花岗岩所致，从花岗岩的抗拉强度高于大理岩中 可以体现，但由于在裂纹扩展中，拉伸破坏占据主 导地位，导致此处大理岩 RA 值和 AF 值变化幅度 不明显. 另外根据密度云图可知，红色区域代表 数据分布的高密度集中带，随着颜色由红变蓝，数 据分布也由密集变得逐渐分散稀疏，也明显发现 大理岩的低 RA 值、高 AF 特性更显著（见图 5 和 对应的表 3），而且从图 4 中 RA 值下降趋势也可 知，大理岩中拉伸破坏更显著，由此说明岩石结构 的差异性会影响不同裂纹模式（拉伸裂纹、剪切 裂纹以及复合裂纹）的分布情况. 而两种岩石的 RA-AF 整体变化趋势基本一致，裂纹扩展过程中， 均是先产生拉伸裂纹，后伴随产生剪切裂纹或复 合裂纹，这与 Backer 等[21] 的结论也类似. 这说明 岩石结构的差异不会影响其从加载初期至最终破 坏中裂纹演化过程，这是因为相比岩石结构的差 异性，受力条件对岩石裂纹模式的影响更大，这也 是许多研究表明不同岩性岩石所表现出来的声发 射参数特性均比较相似的原因[6] . 另外文献 [13] 也对岩石结构对裂纹模式的影响进行了相应分 析，发现裂纹模式并不取决于岩石结构，而是取决 于岩石的软化过程. 据此，上述结果验证了通过 RA 值和 AF 值的变化趋势来研究岩石材料破裂 机制的可行性. 2.2 声发射信号主频特征分析 在以上 RA-AF 的分布关系中，AF 代表平均 频率，是计数和持续时间的比值，并不是声发射 信号的真实频率，而信号的真实频率也可以反映 震源的特征. 一般来说，地震信号的频率在几赫 兹以下，微震信号的频率在几赫兹到数千赫兹之 间，而声发射信号的频率则在几千赫兹到数兆赫 兹之间，而且频率是表征弹性波震源特性的一个 重要参数. 对于岩石声发射而言，不同类型的震 源产生不同尺度的破裂，不同尺度的破裂则产生 不同频率的信号，大尺度裂纹产生的信号含有较 显著的低频率成分，而小尺度裂纹产生的信号含 有较显著的高频成分[22−25] . 在频谱分析中，峰值 频率是分析信号频谱特征的一个重要参数，峰值 频率即最大能谱点的频率，在震源评估中，峰值 频率是震源频谱特征的重要表现，可将其近似看 作信号的主频，通过分析不同参数值大小进行震 源类型识别[5] . 两种岩石的峰值频率分布正如图 6 所示，具 有明显的带状分布特征，主要分布于 100～199 kHz 之间以及 400～499 kHz 之间，详情见表 4. 从表中 可以看出，劈裂荷载下两种岩石峰值频率在 400～ 499 kHz 区间的声发射信号最多，100～199 kHz 之 间的信号次之. 在劈裂荷载下，岩样以拉伸破坏 为主，拉伸裂纹产生的声发射信号具有衰减快、 高频特征，而剪切裂纹释放的声发射信号具有衰 减慢、低频特征[26] , 由此也表明拉伸破坏下岩石 破裂信号包含更多高频成分. 此外，在试验中，由 于拉应力的作用，岩样通常会沿着试样轴向中心 面破裂，从而使得沿着岩样内部不连续面（节理、 夹层等）破裂的几率大大降低，在这种情况下破 裂主要来自岩样轴向中心面上矿物颗粒的分离 或者矿物颗粒内部的破坏，这些破坏尺度较小、 产生的声发射信号的频率较高. 因此，花岗岩和 大理岩中峰值频率在 400～499 kHz 区间的信号 居多. 2.3 不同加载阶段峰值频率变化规律 正如 2.2 节所述，峰值频率在 100～199 kHz 以 6 5 (a) 83% 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 0 200 400 600 800 0 2 6 10 4 8 14 12 RA 值/(ms·V−1 ) 应力 平均频率 RA值 时间/s 5 (b) 87% 60% 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 0 100 200 300 400 500 600 0 2 6 4 8 10 RA 值/(ms·V−1 ) 应力/MPa 平均频率/kHz 应力/MPa 平均频率/kHz 应力 平均频率 RA值 时间/s 图 4 劈裂荷载下花岗岩和大理岩 RA 和 AF 参数随时间的变化趋势（通过移动平均线实现[13] ）. （a）花岗岩; （b）大理岩 Fig.4 Trends of the mean RA and average frequency parameters under a splitting load (the two AE parameters are obtained by using moving averages [13] ): (a) granite; (b) marble · 1426 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期