工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性 吴顺川孙伟成子桥 Acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions WU Shun-chuan,SUN Wei.CHENG Zi-giao 引用本文： 吴顺川，孙伟，成子桥.不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性.工程科学学报，2020,42(8：988-998. doi10.13374j.issn2095-9389.2019.08.12.004 WU Shun-chuan,SUN Wei,CHENG Zi-qiao.Acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(8):988-998.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.004 在线阅读View online::htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.08.12.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 Acoustic emission and micro-rupture characteristics of rocks under Brazilian splitting load 工程科学学报.2019.41(11)：1422htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.11.29.005 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting 工程科学学报.2017,399外：1295htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.001 盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 Experimental study of the self-healing property of damaged salt rock by Brazilian splitting 工程科学学报.2020,42(5)：570 https::/1doi.0rg/10.13374.issn2095-9389.2019.06.04.001 基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价 Fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel using acoustic emission monitoring 工程科学学报.2018,40(4：461 https:oi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.04.009 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 Time-frequency characteristics of acoustic-electric signals induced by coal fracture under uniaxial compression based on full- waveform 工程科学学报.2019,41(7)：874htps:/oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.005 基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性 Feasibility research of AE monitoring index in tunnel based on RA and AF 工程科学学报.2020,42(6：723 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.28.001
不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性 吴顺川 孙伟 成子桥 Acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions WU Shun-chuan, SUN Wei, CHENG Zi-qiao 引用本文: 吴顺川, 孙伟, 成子桥. 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性[J]. 工程科学学报, 2020, 42(8): 988-998. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.004 WU Shun-chuan, SUN Wei, CHENG Zi-qiao. Acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(8): 988-998. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 Acoustic emission and micro-rupture characteristics of rocks under Brazilian splitting load 工程科学学报. 2019, 41(11): 1422 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.29.005 考虑岩石交界面方向效应的巴西劈裂试验研究 Experimental study of directivity effect of rock interface under Brazilian splitting 工程科学学报. 2017, 39(9): 1295 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.001 盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究 Experimental study of the self-healing property of damaged salt rock by Brazilian splitting 工程科学学报. 2020, 42(5): 570 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.001 基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价 Fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel using acoustic emission monitoring 工程科学学报. 2018, 40(4): 461 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.009 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 Time-frequency characteristics of acoustic-electric signals induced by coal fracture under uniaxial compression based on fullwaveform 工程科学学报. 2019, 41(7): 874 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.005 基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性 Feasibility research of AE monitoring index in tunnel based on RA and AF 工程科学学报. 2020, 42(6): 723 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.28.001
工程科学学报.第42卷.第8期：988-998.2020年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.8:988-998,August 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.004;http://cje.ustb.edu.cn 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射 特性 吴顺川2)，孙伟)四，成子桥) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)昆明理工大学国土资源工程学院.昆明6500933)中电建 路桥集团有限公司，北京100044 ☒通信作者，E-mail:sunweiustb@outlook.com 摘要针对巴西圆盘荷载接触条件对巴西劈裂试验影响的问题，采用声发射监测系统开展线非线荷载接触条件下低孔隙 率砂岩巴西劈裂试验.直径为50mm,厚度为25mm的标准巴西圆盘按照同一种传感器三维布设方式布置8个Nano30传感 器.在相同的荷载速率下，声发射监测Richters系统对线/俳线荷载两种荷载条件下的巴西圆盘进行准静态加载的波形信号连 续记录.通过P波自动到时及网格坍塌搜索算法进行定位，在线非线荷载条件下分别有1131和931个声发射事件被成功定 位.圆盘的起裂位置均在圆盘非中心位置，对于非中心起裂的试验值可能低估了巴西抗拉强度.裂纹下半球极点密度投影分 析表明.非线荷载条件下破裂面的局部扭曲程度大于线荷载.试样三维损伤演化结果表明.圆盘所受荷载面积大小，显著影 响圆盘损伤累计的时间、释放能量的大小和裂纹扩展的稳定性.对有效声发射定位事件进行矩张量分解获取了两种荷载条 件下各向同性部分(1SO)、纯双力偶(DC)和补偿线性矢量偶极成分(CLVD)频率百分比.并采用微裂纹破裂类型分类方法来 定量分析震源机制，结果表明巴西劈裂对荷载条件并不敏感，两者均可以解释为近似平行于荷载方向上的张拉裂纹的萌生、 扩展及贯通 关键词巴西劈裂：荷载接触条件：脆性破坏：声发射特征：矩张量 分类号0346.1 Acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions WU Shun-chuan2),SUN Wei,CHENG Zi-giao 1)Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Faculty of Land Resource Engineering.Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China 3)Power China Roadbridge Group Co.,Ltd.,Beijing 100044,China Corresponding author,E-mail:sunweiustb@outlook.com ABSTRACT In view of the influence of the load contact conditions on Brazilian test results,the acoustic emission (AE)monitoring system was used to conduct a Brazilian test of hard and brittle low-porosity sandstone under linear/non-linear load contact conditions. The standard Brazilian discs with a diameter of 50 mm and a thickness of 25 mm were instrumented with a three-dimensional sensor array containing eight Nano30 sensors.All the discs were equipped with identical three-dimensional sensor arrays.At the same load rate, the Brazilian discs were quasi-statically loaded under both linear/non-linear loads.The Richter 8 acquisition system continuously 收稿日期：2019-08-12 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51774020)：国家重点研发计划专项资助项目(2017Y℉C0805300)
不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射 特性 吴顺川1,2)，孙 伟1) 苣，成子桥3) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 2) 昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093 3) 中电建 路桥集团有限公司，北京 100044 苣通信作者，E-mail：sunweiustb@outlook.com 摘 要 针对巴西圆盘荷载接触条件对巴西劈裂试验影响的问题，采用声发射监测系统开展线/非线荷载接触条件下低孔隙 率砂岩巴西劈裂试验. 直径为 50 mm，厚度为 25 mm 的标准巴西圆盘按照同一种传感器三维布设方式布置 8 个 Nano30 传感 器. 在相同的荷载速率下，声发射监测 Richter8 系统对线/非线荷载两种荷载条件下的巴西圆盘进行准静态加载的波形信号连 续记录. 通过 P 波自动到时及网格坍塌搜索算法进行定位，在线/非线荷载条件下分别有 1131 和 931 个声发射事件被成功定 位. 圆盘的起裂位置均在圆盘非中心位置，对于非中心起裂的试验值可能低估了巴西抗拉强度. 裂纹下半球极点密度投影分 析表明，非线荷载条件下破裂面的局部扭曲程度大于线荷载. 试样三维损伤演化结果表明，圆盘所受荷载面积大小，显著影 响圆盘损伤累计的时间、释放能量的大小和裂纹扩展的稳定性. 对有效声发射定位事件进行矩张量分解获取了两种荷载条 件下各向同性部分（ISO）、纯双力偶（DC）和补偿线性矢量偶极成分（CLVD）频率百分比，并采用微裂纹破裂类型分类方法来 定量分析震源机制，结果表明巴西劈裂对荷载条件并不敏感，两者均可以解释为近似平行于荷载方向上的张拉裂纹的萌生、 扩展及贯通. 关键词 巴西劈裂；荷载接触条件；脆性破坏；声发射特征；矩张量 分类号 O346.1 Acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions WU Shun-chuan1,2) ，SUN Wei1) 苣 ，CHENG Zi-qiao3) 1) Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 3) Power China Roadbridge Group Co., Ltd., Beijing 100044, China 苣 Corresponding author, E-mail: sunweiustb@outlook.com ABSTRACT In view of the influence of the load contact conditions on Brazilian test results, the acoustic emission (AE) monitoring system was used to conduct a Brazilian test of hard and brittle low-porosity sandstone under linear/non-linear load contact conditions. The standard Brazilian discs with a diameter of 50 mm and a thickness of 25 mm were instrumented with a three-dimensional sensor array containing eight Nano30 sensors. All the discs were equipped with identical three-dimensional sensor arrays. At the same load rate, the Brazilian discs were quasi-statically loaded under both linear/non-linear loads. The Richter 8 acquisition system continuously 收稿日期: 2019−08−12 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51774020）；国家重点研发计划专项资助项目（2017YFC0805300） 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期：988−998，2020 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 8: 988−998, August 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.004; http://cje.ustb.edu.cn
吴顺川等：不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性 989· recorded waveform signals from eight channels from load application to brittle failure.Under the linear/non-linear load conditions,1131 and 931 AE events were successfully located by a P-wave automatic picking and collapsing grid search algorithm.Under the linear/non- linear load condition,the crack initiation points were both away from the disc center.For non-central crack initiation,the tensile strength test may underestimate the true value.A pole density analysis of the planes under nonlinear load conditions shows that the local distortion of the fracture is greater than that under linear load.The evolution of the 3D damage to the disc shows that the load area of the disc significantly affects the cumulative time of damage,amount of energy liberation and stability of the crack propagation.The moment tensor decomposition was performed on the effective AE events,and the isotropic (ISO)component,the pure double-coupled(DC)and the compensated linear vector dipole(CLVD)component frequency percentage were obtained.The classification method was applied to quantitatively analyze the focal mechanism.The results show that the Brazilian test is not sensitive to the load contact conditions,and the focal mechanism of both cases can be interpreted as the initiation,propagation,and penetration of the tensile and shear microcracks approximately along the load direction. KEY WORDS Brazilian test;load contact condition;brittle failure;acoustic emission;moment tensor 利用巴西圆盘劈裂试验间接测定脆性材料抗 心起裂应该增大接触角度的结论.通过上述研究 拉强度自提出以来，得益于试样制备简单，采用常 可以发现，巴西劈裂试验结果容易受到试样的不 规压缩试验加载装置，已被广泛地应用-)即使 均质性、加载速率、加载方式、试样尺寸等多种因 在今天，在提出测试方法后的七十多年里，巴西劈 素的影响，导致圆盘应力分布和起裂位置与理论 裂试验还没有统一明确的标准方法.ASTM建议 设想存在较大差别 采用平面与圆盘接触，ISRM建议采用非线荷 1989年以来，声发射监测技术被用于速度场演 载弧形夹与试样接触，中国的国家标准和行业标 化、震源位置反演、震源机制等方面，证明了其具 准s-采用与加载板间放有直径为1mm钢丝为垫 有可行性-1]Falls和Zhang等采用分布在圆 条的线荷载与试样接触.这三种不同的建议方法 盘前后表面或圆周的声发射传感器收集连续信号， 可以归为两大类：ISRM、ASTM建议方法属于非 用于确定巴西劈裂试验试样的声发射事件时空演 线荷载（抛物线荷载、正弦荷载等），中国的国家标 化及震源机制，用于评估试验的合理性.任会兰等20 准和行业标准建议方法属于线荷载.显然后两者 和Zhang!四等基于声发射技术及矩张量理论研究 加载装置与试样的接触荷载方式存在很大不同. 了混凝土和页岩宏观抗拉破坏的细观裂纹扩展机 尽管采用了不同的试验装置，但建议的抗拉强度 制.目前，采用声发射技术研究巴西劈裂试验破裂 计算公式却是一致的.Fairhurst首次提出荷载条 机制的研究依然很少，基于此，本研究采用声发射 件对试验结果有影响，在Hondros解的假定下采 监测技术研究低孔隙率砂岩在线/非线荷载条件下 用Griffith准则分析加载板边缘对解析解的影响， 的圆盘试样损伤三维演化及震源机制，并评估不同 发现增加接触角度，起裂位置会偏离圆盘中心，并 荷载条件对巴西劈裂试验抗拉强度的影响，以试图 提出一个最优接触角度为2 arctan(l/8).Erarslan和 定量描述荷载接触条件对巴西劈裂试验的影响 Williams!图的研究表明加载装置与试样的接触方 1试验方法 式影响峰值荷载、起裂位置、应力分布及I型断裂 韧度.一些学者9o报道了在试验中观察到巴西 1.1试样制备 劈裂试验试样起裂位置经常偏离中心，得出裂纹 为保证试样的一致性，本研究所用的低孔隙 起裂和扩展的应力区域不同于连续、均质、各向 率砂岩来自四川自贡地区，巴西圆盘试样均取自 同性材料的结论.Markides和Kourkoulis研究了 同一岩块，所用试样沿同一方向钻取.主要由长 不同的加载方式，包括线荷载、均布荷载、抛物线 石、石英、氧化镁和黏土矿物组成，平均颗粒半径 荷载及正弦荷载下的巴西破裂数值模型，指出上 约为0.1mm,孔隙率约为6.5%，有关自贡砂岩的物 述不同荷载条件对圆盘主要区域应力分布并不敏 理性质描述见系列试验922-2试样尺寸满足ISRM 感，但在荷载与圆盘接触附近存在差异.Garcia-- 建议的试验标准，即圆盘直径等于50mm,厚度为 Fernandez等2]的研究指出加载板与圆盘接触角 25mm,直径与平均晶粒尺寸之比大于10：1，此 度扮演着重要角色，不同的接触角度对应着不同 外，选用的试样保证两端面不平整度误差及直径 的荷载直径方向上的起裂位置，并得出为确保中 的误差控制在±0.02mm以内
recorded waveform signals from eight channels from load application to brittle failure. Under the linear/non-linear load conditions, 1131 and 931 AE events were successfully located by a P-wave automatic picking and collapsing grid search algorithm. Under the linear/nonlinear load condition, the crack initiation points were both away from the disc center. For non-central crack initiation, the tensile strength test may underestimate the true value. A pole density analysis of the planes under nonlinear load conditions shows that the local distortion of the fracture is greater than that under linear load. The evolution of the 3D damage to the disc shows that the load area of the disc significantly affects the cumulative time of damage, amount of energy liberation and stability of the crack propagation. The moment tensor decomposition was performed on the effective AE events, and the isotropic (ISO) component, the pure double-coupled (DC) and the compensated linear vector dipole (CLVD) component frequency percentage were obtained. The classification method was applied to quantitatively analyze the focal mechanism. The results show that the Brazilian test is not sensitive to the load contact conditions, and the focal mechanism of both cases can be interpreted as the initiation, propagation, and penetration of the tensile and shear microcracks approximately along the load direction. KEY WORDS Brazilian test；load contact condition；brittle failure；acoustic emission；moment tensor 利用巴西圆盘劈裂试验间接测定脆性材料抗 拉强度自提出以来，得益于试样制备简单，采用常 规压缩试验加载装置，已被广泛地应用[1−2] . 即使 在今天，在提出测试方法后的七十多年里，巴西劈 裂试验还没有统一明确的标准方法. ASTM[3] 建议 采用平面与圆盘接触， ISRM[4] 建议采用非线荷 载弧形夹与试样接触，中国的国家标准和行业标 准[5−6] 采用与加载板间放有直径为 1 mm 钢丝为垫 条的线荷载与试样接触. 这三种不同的建议方法 可以归为两大类：ISRM、ASTM 建议方法属于非 线荷载（抛物线荷载、正弦荷载等），中国的国家标 准和行业标准建议方法属于线荷载. 显然后两者 加载装置与试样的接触荷载方式存在很大不同. 尽管采用了不同的试验装置，但建议的抗拉强度 计算公式却是一致的. Fairhurst[7] 首次提出荷载条 件对试验结果有影响，在 Hondros 解的假定下采 用 Griffith 准则分析加载板边缘对解析解的影响， 发现增加接触角度，起裂位置会偏离圆盘中心，并 提出一个最优接触角度为 2arctan(1/8). Erarslan 和 Williams[8] 的研究表明加载装置与试样的接触方 式影响峰值荷载、起裂位置、应力分布及 I 型断裂 韧度. 一些学者[9−10] 报道了在试验中观察到巴西 劈裂试验试样起裂位置经常偏离中心，得出裂纹 起裂和扩展的应力区域不同于连续、均质、各向 同性材料的结论. Markides 和 Kourkoulis[11] 研究了 不同的加载方式，包括线荷载、均布荷载、抛物线 荷载及正弦荷载下的巴西破裂数值模型，指出上 述不同荷载条件对圆盘主要区域应力分布并不敏 感，但在荷载与圆盘接触附近存在差异. GarciaFernandez 等[12] 的研究指出加载板与圆盘接触角 度扮演着重要角色，不同的接触角度对应着不同 的荷载直径方向上的起裂位置，并得出为确保中 心起裂应该增大接触角度的结论. 通过上述研究 可以发现，巴西劈裂试验结果容易受到试样的不 均质性、加载速率、加载方式、试样尺寸等多种因 素的影响，导致圆盘应力分布和起裂位置与理论 设想存在较大差别. 1989 年以来，声发射监测技术被用于速度场演 化、震源位置反演、震源机制等方面，证明了其具 有可行性[13−18] . Falls[18] 和 Zhang 等[19] 采用分布在圆 盘前后表面或圆周的声发射传感器收集连续信号， 用于确定巴西劈裂试验试样的声发射事件时空演 化及震源机制，用于评估试验的合理性. 任会兰等[20] 和 Zhang[21] 等基于声发射技术及矩张量理论研究 了混凝土和页岩宏观抗拉破坏的细观裂纹扩展机 制. 目前，采用声发射技术研究巴西劈裂试验破裂 机制的研究依然很少. 基于此，本研究采用声发射 监测技术研究低孔隙率砂岩在线/非线荷载条件下 的圆盘试样损伤三维演化及震源机制，并评估不同 荷载条件对巴西劈裂试验抗拉强度的影响，以试图 定量描述荷载接触条件对巴西劈裂试验的影响. 1 试验方法 1.1 试样制备 为保证试样的一致性，本研究所用的低孔隙 率砂岩来自四川自贡地区，巴西圆盘试样均取自 同一岩块，所用试样沿同一方向钻取. 主要由长 石、石英、氧化镁和黏土矿物组成，平均颗粒半径 约为 0.1 mm，孔隙率约为 6.5%，有关自贡砂岩的物 理性质描述见系列试验[19, 22−23] . 试样尺寸满足 ISRM 建议的试验标准，即圆盘直径等于 50 mm，厚度为 25 mm，直径与平均晶粒尺寸之比大于 10∶1. 此 外，选用的试样保证两端面不平整度误差及直径 的误差控制在±0.02 mm 以内. 吴顺川等： 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性 · 989 ·
990 工程科学学报，第42卷，第8期 12试验装置及过程 的传递及信号的接收.非线荷载加载夹与试样之 图l(a)展示了传感器的三维布置方式，巴西 间放置减摩片，以减少端部摩擦.试验前，分别对 圆盘一个平面上布置4个Nano30声发射传感器，距 无应力状态下的线非线荷载巴西圆盘试样进行 离圆盘中心15mm以90°等角分布.另一面同样布 2次波速测量，用于检测传感器与试样表面的耦合 置4个Nano30声发射传感器，以90°等角分布，距 情况，同时测量传感器安装精度及定位误差的计 离圆盘中心15mm,与对面传感器错开45°，相当 算.试验中线啡线荷载以相同的荷载加载速率加 于对面传感器顺时针旋转45°.试样与传感器接触 载直至试样破坏.GAW-2000型微机控制电液伺 部位均匀涂抹耦合剂（硅脂），特制的夹具用于确 服刚性压力试验机的加载速率均为30Ns,保证 保传感器与试样表面的接触稳定，以提高弹性波 其准静态加载 (a) (b) Ultrasonic sensor (c) Nano30 Linear load 0 PAS Pulse amplification system PAD amplifier units PIU Pulser Interface Unit Computer PIU Richter'continuous Acquisition system Slaver I Master (channel 4) Master Non-linear load Slaverl(channel 4) 0 Computer PAD 图1加载装置及声发射信号采集流程.(a)两种加载方式装置：(b)声发射采集系统原理：(c)声发射采集系统实物图 Fig.I Loading devices and acoustic emission signal acquisition setup:(a)two different loading devices;(b)schematic diagram of AE acquisition system; (c)photograph of AE acquisition system 1.3声发射数据采集 量，以测量2为例，500V高压脉冲从S2发射，S1、 图1(b)和图1(c)展示了声发射信号连续采集 S3~S8作为接收器接收信号，通过P波自动到时 的流程及原理.砂岩试样中的微裂纹破裂及人工 拾取而获取到时时差，而后采用网格坍塌搜索算 震源产生的扰动被试样表面的Nano30传感器监 法进行定位.网格坍塌搜索算法是一种常用的定 测后，以电压的形式传输给100kHz~1MHz带通 位算法，Geiger法仅适用于各向同性介质易产生极 的PAD放大器单元.信号被前置放大，增益值设 大定位误差，而单纯形法迭代搜索最小残差使其 定为30dB.而后信号传输到Richter3连续采集系 无法获取全局最优解.网格坍塌搜索算法适用于 统，进行信号连续采集，采集的数据被存储到固态 非均质性和各向异性速度模型，可获得全局最优 硬盘中，Richter3系统由Master--Slaver1组成，每个 解及产生较小的定位误差)将两组脉冲事件（人 Richter可同步连续采集4个通道的数据.为测试 工震源)定位结果与已知传感器位置进行对比，非 传感器安装及定位精度，在加载前，由脉冲发生器 线荷载条件下的定位结果如图2(a)所示.两种加 接口单元PIU依次从传感器S1到S8发射500V 载板条件下的结果表明定位误差在北、东上的分 脉冲.500V脉冲作为人工震源，剩余的7个传感 量的绝对值均不超过9mm.图2(b)给出了阵列分 器作为接收器记录信号 析工具和L2范数计算对假象坐标点(N,E,D)=(10mm, 2试验分析及结论 0,0)的定位残差，定位残差为0-3.08E-6之间，表明 传感器排布有很好的监测效率.综合以上，可认为 2.1传感器阵列及定位精度分析 本研究传感器布设方式的定位精度较高，是合理 试验前对试样进行了2次无应力状态波速测 可靠的
1.2 试验装置及过程 图 1（a）展示了传感器的三维布置方式，巴西 圆盘一个平面上布置 4 个 Nano30 声发射传感器，距 离圆盘中心 15 mm 以 90°等角分布. 另一面同样布 置 4 个 Nano30 声发射传感器，以 90°等角分布，距 离圆盘中心 15 mm，与对面传感器错开 45°，相当 于对面传感器顺时针旋转 45°. 试样与传感器接触 部位均匀涂抹耦合剂（硅脂），特制的夹具用于确 保传感器与试样表面的接触稳定，以提高弹性波 的传递及信号的接收. 非线荷载加载夹与试样之 间放置减摩片，以减少端部摩擦. 试验前，分别对 无应力状态下的线/非线荷载巴西圆盘试样进行 2 次波速测量，用于检测传感器与试样表面的耦合 情况，同时测量传感器安装精度及定位误差的计 算. 试验中线/非线荷载以相同的荷载加载速率加 载直至试样破坏. GAW-2000 型微机控制电液伺 服刚性压力试验机的加载速率均为 30 N∙s−1，保证 其准静态加载. 1.3 声发射数据采集 图 1（b）和图 1（c）展示了声发射信号连续采集 的流程及原理. 砂岩试样中的微裂纹破裂及人工 震源产生的扰动被试样表面的 Nano30 传感器监 测后，以电压的形式传输给 100 kHz～1 MHz 带通 的 PAD 放大器单元. 信号被前置放大，增益值设 定为 30 dB. 而后信号传输到 Richter8 连续采集系 统，进行信号连续采集，采集的数据被存储到固态 硬盘中. Richter8 系统由 Master-Slaver1 组成，每个 Richter 可同步连续采集 4 个通道的数据. 为测试 传感器安装及定位精度，在加载前，由脉冲发生器 接口单元 PIU 依次从传感器 S1 到 S8 发射 500 V 脉冲. 500 V 脉冲作为人工震源，剩余的 7 个传感 器作为接收器记录信号. 2 试验分析及结论 2.1 传感器阵列及定位精度分析 试验前对试样进行了 2 次无应力状态波速测 量，以测量 2 为例，500 V 高压脉冲从 S2 发射，S1、 S3～S8 作为接收器接收信号，通过 P 波自动到时 拾取而获取到时时差，而后采用网格坍塌搜索算 法进行定位. 网格坍塌搜索算法是一种常用的定 位算法，Geiger 法仅适用于各向同性介质易产生极 大定位误差，而单纯形法迭代搜索最小残差使其 无法获取全局最优解. 网格坍塌搜索算法适用于 非均质性和各向异性速度模型，可获得全局最优 解及产生较小的定位误差[23] . 将两组脉冲事件（人 工震源）定位结果与已知传感器位置进行对比，非 线荷载条件下的定位结果如图 2（a）所示. 两种加 载板条件下的结果表明定位误差在北、东上的分 量的绝对值均不超过 9 mm. 图 2（b）给出了阵列分 析工具和L2 范数计算对假象坐标点(N,E,D) = (10 mm, 0, 0) 的定位残差，定位残差为 0-3.08E-6 之间，表明 传感器排布有很好的监测效率. 综合以上，可认为 本研究传感器布设方式的定位精度较高，是合理 可靠的. Ultrasonic sensor Nano30 PAS Pulse amplification system PAD amplifier units PIU Pulser Interface Unit Richter8 continuous Acquisition system Master (channel 4) Slaver1 (channel 4) Computer PIU Master Slaver 1 Computer PAD Linear load Non-linear load P P (a) (b) (c) 图 1 加载装置及声发射信号采集流程. （a）两种加载方式装置；（b）声发射采集系统原理；（c）声发射采集系统实物图 Fig.1 Loading devices and acoustic emission signal acquisition setup: (a) two different loading devices; (b) schematic diagram of AE acquisition system; (c) photograph of AE acquisition system · 990 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期
吴顺川等：不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性 991· (a) (b) 2 =3 S3 =4 =5 -6 S5 =8 1.54×10-6 3.08×106 7.7×107 0 50 2.31×106 Time/us 图2传感器三维定位残差及主动震源定位结果.()主动震源定位结果及传感器2波形信号：(b)定位残差密度切片 Fig.2 Misfit space density plane of 3D sensor array and active source locating result:(a)active source location result and the waveforms obtained through Survey 2;(b)density planes of misfit error 2.2声发射特征分析对比 件，有效声发射定位事件频率随时间分布较为均 图3(a)展示了线荷载条件下巴西圆盘劈裂试 匀且相对较低(1~7s),在阶段末最大有效声发 验声发射特性，试验过程一共采集了354s连续声 射事件频率剧增至47s,破裂震级最大为-2.78， 发射波形信号.采用触发比率为0.5的拾取算法将 位置基本与阶段1相同，且圆盘中心以上更为集中 连续声发射信号进行触发处理，满足不少于4个 阶段4持续时间从336.0350351s至353.9187746s, 通道的波形存储记录204.8us的数据.一共1131 有434个有效定位事件，此阶段开始有效定位事 个有效定位声发射事件，其有效定位事件破裂震 件频率相对较低，约为5s,事件集中剧烈增加发 级三维分布及时空演化如图4所示.根据有效定 生在阶段末，为234s,破裂震级最大为-2.84.位 位事件频率的变化将线荷载试验过程划分为4个 置主要集中在圆盘中心以上12mm,且偏离中心 阶段：阶段1，有效定位事件有20个，频率最低（不 位置 超过1s),破裂震级不超过-4.21.阶段2持续时 图3(b)展示了非线荷载条件下巴西圆盘劈裂 间从202.1992249s至304.9882426s,一共有412个 试验声发射特性，试验过程中一共采集了484s连 有效定位事件，随时间不断增加，阶段末出现有 续声发射波形信号.一共931个有效定位声发射 效声发射事件集中剧烈增加现象，最大频率为 事件，其有效定位事件破裂震级三维分布及时空 48s,破裂震级最大为-3.38.圆盘起裂位于圆盘 演化如图5所示.同样，根据有效定位事件频率的 中心上、下约15mm,且圆盘中心以上起裂面积大 变化将线荷载划分为4个阶段：阶段1，有效定位 于圆盘以下，阶段3持续时间从306.1193752s至 事件频率最低(1s),破裂震级为-4.41：阶段2持 334.8700203s,一共有265个有效声发射定位事 续时间从100.5892033s至371.9930491s,一共有 300 15 11500 300 16 11500 (a) (b) Frequency 12 ■Frequency 一Load-time curve Load-time curve 12 200 -AE event accumulation 200 AE event accumulation 9 900 7 0 6 600 N/POT 600 10 Stage 2Spge 3Stage 4 300 Stage Stage 3 300 Stage 1 Stage 2 0 0 100 200 300 400 100 200300400 500 Time/s Time/s 图3荷载、声发射事件累计数及额率与时间的关系.(a)线荷载：(b)非线荷载 Fig.3 Variations of load,AE event accumulation and located AE rate with time:(a)linear load;(b)non-linear load
2.2 声发射特征分析对比 图 3（a）展示了线荷载条件下巴西圆盘劈裂试 验声发射特性，试验过程一共采集了 354 s 连续声 发射波形信号. 采用触发比率为 0.5 的拾取算法将 连续声发射信号进行触发处理，满足不少于 4 个 通道的波形存储记录 204.8 μs 的数据. 一共 1131 个有效定位声发射事件，其有效定位事件破裂震 级三维分布及时空演化如图 4 所示. 根据有效定 位事件频率的变化将线荷载试验过程划分为 4 个 阶段：阶段 1，有效定位事件有 20 个，频率最低（不 超过 1 s−1），破裂震级不超过−4.21. 阶段 2 持续时 间从 202.1992249 s 至 304.9882426 s，一共有 412 个 有效定位事件，随时间不断增加，阶段末出现有 效声发射事件集中剧烈增加现象，最大频率为 48 s−1，破裂震级最大为−3.38. 圆盘起裂位于圆盘 中心上、下约 15 mm，且圆盘中心以上起裂面积大 于圆盘以下. 阶段 3 持续时间从 306.1193752 s 至 334.8700203 s，一共有 265 个有效声发射定位事 件，有效声发射定位事件频率随时间分布较为均 匀且相对较低（1～7 s−1），在阶段末最大有效声发 射事件频率剧增至 47 s−1 ，破裂震级最大为−2.78， 位置基本与阶段 1 相同，且圆盘中心以上更为集中. 阶段 4 持续时间从 336.0350351 s 至 353.9187746 s， 有 434 个有效定位事件，此阶段开始有效定位事 件频率相对较低，约为 5 s−1，事件集中剧烈增加发 生在阶段末，为 234 s−1，破裂震级最大为−2.84. 位 置主要集中在圆盘中心以上 12 mm，且偏离中心 位置. 图 3（b）展示了非线荷载条件下巴西圆盘劈裂 试验声发射特性，试验过程中一共采集了 484 s 连 续声发射波形信号. 一共 931 个有效定位声发射 事件，其有效定位事件破裂震级三维分布及时空 演化如图 5 所示. 同样，根据有效定位事件频率的 变化将线荷载划分为 4 个阶段：阶段 1，有效定位 事件频率最低（1 s−1），破裂震级为−4.41；阶段 2 持 续时间从 100.5892033 s 至 371.9930491 s，一共有 UP DOWN E W N S UP DOWN E W N S S1 S3 S2 S4 S5 S6 S7 S8 I=1 I=2 I=3 I=4 I=5 I=6 I=7 I=8 0 50 0 (a) (b) 7.7×10−7 1.54×10−6 2.31×10−6 3.08×10−6 Time/μs 图 2 传感器三维定位残差及主动震源定位结果. （a）主动震源定位结果及传感器 2 波形信号；（b）定位残差密度切片 Fig.2 Misfit space density plane of 3D sensor array and active source locating result: (a) active source location result and the waveforms obtained through Survey 2; (b) density planes of misfit error 15 12 Load/kN Frequency/s−1 9 6 3 0 1500 1200 AE event accumulation 900 600 300 0 300 200 100 0 200 300 400 Time/s Stage 1 Stage 2Stage 3Stage 4 0 100 Frequency AE event accumulation Load-time curve 16 12 Load/kN Frequency/s−1 8 4 0 1500 1200 AE event accumulation 900 600 300 0 300 200 100 0 200 300 400 500 Time/s Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4 0 100 Frequency (a) (b) AE event accumulation Load-time curve 图 3 荷载、声发射事件累计数及频率与时间的关系. （a）线荷载；（b）非线荷载 Fig.3 Variations of load, AE event accumulation and located AE rate with time: (a) linear load; (b) non-linear load 吴顺川等： 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性 · 991 ·