陳忠清 魏 威 呂 越 高 鑫 NJOKU OGECHI ADURAMOMI

(1. 紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000; 2. 浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室, 浙江 紹興 312000; 3. 上海中梁地產集團有限公司，上海 200331)

次聲波是指頻率低于人可聽見的聲波頻率下限的聲波，頻率范圍小于20 Hz[1].19世紀80年代，在克拉卡托火山爆發(fā)活動中首先發(fā)現次聲現象[2].長期研究表明次聲波普遍存在，并且由于信號源的激發(fā)機理不同，次聲波往往具有不同的信號特征[3-6].

巖石或巖體在變形破壞過程中既會產生大量的高頻超聲波信號，同時也會產生很強的低頻次聲波信號[7].由于次聲波信號具有頻率低、波長長、衰減慢、穿透力強及傳播距離遠等特點，使得次聲波技術在滑坡災害監(jiān)測預警中的應用日益受到關注.周憲德等(2014年)研制了由次聲傳感器、資料處理器及訊號處理系統(tǒng)組成的坡地災害次聲監(jiān)測系統(tǒng)，來實時監(jiān)控土石流和滑坡的發(fā)生[8]；馮懷升等(2010年)結合SMS技術設計并實現了一種利用次聲波對滑坡地質災害實時監(jiān)測和預警的新型系統(tǒng)[9]；任際周(2012年)采用壓力場聲波傳感器設計了一套基于次聲波技術的滑坡監(jiān)測預警系統(tǒng)[10]；朱星(2014年)采用InSAS2008高精度電容式次聲傳感器，開發(fā)了能滿足室內或者野外次聲波探測的數字化次聲探測儀，并成功應用于四川大光包滑坡北側拉裂壁邊界聲波信號的采集監(jiān)測[11].巖石在受力條件下破壞變形產生的次聲波信號特征是次聲波技術在巖質滑坡監(jiān)測預警中成功應用的前提和基礎，也是近些年相關研究較為集中的領域.朱星等(2013年)對花崗巖、泥巖、砂巖、千層巖、石灰?guī)r、紅砂巖6種巖樣在單軸壓縮作用下微破裂過程中產生的低頻次聲波信號進行了檢測，得出巖石破壞前存在明顯的次聲發(fā)射現象，特征頻率一般在2.0 Hz～8.0 Hz范圍[12]；姜亮亮(2016年)研究了紅砂巖在單軸壓縮條件下峰值應力前后的次聲信號特征，發(fā)現不同破壞形式產生的次聲信號表現不一， 破壞特征頻率集中在1 Hz～4 Hz[13]；徐洪和周廷強(2016年)研究了巖石變形破壞各階段次聲能量集中的頻段，發(fā)現巖石在變形破壞各階段的次聲信號集中頻帶存在差異[14]；魏建平(2017年)對花崗巖試樣進行單軸加載，得到試樣破壞產生的次聲波主要集中在中低頻，巖石破壞前的次聲前兆特征突出[15]；楊云峰等(2017年)在室內對巖石進行了單軸壓縮試驗/斜剪試驗、巴西劈裂試驗，得出次聲信號頻帶能量與巖石所受的應力狀態(tài)有很大關聯性[16]；趙奎(2018年)通過紅砂巖在單軸循環(huán)加、卸載次聲波試驗研究，得出次聲波累計振鈴計數可以反映紅砂巖內部巖石損傷演化過程[17]；徐洪等(2016年)采集了砂巖試件破壞前的次聲信號，發(fā)現巖石變形破壞次聲信號能量主要集中在4 Hz～8 Hz的中頻帶和8 Hz～16 Hz的高頻帶兩個頻率范圍[18]；徐洪等(2018年)通過壓縮、剪切及拉伸狀態(tài)下的破壞試驗，得到巖石在不同受力狀態(tài)下的次聲波峰值頻率特征存在差異[19].

浙江省山地眾多(山地丘陵占全省陸域面積70.4%)，山體地質災害嚴重，而關于浙江地區(qū)典型巖石在不同受力狀態(tài)下破壞變形產生的次聲波信號特征研究尚鮮有展開.本文嘗試選取浙江地區(qū)四種典型巖石試樣，通過巖石單軸壓縮、巖橋剪切以及結構面剪切試驗，研究不同破壞形式下次聲波信號特征，為該地區(qū)巖質滑坡災害次聲監(jiān)測提供參考.

1 試驗材料及儀器設備

1.1 試驗材料

采集浙江地區(qū)4種巖性的巖石，包括玄武巖、砂巖、灰?guī)r及凝灰?guī)r.分別制作成如下3種巖石試樣：

(1)50 mm×50 mm×100 mm的長方體巖樣(見圖1).每組巖性的試樣分別6個，共24個，編號為H1-6(灰?guī)r)、N1-6(凝灰?guī)r)、S1-6(砂巖)、X1-6(玄武巖)，用于單軸壓縮試驗.

a. 玄武巖 b. 凝灰?guī)r

c. 灰?guī)r d. 砂巖

圖1單軸壓縮試驗巖石試樣

(2)含巖橋的100 mm×100 mm×100 mm的立方體巖樣(見圖2).沿試樣正中間兩側切割出100 mm×40 mm×8 mm的槽口，留下中間100 mm×20 mm×8 mm巖橋.編號分別為TH1-4(灰?guī)r)、TN1-3(凝灰?guī)r)、TS1-4(砂巖)、TX1-4(玄武巖)，共15個巖樣，用于巖橋斜剪試驗.

(3)含貫通結構面的100 mm×100 mm×100 mm的立方體巖樣(見圖3).通過人為切割巖樣正中間四側，劈裂巖樣以形成自然的貫通結構面.編號分別為JH1-4(灰?guī)r)、JN1(灰?guī)r)、JS1-4(灰?guī)r)、JX1-4(灰?guī)r)，共13個巖樣，用于結構面斜剪試驗.

1.2 儀器設備

采用CASI-RTU型次聲采集儀、CASI-DBF5-24型次聲傳感器及筆記本電腦(見圖4a)進行試驗過程中的次聲波監(jiān)測和信號采集.次聲傳感器靈敏度為104.25 mv/Pa， 3 dB頻帶為0.1 Hz-200 Hz.單軸壓縮試驗中加載設備采用STYE-3000E型伺服壓力試驗機，斜剪試驗中加載設備采用WAW-3000B型電液伺服萬能材料試驗機.

2 試驗方案與信號處理方法

2.1 試驗過程及次聲信號的采集

單軸壓縮試驗過程中， 加載速率設為0.3 kN/s，次聲傳感器布置在距離試樣0.5 m～1 m處(見圖4b)，采樣頻率為1200 Hz，門檻值設置為45 dB.加載前先采集環(huán)境本底次聲信號并保存.當傳壓板降至剛好接觸巖樣時，同步啟動STYE-3000E型壓力試驗機和次聲波信號采集儀，直至巖樣破壞.

巖橋剪切和巖體結構面剪切均采用斜剪試驗，位移加載速率為0.01 mm/s.次聲傳感器的布置及相關參數設置與單軸壓縮試驗相同.按照預先設置的加載方式同步開啟聲次聲波信號采集儀和WAW-3000B型試驗機，直至巖樣破壞.

2.2 次聲波信號處理與分析方法

為避免背景干擾信號對試驗結果的影響，首先采用小波閾值去噪的方法對采集的原始信號進行濾波處理.

圖2剪切試驗巖樣

圖3結構面剪切試驗巖樣

a.次聲采集儀及其連接

b.次聲傳感器及其布置

圖4次聲波監(jiān)測系統(tǒng)照片

(1)次聲波信號時域特征處理

基于MATLAB軟件的小波工具箱功能，對次聲波信號進行小波分解與重構[20].重構后的典型次聲波本底信號和試驗信號波形圖如圖5所示.由圖5可得，重構后本底信號整體平穩(wěn)且數值較低，整體幅值(絕對值)在0.06 V以下，而重構后試驗信號在產生次聲信號時的波形圖突變幅值均大于0.06 V，平穩(wěn)部分的幅值在0.06 V以內.可見，可通過對試驗信號重構開展次聲波的時域特征分析.

(2)次聲波信號時頻特征處理

基于MATLAB軟件，采用短時傅立葉變換(STFT)進行次聲波信號時頻處理[20-21].經短時傅立葉變換后的本底信號和試驗信號時頻圖如圖6所示.由圖6可得，實驗室內環(huán)境噪聲穩(wěn)定且強度基本上不超過35 dB，次聲波特征頻率的強度值達到60 dB左右.為剔除環(huán)境噪聲的影響，將強度底值控制在35 dB左右進行次聲波信號的時頻特征分析.

(3)次聲波信號累計振鈴計數分析

累計振鈴計數可以粗略地反映出信號的頻度和強度.基于本底信號和試驗信號的分析，綜合考慮本地信號和試驗信號的幅值水平，來確定信號的門檻值，并以此為基礎進行次聲波信號的振鈴計數統(tǒng)計與分析.

3 試驗結果分析

3.1 單軸壓縮條件下的次聲波信號特征

3.1.1 應力-次聲時域和時頻特征分析

不同巖石在單軸壓縮破壞條件下的典型應力-波形圖和時頻圖分別如圖7和圖8所示.從圖7可以看出，由于巖性差異及巖樣本身存在裂隙，不同巖石在單軸壓縮過程中從受力至破壞的歷時及抗壓強度有所不同，但均在試驗加載過程中出現多次大于本底信號峰值的次聲波現象，并從圖8可知，灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂巖及玄武巖在應力加載直至峰值時產生的次聲波信號主頻范圍分別集中在1 Hz～7 Hz、1 Hz～6 Hz、2 Hz～6 Hz及1 Hz～5 Hz.由此可得，巖石在單軸壓縮破壞會產生明顯次聲波現象，主頻主要集中在1 Hz～7 Hz范圍內，不同巖性之間差異不明顯.試驗結果與文獻[12]中花崗巖、灰?guī)r、紅砂巖、砂巖、千枚巖和泥巖6種典型巖石試樣，文獻[13]中江西贛州地區(qū)的紅砂巖，以及文獻[18]中重慶地區(qū)砂巖，在單軸壓縮條件下破壞產生的次聲波信號特征基本一致.

a.本底信號 b.試驗信號

圖5重構后典型次聲波信號波形圖

a.本底信號

b.試驗信號

圖6典型次聲波信號時頻圖

a. 灰?guī)r

b. 凝灰?guī)r

c. 砂巖

d. 玄武巖

圖7不同巖石單軸壓縮破壞下的應力-波形圖

a. 灰?guī)r

b. 凝灰?guī)r

c. 砂巖

d. 玄武巖

圖8不同巖石單軸壓縮破壞的次聲信號時頻圖

3.1.2 應力-次聲累計振鈴計數特征

不同巖石在單軸壓縮條件下的次聲累計振鈴計數隨加載時間變化的典型試驗結果如圖9所示.由圖9可知，不同巖性的巖石試樣在單軸壓縮加載過程中累計振鈴計數逐漸增加，總體上應力達到峰值之前，累計振鈴數明顯增加.同時可得，累計振鈴計數特征與巖性之間不存在明顯關系.

3.2 巖橋剪切條件下的次聲波信號特征

3.2.1 應力-次聲時域和時頻特征

不同巖石在巖橋剪切破壞條件下的典型應力-波形圖和時頻圖分別如圖10和圖11所示.從圖10可以看出，由于巖性差異及巖樣本身存在裂隙，不同巖性的巖橋在試驗過程中從受力至剪切破壞的歷時及抗剪強度有所不同，但均在剪應力達到峰值前產生大幅次聲事件，并從圖11可知，灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂巖及玄武巖由于剪切破壞產生的次聲波信號主頻范圍分別集中在1 Hz～7 Hz、2 Hz～5 Hz、2 Hz～6 Hz及1 Hz～6 Hz.由此可得，巖石在巖橋剪切破壞時會產生明顯次聲波現象，信號主頻主要集中在1 Hz～7 Hz范圍內，不同巖性之間差異亦不明顯.

3.2.2 應力-次聲累計振鈴計數特征

不同巖石在巖橋剪切破壞下的應力-次聲累計振鈴計數隨加載時間變化的典型試驗結果如圖12所示.由圖12可知，不同巖性的巖石在剪切過程中累計振鈴計數逐漸增加，并且總體上，在應力達到峰值之前，累計振鈴數有明顯增加，同時可得累計振鈴計數特征與巖性之間不存在明顯的相關性.

3.3 結構面剪切條件下的次聲波信號特征

3.3.1 應力-次聲時域和時頻特征

不同巖石在結構面剪切破壞條件下的典型應力-波形圖和時頻圖分別如圖13和圖14所示.從圖13可以看出，由于巖性差異，不同結構面在剪切摩擦過程中從受力至剪切破壞的歷時及界面抗剪強度有所不同，但均在結構面剪切摩擦過程中出現多次大于本底信號峰值的次聲波現象，大多數的次聲事件主要在剪切應力達到峰值前發(fā)生，并從圖14可知，灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂巖及玄武巖由于結構面剪切破壞產生的次聲波信號主頻范圍分別集中在2 Hz～4 Hz、 2 Hz～5 Hz、 2 Hz～6 Hz及1 Hz～8 Hz.由此可得，巖石在結構面剪切破壞時亦會產生明顯次聲波現象，信號主頻主要集中在1 Hz～8 Hz范圍內，不同巖性之間差異亦不明顯.

3.3.2 應力-次聲累計振鈴計數特征

不同巖石在結構面剪切摩擦破壞下的應力-次聲累計振鈴計數隨加載時間變化的典型試驗結果如圖15所示.由圖15可以看到，不同巖性的巖石在結構面剪切摩擦過程中，基本上表現出累計振鈴計數隨剪應力增加而逐漸增加，同時累計振鈴計數變化特征與巖性之間未看出存在明顯的相關性.

4 結論

(1)浙江地區(qū)四種不同巖性的巖石(包括灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂巖和玄武巖)在單軸壓縮、巖橋剪切及結構面剪切條件下發(fā)生破壞過程中均產生明顯的次聲波現象，次聲信號主頻基本上集中在1 Hz～8 Hz范圍內，與巖性和加載方式之間均不存在明顯的相關性.

(2)四種不同巖石在不同加載條件下破壞產生的次聲累計振鈴計數逐漸增加，并總體上在巖石破壞前后達到峰值，同時累計振鈴計數與巖性之間未發(fā)現存在明顯的相關性.