廖之戀,陳世萬,楊 貴,余 琪,李本云

(1. 貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025; 2. 貴州大學(xué) 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點實驗室,貴州 貴陽 550025;3. 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550081)

0 引言

我國西南巖溶集中發(fā)育,面積約55萬km2,巖溶山地地形切割劇烈,巖體崩塌十分發(fā)育。以貴州省為例,據(jù)2018年地質(zhì)災(zāi)害排查結(jié)果,全省范圍內(nèi)共有3681個崩塌災(zāi)害隱患點[1];調(diào)查發(fā)現(xiàn),超過80%崩塌災(zāi)害點主體為碳酸鹽巖,巖溶構(gòu)造發(fā)育;而底座多為軟弱碎屑巖,呈典型“上硬下軟”的特征。差異風(fēng)化強(qiáng)烈,下部軟巖逐步形成凹巖腔最終導(dǎo)致上覆危巖體臨空,在降雨侵蝕作用或地下采礦等工程作用下在危巖體內(nèi)形成主控裂隙[2-3],主控裂隙經(jīng)歷起裂、擴(kuò)展、直至貫通失穩(wěn)形成崩塌[4-8]。崩塌具有突發(fā)、快速、致災(zāi)性強(qiáng)的特性,極大地威脅人民生命財產(chǎn)安全[9-10]。

巖溶山區(qū)巖體崩塌點多面廣、失穩(wěn)過程迅速,使有效監(jiān)測預(yù)警極具挑戰(zhàn)。聲發(fā)射/微震監(jiān)測精度高,具有連續(xù)、實時動態(tài)監(jiān)測的特性[11-12],對巖石內(nèi)部微破裂演化過程十分敏感。聲發(fā)射(AE)技術(shù)可以很好地揭示微裂紋的演化規(guī)律,由聲發(fā)射特征參數(shù)進(jìn)行綜合分析的裂紋擴(kuò)展和損傷演化的階段性特征與巖石變形破壞過程具有較好的一致性[13]。KAISER[14]最早在金屬材料中發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象,隨后國內(nèi)外對巖石類材料的聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究[15-20],并將聲發(fā)射技術(shù)用于礦山、隧道、邊坡等工程穩(wěn)定性的監(jiān)測[21-24]。近年來,一些研究證明了聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測邊坡失穩(wěn)破壞具有潛在優(yōu)勢[25-26],CODEGLIA等[27]開展了凍融作用下危巖體崩塌的監(jiān)測,通過巖質(zhì)邊坡上長周期內(nèi)振鈴計數(shù)的分析,發(fā)現(xiàn)地下水及積雪的變化會影響聲發(fā)射信號的強(qiáng)弱。DIXON等[28]利用有源波導(dǎo)的聲發(fā)射設(shè)備監(jiān)測了英國鐵路軌道邊坡的變形。魏學(xué)勇等[29]利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測了三峽庫區(qū)萬州危巖體變形和裂縫擴(kuò)展。

微震技術(shù)與聲發(fā)射技術(shù)相似,也是利用巖石破壞過程中的振動信號來研究巖體內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展情況,微震監(jiān)測所采集的振動頻率較低[30]。微震可有效定位數(shù)百米外巖體崩塌崩落產(chǎn)生的信號,同時通過識別信號特征參數(shù)可準(zhǔn)確識別巖體破裂產(chǎn)生的微震信號。微震監(jiān)測是分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性和巖體損傷的有效手段,微震監(jiān)測技術(shù)已開始應(yīng)用于崩塌災(zāi)害研究,如:崩塌落石監(jiān)測定位[31-32]、巖體破裂微震信號特征識別[33-34]、落石運動撞擊解體信號分析[35-36]、落石活動性[37]、崩塌過程反演[38],這些研究證實了微震可有效定位數(shù)百米外巖體崩塌崩落產(chǎn)生的信號,同時通過識別信號特征參數(shù)可準(zhǔn)確識別巖體破裂產(chǎn)生的微震信號。此外,一些研究發(fā)現(xiàn)巖體崩塌失穩(wěn)前也會出現(xiàn)明顯微震前兆信號。SENFAUTE等[39]根據(jù)陡崖危巖崩落前15 h內(nèi)微震信號頻率演化特征將崩塌孕育過程劃分為:裂紋啟裂段、裂紋生長發(fā)展段和裂紋貫通破壞段;LIANG等[40]應(yīng)用巖質(zhì)邊坡破壞前落石撞擊、彈跳和滾動累計微震能量對巖體崩塌進(jìn)行預(yù)警并成功提前3 min預(yù)警一次較大規(guī)模崩塌。

總體上看,巖體崩塌監(jiān)測預(yù)警極具挑戰(zhàn)性[41-42]。本文根據(jù)巖體崩塌孕育發(fā)展力學(xué)過程,開展分級蠕變加載和模擬自然漸變2種工況下的拉裂型崩塌相似模擬室內(nèi)試驗,采用聲發(fā)射系統(tǒng)和無線微震傳感器研究崩塌模型失穩(wěn)過程聲信號特征,研究成果為發(fā)展巖體崩塌監(jiān)測預(yù)警方法和技術(shù)提供支撐。

1 模型設(shè)計及試驗方法

1.1 相似材料試樣配置

1.1.1 脆性相似材料

相似模擬試驗中,相似常數(shù)主要有幾何相似常數(shù)、重度相似常數(shù)和應(yīng)力相似常數(shù)。一般來說,模型的尺寸與原型越相近,則試驗效果越好。本試驗以巖溶山區(qū)典型巖體崩塌主巖灰?guī)r為研究對象,主要物理力學(xué)參數(shù)為單軸抗壓強(qiáng)度σc、楊氏模量E、泊松比μ、密度ρ以及幾何尺寸L。根據(jù)相似準(zhǔn)則可得到相似常數(shù)之間的關(guān)系為:

(1)

(2)

CE=CC=Cσc

(3)

Cσ=αL×Cρ

(4)

式中: 下標(biāo)H、M分別為原型和模型;αL為幾何相似常數(shù);Cσ為應(yīng)力相似常數(shù);CE為彈性模量相似常數(shù);Cρ為密度相似常數(shù)。

根據(jù)式(1)～式(4),結(jié)合灰?guī)r性能計算選取Cρ=1.7,由于室內(nèi)試驗儀器及場地限制選取幾何相似常數(shù)αL為50,則其他力學(xué)相似常數(shù)CE,Cc,Cσc均為85,并根據(jù)相似比確定灰?guī)r相似材料力學(xué)參數(shù)范圍,如表1所示。

表1 灰?guī)r物理力學(xué)參數(shù)及對應(yīng)相似材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of limestone and corresponding similar materials

獲得脆性相似材料,確保模型在破壞過程中產(chǎn)生與巖石破壞相似的聲信號是本研究的前提。采用石英砂為骨料,石膏、水泥為膠結(jié)材料配制相似材料[43],配制過程中加入3%硼砂作為緩凝劑防止石膏在制樣過程中凝結(jié)過快。以骨料與膠結(jié)材料比例及膠結(jié)成分比例為影響因素,配置脆性相似材料。配比材料中石英砂粒徑40～80目,石膏粉280目,水泥325目。

對不同配比的相似材料試樣進(jìn)行了單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗如圖1所示。由試驗結(jié)果可知,砂膠比5∶1,膠結(jié)物中水泥∶石膏為3∶7的材料在力學(xué)曲線和聲發(fā)射活動特征方面與脆性巖石具有較好的相似性如圖2所示,其表現(xiàn)為:在初始加載孔隙壓密段,孔隙閉合過程使應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈下凹,聲發(fā)射活動較強(qiáng);在彈性壓縮階段,聲發(fā)射活動保持穩(wěn)定;而在峰前裂隙加速破裂階段,應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率降低,彈性模量減小,聲發(fā)射出現(xiàn)激增;峰后應(yīng)力突降,表現(xiàn)出顯著脆性特征。試驗中崩塌主體采用此配比的相似材料。

圖1 部分不同配比試樣聲發(fā)射效果圖Fig. 1 Acoustic emission effect diagram of partial samples with different proportions

圖2 灰?guī)r單軸壓縮條件下的聲發(fā)射效果圖Fig. 2 Acoustic emission effect diagram of limestone under uniaxial compression condition

1.1.2 軟弱基座相似材料

軟弱基座相似材料需具有遇水強(qiáng)度顯著軟化的特性,通過加入黃豆面親水軟化材料獲得親水軟化特性[44]。軟弱基座相似材料的配比為砂膠比5∶1,即石英砂與水泥加高嶺土比例為5∶1,并添加1%的黃豆面。

1.2 試驗?zāi)Ｐ团c試驗設(shè)備

設(shè)計巖層結(jié)構(gòu)為上硬下軟型,上部為灰?guī)r,采用材料為脆性相似材料;下部軟弱層為泥巖,采用材料為軟弱基座相似材料,如圖3所示。上覆危巖體通過預(yù)制裂紋模擬崩塌主控結(jié)構(gòu)面,下部軟弱層持續(xù)注水軟化模擬凹巖腔形成過程。

圖3 試驗示意圖Fig. 3 Diagram of test表2 試驗設(shè)備及主要參數(shù)設(shè)置Table 2 Test equipment and main parameter setting試驗設(shè)備型號性能參數(shù)及設(shè)置高速攝像機(jī)千眼狼高速攝像機(jī)采集頻率1000 Hz動態(tài)應(yīng)變采集儀DH3818最大采集頻率0.2 Hz測量量程19999 με最高分辨率1 με聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)PCI-2E5.40傳感器中心頻率150 kHz聲發(fā)射門檻值35 dB峰值定義時間50 μs撞擊定義時間100 μs撞擊閉鎖時間1000 μs微震監(jiān)測系統(tǒng)新型無線微震監(jiān)測系統(tǒng)Wi-Fi傳輸方式采樣頻率0.5 kHz

本次試驗所用設(shè)備有高速攝像機(jī)、動態(tài)應(yīng)變采集儀、無線微震監(jiān)測系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)等。試樣整體尺寸為800 mm×200 mm×800 mm,軟弱基座尺寸為450 mm×200 mm×450 mm。在試樣預(yù)制裂紋處粘貼應(yīng)變片,通過動態(tài)應(yīng)變采集儀可獲得預(yù)制裂紋處應(yīng)變演化過程。采用高速攝像機(jī)記錄巖體破裂發(fā)展過程,在攝像區(qū)域布置密集測點陣列,再將采集到的圖片進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)法(digital image correlation, DIC)獲得破裂過程應(yīng)變場演化。采用專門無線微震監(jiān)測系統(tǒng)采集破裂發(fā)展過程的低頻聲信號,微震傳感器內(nèi)置無線傳輸模塊,由無線路由器傳輸數(shù)據(jù)。采用美國PAC物理聲學(xué)公司聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)(PCI-2E5.40)采集高頻聲信號。試驗設(shè)備及主要參數(shù)如表2所示。

1.3 試驗方法

1.3.1 預(yù)制裂紋長度設(shè)計

研究表明拉裂型巖體崩塌主控結(jié)構(gòu)面演化過程為Ⅰ-Ⅱ型復(fù)合裂紋問題[45],主控結(jié)構(gòu)面受力情況主要由彎矩作用和垂直于主控結(jié)構(gòu)面的拉應(yīng)力Ⅰ型裂紋(圖4(a))和平行于主控結(jié)構(gòu)面的剪應(yīng)力Ⅱ型裂紋(圖4(b))兩部分組成。

圖4 拉裂型崩塌簡化斷裂力學(xué)模型Fig. 4 Simplified fracture mechanics model for crack rock collapse

Ⅰ型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計算公式為:

(5)

(6)

(7)

式中:F為常量系數(shù);σmax為主控結(jié)構(gòu)面受到的最大拉應(yīng)力;β為貫通率;l為凹巖腔深度;H為上覆危巖體高度;γ為危巖體的重度。

Ⅱ型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計算公式為:

(8)

(9)

復(fù)合裂紋斷裂問題可通過最大周向正應(yīng)力理論的復(fù)合應(yīng)力強(qiáng)度因子Ke來判斷崩塌的穩(wěn)定性。

(10)

式中θ為破裂角,可由式(11)計算得到:

(11)

式中,k=(KⅠ/KⅡ)2, (KⅡ≠0)。

將計算得到的Ⅰ型和Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子代入式(11),即可得到破裂角θ,再由θ即可得到復(fù)合應(yīng)力強(qiáng)度因子Ke。復(fù)合斷裂韌度判別為:Ke≥KⅠC,即當(dāng)Ke-KⅠC≥0時,將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

本次試驗中巖體崩塌模型各參數(shù)為:H=0.35 m,γ=1800 kN/m3,l=0.45 m,β取0.1,0.2,……,0.9。本試驗所涉及的貫通率β為預(yù)制裂隙長度與上覆危巖體高度之比[46],經(jīng)計算貫通率為90%時,在自重條件下可發(fā)生破壞。本文試驗中,分級蠕變加載條件下貫通率取80%,模擬自然漸變條件下貫通率取90%。

1.3.2 加載方式

巖體崩塌孕育失穩(wěn)過程受控于在自然漸變荷載作用下主控結(jié)構(gòu)面的發(fā)展。自然狀態(tài)下主控結(jié)構(gòu)面的受力方式類似于分級蠕變加載[47],每一次的擾動后(如洪水沖刷基座等)崩塌應(yīng)力場重分布,達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)并持續(xù)一段時間,擾動和穩(wěn)定時間段可視為分級加載蠕變;同時分析拉裂巖質(zhì)崩塌發(fā)育力學(xué)過程,部分崩塌發(fā)育過程可視為基座逐步軟化引起主控裂紋處荷載發(fā)生改變,直至崩塌失穩(wěn)。本文通過概化兩類崩塌發(fā)育力學(xué)演化特征,開展了分級蠕變加載和基座軟化逐步演化2種類型的室內(nèi)相似模擬試驗。

1)分級蠕變加載

通過在試樣斷裂自由端上部進(jìn)行分級蠕變加載,模擬崩塌發(fā)育多次外荷載改變引起崩塌失穩(wěn)破壞過程?；诰€彈性斷裂力學(xué)理論,根據(jù)試樣I型裂紋斷裂韌性,設(shè)計分級加載的荷載為500 N和1000 N,試樣編號為CL-5。

2)自然漸變軟化荷載

為模擬基座漸變軟化引起拉裂型巖質(zhì)崩塌失穩(wěn)破壞過程,開展僅通過注水軟化基座,模擬崩塌發(fā)育過程。在基座不斷軟化,剛度降低的自然漸變過程中,研究漸進(jìn)破壞全過程聲發(fā)射和微震信號演化規(guī)律,試樣編號為DL-2。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)變及應(yīng)變場演化

2.1.1 裂縫應(yīng)變分析

分析動態(tài)應(yīng)變采集儀獲得預(yù)制裂紋處應(yīng)變演化過程。圖5(a)為分級加載過程中裂縫產(chǎn)生的應(yīng)變,圖5(b)為圖5(a)中紅色圈定區(qū)域的局部放大圖。按分級加載時間可將全過程分為3個階段,前2個階段(0～4500s)為加載階段,應(yīng)變響應(yīng)極其微弱,應(yīng)變增長速度緩慢;第三階段初(第5502.04 s)應(yīng)變值僅為0.035%,直至破壞前0.04 s時應(yīng)變出現(xiàn)突增,由0.035%升至5.9%。

圖5 各試樣應(yīng)變-時間曲線圖Fig. 5 Strain-time curve of each specimen

圖5(c)為自然漸變軟化過程中裂縫產(chǎn)生的應(yīng)變,圖5(d)為圖5(c)中紅色圈定區(qū)域的局部放大圖。由圖5(c)可知,自然漸變軟化荷載下DL-2試樣前期應(yīng)變響應(yīng)微弱;直至破壞前0.05 s應(yīng)變瞬間增大而發(fā)生快速失穩(wěn)破壞。可見,模擬自然漸變條件與分級蠕變加載條件的變形監(jiān)測結(jié)果類似,均未出現(xiàn)明顯失穩(wěn)前兆信息。

2.1.2 數(shù)字散斑應(yīng)變場分析

CL-5試樣裂紋從起裂擴(kuò)展到貫穿失穩(wěn)全過程,應(yīng)變場有明顯改變并集中在裂紋處,如圖6所示。以0.001 s為時間間隔,從裂紋起裂到貫穿失穩(wěn)全過程最大應(yīng)變分別為1%和8%,崩塌主控裂紋尖端變形增長率迅速增大,由起裂擴(kuò)展至貫通僅用了0.03 s。DL-2試樣由起裂到貫通僅0.00612 s。2個試樣的破壞速度極快,應(yīng)變響應(yīng)在瞬間完成,變形監(jiān)測難以提供可靠破裂前兆信息。

2.2 高頻信號時頻特征演化規(guī)律研究

本試驗中聲發(fā)射采集的信號頻率均為高頻信號,從時域和頻域兩方面分析聲發(fā)射采集的高頻信號。

2.2.1 聲發(fā)射信號時域參數(shù)分析

聲發(fā)射事件的幅值變化直觀反映了巖樣在加載過程中巖石所釋放能量變化;累計撞擊數(shù)為超過門檻并使某一通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號的累計,反映聲發(fā)射活動的總量和頻度[48]。

圖7(a)為分級蠕變加載下聲發(fā)射信號分布,CL-5試樣在初始注水軟化階段幾乎沒有信號產(chǎn)生,基本處于穩(wěn)定階段。在第一級荷載下導(dǎo)致主控結(jié)構(gòu)面附近出現(xiàn)應(yīng)力集中,產(chǎn)生聲發(fā)射信號,此階段聲發(fā)射幅值較小,集中分布在30～55 dB之間。經(jīng)第二次加載之后,信號持續(xù)增加,但整體幅值相比于第一次加載并未明顯增大;直至破壞前25.6 s,累計撞擊數(shù)曲線出現(xiàn)突增,大于60 dB的信號數(shù)量劇增?？梢妿r體崩塌孕育過程中聲發(fā)射信號響應(yīng)較為靈敏,距離破壞前較長時間出現(xiàn)聲發(fā)射信號突增。

圖7 各試樣聲發(fā)射幅值和累計撞擊數(shù)演化Fig. 7 Evolution of acoustic emission amplitude and cumulative impact number of each specimen

圖7(b)為模擬自然漸變軟化荷載下聲發(fā)射信號分布,根據(jù)試驗過程可將全過程分為凹巖腔軟化階段Ⅰ、加速損傷階段Ⅱ、失穩(wěn)破壞階段Ⅲ。在凹巖腔軟化階段(0～4000 s)末期集中產(chǎn)生較多信號,信號幅值較低,主要為小尺度破裂。隨著不斷注水軟化,在加速損傷階段(4000～5292.1 s)產(chǎn)生較多高幅值信號,于5292.1 s時累計撞擊數(shù)曲線出現(xiàn)陡增。相比分級加載,模擬自然漸變條件下的聲發(fā)射信號表現(xiàn)出明顯的階段性特征,可用于確定所處發(fā)展階段。

2)r值演化規(guī)律

r值為聲發(fā)射累計撞擊數(shù)與聲發(fā)射累計能量的比值,用來反映試件加載過程中內(nèi)部能量的集中度[49-51]。r值持續(xù)減小并保持較低的數(shù)值,表明聲發(fā)射數(shù)量少且能量高,處于大破裂孕育階段,其計算公式為:

r=∑N∕∑E

(12)

式中: ∑N為某相同時間間隔的AE累計撞擊數(shù);∑E為某相同時間間隔的AE累計能量。

圖8(a)為分級蠕變加載CL-5試樣的r值演化過程,圖8(b)為圖8(a)中紅色圈定區(qū)域的局部放大圖。在每級加載之后均出現(xiàn)降低,表明荷載作用對試樣造成了損傷,產(chǎn)生小尺度破裂。破壞前25.6 s時r值出現(xiàn)突增,突增后緊隨突降,顯示破裂從小破裂急劇轉(zhuǎn)為大破裂占主導(dǎo);對比聲發(fā)射撞擊數(shù),r值在破裂前出現(xiàn)急劇改變,顯示r值是更為穩(wěn)健的前兆參數(shù)。

圖8 各試樣r值隨時間變化圖Fig. 8 Plot of r value of each specimen with time

圖8(c)為模擬自然漸變荷載下DL-2試樣r值演化過程,圖8(d)為圖8(c)中紅色圈定區(qū)域的局部放大圖。在凹巖腔軟化階段的聲發(fā)射信號均為小能量信號。進(jìn)入加速損傷階段r值突增后開始降低,表明在此階段開始產(chǎn)生大尺度破裂。進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段r值又出現(xiàn)一次突增,之后r值持續(xù)降低(距破壞前6.4 s),并持續(xù)保持至試樣破壞。

3)b值演化過程

例 ：原文：“yet,as Sir Pitt Crawley would say with perfect justice in his elegant way,‘Rotten!be hanged-it produces me a good fifteen hundred a year.”（Thackeray，2001，p.57）

b值是表征試樣宏微觀裂隙擴(kuò)展尺度的有效參數(shù),其動態(tài)變化特征具有直接的物理意義,揭示了巖石內(nèi)部應(yīng)力的變化及裂紋擴(kuò)展規(guī)律[52-53]。計算巖石聲發(fā)射b值的公式為[54-55]:

lgN=a-b(A∕20)

(13)

式中:b為表征聲發(fā)射活動水平的物理量;A為聲發(fā)射幅值;N為震級間隔下的聲發(fā)射統(tǒng)計累積頻次;a為常數(shù)。

圖9(a)是分級蠕變加載試驗過程中b值演化過程,圖9(b)為圖9(a)中紅色圈定區(qū)域的局部放大圖。隨著載荷的逐漸增大,聲發(fā)射小事件所占的比例較多b值有所增加,說明此時試樣內(nèi)部以小尺度微破裂為主,巖石處于相對穩(wěn)定階段。在試樣破壞前,巖石內(nèi)部大尺度微裂紋所占比例增加并出現(xiàn)群集現(xiàn)象,微裂紋空間分布開始從無序分布向有序分布轉(zhuǎn)變,b值開始較快速下降(距破壞前22.25 s)。圖9(c)是模擬自然漸變加載試驗過程中b值演化過程,圖9(d)為圖9(c)中紅色圈定區(qū)域的局部放大圖。隨著破裂的發(fā)展,DL-2試樣b值同樣逐漸增大,進(jìn)入加速損傷階段,b值開始較快速下降(距破壞前1.52 s)。

圖9 各試樣b值演化規(guī)律Fig. 9 Evolution pattern of b value for each specimen

2.2.2 聲發(fā)射信號頻域參數(shù)分析

1)聲發(fā)射信號主頻

圖10 (a)～(c)為分級蠕變加載試樣破壞過程中高頻聲信號的主頻演化,圖10(c)為圖10(b)中黑色圈定區(qū)域的局部放大圖。由圖10 (a)～(c)可知,首次加載后分級蠕變加載試樣主頻主要分布在400 kHz左右且以高頻低幅值為主。第二次加載后(4500～5494.5 s)持續(xù)產(chǎn)生低頻大幅值信號,數(shù)秒后信號數(shù)量突增且此時產(chǎn)生的信號頻段較寬,分布在0～500 kHz之間。直至破壞前25.55 s,信號由高頻向低頻轉(zhuǎn)化,大尺度破裂產(chǎn)生。由此可見,聲發(fā)射主頻帶變寬,由高頻向低頻迅速轉(zhuǎn)換是巖石破裂可靠的前兆信息[56]。

圖10 主頻及幅值隨時間變化規(guī)律圖Fig. 10 Main frequency and amplitude variation pattern with time

圖10(d)～(f)為模擬自然漸變荷載試樣破壞過程中高頻聲信號的主頻演化,圖10(f)為圖10(e)中黑色圈定區(qū)域的局部放大圖。由圖10(d)～(f)可知,在凹巖腔軟化階段(0～4000 s)產(chǎn)生的信號多為低頻高幅值;在加速損傷階段(4000～5292.4 s)信號持續(xù)呈現(xiàn)低頻特征。臨近破壞時的信號在20～150 kHz之間均有分布且在距破壞前12.08 s出現(xiàn)更多低頻信號。

2)基于AF/RA破裂類型判別

圖11 基于RA與AF的破裂機(jī)制判定Fig. 11 Crack mechanism analysis based on RA and AF

在聲發(fā)射波形參數(shù)指標(biāo)中,RA(上升時間/振幅)與AF(平均頻率)值可用于對破裂機(jī)制進(jìn)行定性分析。一般來說,低AF值、高RA值表示剪切裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育,高AF值、低RA值則表示張拉裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育[57-60],如圖11所示。

圖12(a)～(d)為分級蠕變加載不同時段內(nèi)的RA與AF值分布,CL-5試樣經(jīng)第一次加載后,微裂紋總量稀疏,RA值分布在0～10 kHz之間,AF值主要分布30～80 kHz之間。經(jīng)第二次加載后,RA逐漸增大,AF值逐漸減小,表明剪切裂紋開始增加。臨近破壞時,RA值增大,AF值降低,剪切破裂成分迅速增加,AF-RA值呈現(xiàn)明顯條狀分布。

圖12 不同時段內(nèi)的RA與AF值分布 Fig. 12 Distribution of RA and AF in different periods

圖12(e)～(h)為模擬自然漸變荷載下不同時段內(nèi)的RA與AF值分布,DL-2試樣前期RA分布在0～50 ms/V之間,AF值分布在10～60 kHz之間。在失穩(wěn)破壞階段RA值增大,AF值減小,AF-RA分布集中在剪切破裂區(qū)域。

2.3 低頻信號分析

2.3.1 微震信號全局波形分析

DL-2試樣的全過程波形如圖13所示,將微震信號幅值做歸一化處理之后選定閾值y=0.55,分析試驗全過程微震信號幅值演化特征。圖13(b)為DL-2試樣全過程微震信號累計過閾值數(shù)出現(xiàn)3次明顯的突增,相對于變形監(jiān)測,微震信號對加載和破壞十分靈敏;突增后信號保持平穩(wěn),表明破裂呈階段發(fā)育;而破壞前出現(xiàn)信號突增,裂紋加劇破壞。

圖13 微震信號累計過閾值數(shù)Fig. 13 Cumulative number of microseismic signals over the threshold

2.3.2 微震信號主頻分析

微震監(jiān)測系統(tǒng)采集到的信號為連續(xù)波形,采用滑動時窗法(窗口大小為500個/s)截取微震信號,計算每段信號的主頻,DL-2試樣的微震信號主頻演化如圖14所示。

圖14 自然漸變荷載主頻演化規(guī)律Fig. 14 Main frequency evolution pattern of natural gradual loading

由圖14可知,DL-2試樣主頻具有呈連續(xù)密集條帶狀分布規(guī)律,DL-2試樣主頻可分為:2～18 Hz,44～92 Hz,144～446 Hz。按主頻分布特征可將微震信號分為A(高頻)、B(中頻)、C(低頻)三類信號,A類信號數(shù)量遠(yuǎn)多于B類和C類信號。由圖15可知,三類信號的時頻域波形均有較為明顯的差異。根據(jù)時域波形可將A類和B類信號定義為連續(xù)信號,C類信號為突變信號。按頻域進(jìn)行分類,A類信號為單峰結(jié)構(gòu),B類和C類信號為多峰結(jié)構(gòu)。

2.3.3 主頻變異系數(shù)

采用滑動法計算主頻變異系數(shù),主頻變異系數(shù)為主頻標(biāo)準(zhǔn)差和均值的比值,計算公式為:

(14)

(15)

DL-2試樣三類信號的主頻變異系數(shù)計算結(jié)果如圖16所示。由圖16(a)可知,DL-2試樣A類信號的主頻變異系數(shù)較為密集,總體上都呈現(xiàn)先升后降的趨勢,在失穩(wěn)前較長時間內(nèi)均出現(xiàn)降低趨勢。由圖16(b)可知,B類信號變化趨勢表現(xiàn)為波動持續(xù)上升。C類信號過少,不宜用于分析趨勢。綜合分析,A類信號失穩(wěn)前均出現(xiàn)顯著降低且提前時間較長,可通過高頻的A類信號主頻變異系數(shù)的突降來提取微震信號前兆點。

3 討論

通過對分級蠕變和模擬自然漸變2種工況下的拉裂型崩塌失穩(wěn)過程高頻段和低頻段聲信號進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,研究了模型試驗崩塌孕育全過程聲信號特征(累計撞擊數(shù)、r值、主頻、主頻變異系數(shù)、AF/RA分布、b值)。試驗結(jié)果表明,相對于傳統(tǒng)的位移監(jiān)測,采用聲發(fā)射系統(tǒng)和無線微震傳感器監(jiān)測裂隙發(fā)展過程聲信號表現(xiàn)出明顯的前兆信息,表3總結(jié)了各類參數(shù)在破裂失穩(wěn)前發(fā)生突變時可提供的預(yù)警時間。根據(jù)變形監(jiān)測得到的預(yù)警時間不到0.1 s,難以達(dá)到預(yù)警效果;而各類聲信號參數(shù)可以提供數(shù)秒至數(shù)十秒的預(yù)警時間,對于更大規(guī)模的巖體崩塌,可提供更長的預(yù)警時間。

分級蠕變加載下的預(yù)警時間比模擬自然漸變的預(yù)警時間長,分析其原因應(yīng)為分級蠕變加載較模擬自然漸變擾動大,分級蠕變加載加速危巖體損傷。統(tǒng)計參數(shù)(b值)的提前量少于物理參數(shù)(累計撞擊數(shù)、r值、主頻、頻率質(zhì)心、主頻變異系數(shù)、AF/RA分布),預(yù)警時間較為保守,分析其原因應(yīng)為統(tǒng)計參數(shù)計算的是某一時段內(nèi)的數(shù)據(jù),而物理參數(shù)則是精確的某一刻數(shù)據(jù)的變化;而統(tǒng)計參數(shù)為無量綱的表征破裂本質(zhì)轉(zhuǎn)換的參數(shù),更具可靠性。

應(yīng)該指出,本文研究中未考慮與時間相關(guān)的加載速率(分級加載中的時間間隔、自然漸變加載中基座軟化速率)等因素,研究的量綱中未包含時間,因此不能通過本次試驗結(jié)果獲得真實巖體崩塌微震預(yù)警時間,在后續(xù)研究中將進(jìn)一步考慮荷載施加速率與自然巖體崩塌的相似性。

4 結(jié)論

根據(jù)巖體崩塌孕育發(fā)展力學(xué)過程,開展分級蠕變和自然漸變2種工況下的拉裂型崩塌相似模擬試驗,采用聲發(fā)射系統(tǒng)和無線微震傳感器研究崩塌模型失穩(wěn)過程聲信號特征(累計撞擊數(shù)、r值、主頻、主頻變異系數(shù)、AF/RA分布、b值),得到以下結(jié)論:

1)位移和應(yīng)變場均僅在主破裂發(fā)展瞬間產(chǎn)生突變,難以提供指示失穩(wěn)破壞的前兆信息。

2)根據(jù)2種工況下相似模擬試驗聲發(fā)射和微震信號的特征,崩塌發(fā)展過程可分為漸變階段、主控面加速損傷階段和失穩(wěn)破壞階段。模擬自然漸變荷載下主控裂紋貫穿失穩(wěn)更為突然。

3)分析2種工況下巖體崩塌相似試驗的高頻聲發(fā)射信號時域和頻域參數(shù)特征,可為巖體崩塌失穩(wěn)提供有效的失穩(wěn)前兆指示。聲發(fā)射時域表現(xiàn)為累計撞擊數(shù)的突增、r值的持續(xù)降低、b值突降。頻域為主頻帶變寬,臨近破壞時信號由高頻迅速向低頻轉(zhuǎn)化;RA-AF在加速損傷階段和失穩(wěn)破壞階段出現(xiàn)轉(zhuǎn)化,可有效指示破壞過程中破裂主控機(jī)制的轉(zhuǎn)化。

4)采用滑動窗口法分析了試驗全過程的微震波形信號,根據(jù)主頻特征可清晰區(qū)分高頻、中頻、低頻3類信號,其中低頻信號在加速損傷階段出現(xiàn)突降,可通過低頻信號的變異系數(shù)來確定微震信號的前兆信息。