廖之戀,陳世萬(wàn),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(yáng) 550025; 2. 貴州大學(xué) 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng) 550025;3. 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

我國(guó)西南巖溶集中發(fā)育,面積約55萬(wàn)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(gè)崩塌災(zāi)害隱患點(diǎn)[1];調(diào)查發(fā)現(xiàn),超過(guò)80%崩塌災(zāi)害點(diǎn)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(cái)產(chǎn)安全[9-10]。

巖溶山區(qū)巖體崩塌點(diǎn)多面廣、失穩(wěn)過(guò)程迅速,使有效監(jiān)測(cè)預(yù)警極具挑戰(zhàn)。聲發(fā)射/微震監(jiān)測(cè)精度高,具有連續(xù)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的特性[11-12],對(duì)巖石內(nèi)部微破裂演化過(guò)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(guò)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(cè)[21-24]。近年來(lái),一些研究證明了聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)邊坡失穩(wěn)破壞具有潛在優(yōu)勢(shì)[25-26],CODEGLIA等[27]開(kāi)展了凍融作用下危巖體崩塌的監(jiān)測(cè),通過(guò)巖質(zhì)邊坡上長(zhǎng)周期內(nèi)振鈴計(jì)數(shù)的分析,發(fā)現(xiàn)地下水及積雪的變化會(huì)影響聲發(fā)射信號(hào)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(cè)了英國(guó)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(cè)了三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)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(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)來(lái)研究巖體內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展情況,微震監(jiān)測(cè)所采集的振動(dòng)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(hào),同時(shí)通過(guò)識(shí)別信號(hào)特征參數(shù)可準(zhǔn)確識(shí)別巖體破裂產(chǎn)生的微震信號(hào)。微震監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用于崩塌災(zāi)害研究,如:崩塌落石監(jiān)測(cè)定位[31-32]、巖體破裂微震信號(hào)特征識(shí)別[33-34]、落石運(yùn)動(dòng)撞擊解體信號(hào)分析[35-36]、落石活動(dòng)性[37]、崩塌過(guò)程反演[38],這些研究證實(shí)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(hào),同時(shí)通過(guò)識(shí)別信號(hào)特征參數(shù)可準(zhǔn)確識(shí)別巖體破裂產(chǎn)生的微震信號(hào)。此外,一些研究發(fā)現(xiàn)巖體崩塌失穩(wěn)前也會(huì)出現(xiàn)明顯微震前兆信號(hào)。SENFAUTE等[39]根據(jù)陡崖危巖崩落前15 h內(nèi)微震信號(hào)頻率演化特征將崩塌孕育過(guò)程劃分為:裂紋啟裂段、裂紋生長(zhǎng)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(dòng)累計(jì)微震能量對(duì)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(cè)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(guò)程,開(kāi)展分級(jí)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(yàn),采用聲發(fā)射系統(tǒng)和無(wú)線微震傳感器研究崩塌模型失穩(wěn)過(guò)程聲信號(hào)特征,研究成果為發(fā)展巖體崩塌監(jiān)測(cè)預(yù)警方法和技術(shù)提供支撐。

1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)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(yàn)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(lái)說(shuō),模型的尺寸與原型越相近,則試驗(yàn)效果越好。本試驗(yàn)以巖溶山區(qū)典型巖體崩塌主巖灰?guī)r為研究對(duì)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(jì)算選取Cρ=1.7,由于室內(nèi)試驗(yàn)儀器及場(chǎng)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(duì)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(guò)程中產(chǎn)生與巖石破壞相似的聲信號(hào)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(guò)程中加入3%硼砂作為緩凝劑防止石膏在制樣過(guò)程中凝結(jié)過(guò)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(duì)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(yàn)如圖1所示。由試驗(yàn)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(dòng)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(guò)程使應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈下凹,聲發(fā)射活動(dòng)較強(qiáng);在彈性壓縮階段,聲發(fā)射活動(dòng)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(yàn)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(guò)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(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)設(shè)備

設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)程。

圖3 試驗(yàn)示意圖Fig. 3 Diagram of test表2 試驗(yàn)設(shè)備及主要參數(shù)設(shè)置Table 2 Test equipment and main parameter setting試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)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(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀DH3818最大采集頻率0.2 Hz測(cè)量量程19999 με最高分辨率1 με聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)PCI-2E5.40傳感器中心頻率150 kHz聲發(fā)射門(mén)檻值35 dB峰值定義時(shí)間50 μs撞擊定義時(shí)間100 μs撞擊閉鎖時(shí)間1000 μs微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)新型無(wú)線微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Wi-Fi傳輸方式采樣頻率0.5 kHz

本次試驗(yàn)所用設(shè)備有高速攝像機(jī)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀、無(wú)線微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)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(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀可獲得預(yù)制裂紋處應(yīng)變演化過(guò)程。采用高速攝像機(jī)記錄巖體破裂發(fā)展過(guò)程,在攝像區(qū)域布置密集測(cè)點(diǎn)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(guò)程應(yīng)變場(chǎng)演化。采用專門(mén)無(wú)線微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集破裂發(fā)展過(guò)程的低頻聲信號(hào),微震傳感器內(nèi)置無(wú)線傳輸模塊,由無(wú)線路由器傳輸數(shù)據(jù)。采用美國(guó)PAC物理聲學(xué)公司聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(PCI-2E5.40)采集高頻聲信號(hào)。試驗(yàn)設(shè)備及主要參數(shù)如表2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 預(yù)制裂紋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

研究表明拉裂型巖體崩塌主控結(jié)構(gòu)面演化過(guò)程為Ⅰ-Ⅱ型復(fù)合裂紋問(wèn)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(jiǎn)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(jì)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(jì)算公式為:

(8)

(9)

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

(10)

式中θ為破裂角,可由式(11)計(jì)算得到:

(11)

式中,k=(KⅠ/KⅡ)2, (KⅡ≠0)。

將計(jì)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(shí),將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

本次試驗(yàn)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(yàn)所涉及的貫通率β為預(yù)制裂隙長(zhǎng)度與上覆危巖體高度之比[46],經(jīng)計(jì)算貫通率為90%時(shí),在自重條件下可發(fā)生破壞。本文試驗(yàn)中,分級(jí)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(guò)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(jí)蠕變加載[47],每一次的擾動(dòng)后(如洪水沖刷基座等)崩塌應(yīng)力場(chǎng)重分布,達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)并持續(xù)一段時(shí)間,擾動(dòng)和穩(wěn)定時(shí)間段可視為分級(jí)加載蠕變;同時(shí)分析拉裂巖質(zhì)崩塌發(fā)育力學(xué)過(guò)程,部分崩塌發(fā)育過(guò)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(guò)概化兩類崩塌發(fā)育力學(xué)演化特征,開(kāi)展了分級(jí)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(yàn)。

1)分級(jí)蠕變加載

通過(guò)在試樣斷裂自由端上部進(jìn)行分級(jí)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(guò)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(jì)分級(jí)加載的荷載為500 N和1000 N,試樣編號(hào)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(guò)程,開(kāi)展僅通過(guò)注水軟化基座,模擬崩塌發(fā)育過(guò)程。在基座不斷軟化,剛度降低的自然漸變過(guò)程中,研究漸進(jìn)破壞全過(guò)程聲發(fā)射和微震信號(hào)演化規(guī)律,試樣編號(hào)為DL-2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)變及應(yīng)變場(chǎng)演化

2.1.1 裂縫應(yīng)變分析

分析動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀獲得預(yù)制裂紋處應(yīng)變演化過(guò)程。圖5(a)為分級(jí)加載過(guò)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(jí)加載時(shí)間可將全過(guò)程分為3個(gè)階段,前2個(gè)階段(0～4500s)為加載階段,應(yīng)變響應(yīng)極其微弱,應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)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(shí)應(yīng)變出現(xiàn)突增,由0.035%升至5.9%。

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

圖5(c)為自然漸變軟化過(guò)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(jiàn),模擬自然漸變條件與分級(jí)蠕變加載條件的變形監(jiān)測(cè)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(chǎng)分析

CL-5試樣裂紋從起裂擴(kuò)展到貫穿失穩(wěn)全過(guò)程,應(yīng)變場(chǎng)有明顯改變并集中在裂紋處,如圖6所示。以0.001 s為時(shí)間間隔,從裂紋起裂到貫穿失穩(wěn)全過(guò)程最大應(yīng)變分別為1%和8%,崩塌主控裂紋尖端變形增長(zhǎng)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(gè)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(cè)難以提供可靠破裂前兆信息。

2.2 高頻信號(hào)時(shí)頻特征演化規(guī)律研究

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

2.2.1 聲發(fā)射信號(hào)時(shí)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(guò)程中巖石所釋放能量變化;累計(jì)撞擊數(shù)為超過(guò)門(mén)檻并使某一通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號(hào)的累計(jì),反映聲發(fā)射活動(dòng)的總量和頻度[48]。

圖7(a)為分級(jí)蠕變加載下聲發(fā)射信號(hào)分布,CL-5試樣在初始注水軟化階段幾乎沒(méi)有信號(hào)產(chǎn)生,基本處于穩(wěn)定階段。在第一級(jí)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(hào),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(hào)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(jì)撞擊數(shù)曲線出現(xiàn)突增,大于60 dB的信號(hào)數(shù)量劇增?？梢?jiàn)巖體崩塌孕育過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)較為靈敏,距離破壞前較長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)突增。

圖7 各試樣聲發(fā)射幅值和累計(jì)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(hào)分布,根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程可將全過(guò)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(hào),信號(hào)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(hào),于5292.1 s時(shí)累計(jì)撞擊數(shù)曲線出現(xiàn)陡增。相比分級(jí)加載,模擬自然漸變條件下的聲發(fā)射信號(hào)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(jì)撞擊數(shù)與聲發(fā)射累計(jì)能量的比值,用來(lái)反映試件加載過(guò)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(jì)算公式為:

r=∑N∕∑E

(12)

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

圖8(a)為分級(jí)蠕變加載CL-5試樣的r值演化過(guò)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(jí)加載之后均出現(xiàn)降低,表明荷載作用對(duì)試樣造成了損傷,產(chǎn)生小尺度破裂。破壞前25.6 s時(shí)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(duì)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(shí)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(guò)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(hào)均為小能量信號(hào)。進(jìn)入加速損傷階段r值突增后開(kāi)始降低,表明在此階段開(kāi)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(guò)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(dòng)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(jì)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(dòng)水平的物理量;A為聲發(fā)射幅值;N為震級(jí)間隔下的聲發(fā)射統(tǒng)計(jì)累積頻次;a為常數(shù)。

圖9(a)是分級(jí)蠕變加載試驗(yàn)過(guò)程中b值演化過(guò)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(shuō)明此時(shí)試樣內(nèi)部以小尺度微破裂為主,巖石處于相對(duì)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(kāi)始從無(wú)序分布向有序分布轉(zhuǎn)變,b值開(kāi)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(yàn)過(guò)程中b值演化過(guò)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(kāi)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(hào)頻域參數(shù)分析

1)聲發(fā)射信號(hào)主頻

圖10 (a)～(c)為分級(jí)蠕變加載試樣破壞過(guò)程中高頻聲信號(hào)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(jí)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(hào),數(shù)秒后信號(hào)數(shù)量突增且此時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)頻段較寬,分布在0～500 kHz之間。直至破壞前25.55 s,信號(hào)由高頻向低頻轉(zhuǎn)化,大尺度破裂產(chǎn)生。由此可見(jiàn),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(shí)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(guò)程中高頻聲信號(hào)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(hào)多為低頻高幅值;在加速損傷階段(4000～5292.4 s)信號(hào)持續(xù)呈現(xiàn)低頻特征。臨近破壞時(shí)的信號(hào)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(hào)。

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(shí)間/振幅)與AF(平均頻率)值可用于對(duì)破裂機(jī)制進(jìn)行定性分析。一般來(lái)說(shuō),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(jí)蠕變加載不同時(shí)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(kāi)始增加。臨近破壞時(shí),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(shí)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(shí)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(hào)分析

2.3.1 微震信號(hào)全局波形分析

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

圖13 微震信號(hào)累計(jì)過(guò)閾值數(shù)Fig. 13 Cumulative number of microseismic signals over the threshold

2.3.2 微震信號(hào)主頻分析

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的信號(hào)為連續(xù)波形,采用滑動(dòng)時(shí)窗法(窗口大小為500個(gè)/s)截取微震信號(hào),計(jì)算每段信號(hào)的主頻,DL-2試樣的微震信號(hào)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(hào)分為A(高頻)、B(中頻)、C(低頻)三類信號(hào),A類信號(hào)數(shù)量遠(yuǎn)多于B類和C類信號(hào)。由圖15可知,三類信號(hào)的時(shí)頻域波形均有較為明顯的差異。根據(jù)時(shí)域波形可將A類和B類信號(hào)定義為連續(xù)信號(hào),C類信號(hào)為突變信號(hào)。按頻域進(jìn)行分類,A類信號(hào)為單峰結(jié)構(gòu),B類和C類信號(hào)為多峰結(jié)構(gòu)。

2.3.3 主頻變異系數(shù)

采用滑動(dòng)法計(jì)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(jì)算公式為:

(14)

(15)

DL-2試樣三類信號(hào)的主頻變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖16所示。由圖16(a)可知,DL-2試樣A類信號(hào)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(shì),在失穩(wěn)前較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)均出現(xiàn)降低趨勢(shì)。由圖16(b)可知,B類信號(hào)變化趨勢(shì)表現(xiàn)為波動(dòng)持續(xù)上升。C類信號(hào)過(guò)少,不宜用于分析趨勢(shì)。綜合分析,A類信號(hào)失穩(wěn)前均出現(xiàn)顯著降低且提前時(shí)間較長(zhǎng),可通過(guò)高頻的A類信號(hào)主頻變異系數(shù)的突降來(lái)提取微震信號(hào)前兆點(diǎn)。

3 討論

通過(guò)對(duì)分級(jí)蠕變和模擬自然漸變2種工況下的拉裂型崩塌失穩(wěn)過(guò)程高頻段和低頻段聲信號(hào)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,研究了模型試驗(yàn)崩塌孕育全過(guò)程聲信號(hào)特征(累計(jì)撞擊數(shù)、r值、主頻、主頻變異系數(shù)、AF/RA分布、b值)。試驗(yàn)結(jié)果表明,相對(duì)于傳統(tǒng)的位移監(jiān)測(cè),采用聲發(fā)射系統(tǒng)和無(wú)線微震傳感器監(jiān)測(cè)裂隙發(fā)展過(guò)程聲信號(hào)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(shí)可提供的預(yù)警時(shí)間。根據(jù)變形監(jiān)測(cè)得到的預(yù)警時(shí)間不到0.1 s,難以達(dá)到預(yù)警效果;而各類聲信號(hào)參數(shù)可以提供數(shù)秒至數(shù)十秒的預(yù)警時(shí)間,對(duì)于更大規(guī)模的巖體崩塌,可提供更長(zhǎng)的預(yù)警時(shí)間。

分級(jí)蠕變加載下的預(yù)警時(shí)間比模擬自然漸變的預(yù)警時(shí)間長(zhǎng),分析其原因應(yīng)為分級(jí)蠕變加載較模擬自然漸變擾動(dòng)大,分級(jí)蠕變加載加速危巖體損傷。統(tǒng)計(jì)參數(shù)(b值)的提前量少于物理參數(shù)(累計(jì)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(shí)間較為保守,分析其原因應(yīng)為統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算的是某一時(shí)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(jì)參數(shù)為無(wú)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(shí)間相關(guān)的加載速率(分級(jí)加載中的時(shí)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(shí)間,因此不能通過(guò)本次試驗(yàn)結(jié)果獲得真實(shí)巖體崩塌微震預(yù)警時(shí)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(guò)程,開(kāi)展分級(jí)蠕變和自然漸變2種工況下的拉裂型崩塌相似模擬試驗(yàn),采用聲發(fā)射系統(tǒng)和無(wú)線微震傳感器研究崩塌模型失穩(wěn)過(guò)程聲信號(hào)特征(累計(jì)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(chǎng)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(yàn)聲發(fā)射和微震信號(hào)的特征,崩塌發(fā)展過(guò)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(yàn)的高頻聲發(fā)射信號(hào)時(shí)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(shí)域表現(xiàn)為累計(jì)撞擊數(shù)的突增、r值的持續(xù)降低、b值突降。頻域?yàn)橹黝l帶變寬,臨近破壞時(shí)信號(hào)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(guò)程中破裂主控機(jī)制的轉(zhuǎn)化。

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