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 ·
992 工程科学学报，第42卷，第8期 ○-2.78 ○-3.28 Magnitude -4.50 -5.00 -3.89 -2.78 Stage 2: Stage 3: Stage 4: (b) 202.1992249-304.9882426s 606.1193752-334.8700203s 336.0350351-353.9187746s 图4线荷载条件下声发射事件破裂震级及时空演化.()破裂震级三维视图：(b)不同阶段有效声发射事件增量（依据信噪比绘制） Fig.4 Located magnitude and spatial evolution of AE events for the linear load:(a)the located magnitude shown in the 3D model;(b)the effective AE increment at different stages(marker sizes are scaled by signal to noise ratio) 203个效定位事件，随时间不断增加阶段末出现有 件下显著减缓了圆盘损伤累计的时间和释放能量 效声发射事件集中剧烈增加现象，最大频率为21s, 的大小，使得微裂纹迅速成核、扩展及贯通，达到 破裂震级最大为-3.48.巴西圆盘起裂位于圆盘中 破坏峰值强度后发生剧烈的脆性破坏.非线荷载 心以下约12mm:阶段3持续时间从373.4738827s 条件下巴西劈裂试验起裂时刻早于线荷载，且裂 至423.9923606s,一共有71个有效声发射定位事 纹稳定扩展阶段（阶段2）时间较长，表明非线荷载 件，频率随时间先减小后出现剧烈增加，最大有效 方式可有效控制微裂纹的稳定扩展.这种现象可 声发射事件频率由约3s剧增至72s,破裂震级 以解释为非线荷载条件下随着接触面积增大，使 最大为-3.24，位置与阶段1相比稍微靠近圆盘中心； 圆盘受力面积增大，减缓了应力集中，使圆盘内部 阶段4持续时间从425.0513716s至484.2164435s, 微裂纹稳定扩展. 一共有654个有效声发射定位事件，开始阶段有 采用三点法四计算了裂缝网络的几何形状， 效定位事件频率相对较低，约为2s,事件集中剧 所得的极分布被投影到下半球，密度高的区域表 烈增加发生在阶段末，频率为289s,破裂震级最 明存在优先取向.有效定位声发射事件的极点密 大为-2.09.整体来说，非线荷载条件下有效声发 度如图6所示，结果表明线/俳线荷载巴西圆盘破 射事件定位位置较为分散，但基本位于加载方向， 裂面均在整体上近似垂直.然而，线荷载条件下巴 与实验结果较为一致 西圆盘破裂面的走向分布在W12N至W15S范 通过对线/俳线荷载条件下巴西劈裂试验试样 围内，非线荷载条件下巴西圆盘破裂面的走向分 损伤演化对比，可以得出以下结论：相同加载速率 布在W18N至W20S范围内，表明非线荷载破裂 下，阶段2~阶段4的声发射事件发生在不同的位 面的局部扭曲程度大于线荷载.作为对比，非线荷 置，均随着荷载的增加，平均震级随之增大.声发 载条件下得到的宏观破裂面局部扭曲程度亦大于 射信号的信噪比亦呈增大趋势，表明裂纹破裂释 线荷载 放的能量随着试样接近破裂越来越大.线荷载条 采用Gutenberg-Richter关系式表示震源与
203 个效定位事件，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 21 s−1 ， 破裂震级最大为−3.48. 巴西圆盘起裂位于圆盘中 心以下约 12 mm；阶段 3 持续时间从 373.4738827 s 至 423.9923606 s，一共有 71 个有效声发射定位事 件，频率随时间先减小后出现剧烈增加，最大有效 声发射事件频率由约 3 s−1 剧增至 72 s−1，破裂震级 最大为−3.24，位置与阶段 1 相比稍微靠近圆盘中心； 阶段 4 持续时间从 425.0513716 s 至 484.2164435 s， 一共有 654 个有效声发射定位事件，开始阶段有 效定位事件频率相对较低，约为 2 s−1，事件集中剧 烈增加发生在阶段末，频率为 289 s−1，破裂震级最 大为−2.09. 整体来说，非线荷载条件下有效声发 射事件定位位置较为分散，但基本位于加载方向， 与实验结果较为一致. 通过对线/非线荷载条件下巴西劈裂试验试样 损伤演化对比，可以得出以下结论：相同加载速率 下，阶段 2～阶段 4 的声发射事件发生在不同的位 置，均随着荷载的增加，平均震级随之增大. 声发 射信号的信噪比亦呈增大趋势，表明裂纹破裂释 放的能量随着试样接近破裂越来越大. 线荷载条 件下显著减缓了圆盘损伤累计的时间和释放能量 的大小，使得微裂纹迅速成核、扩展及贯通，达到 破坏峰值强度后发生剧烈的脆性破坏. 非线荷载 条件下巴西劈裂试验起裂时刻早于线荷载，且裂 纹稳定扩展阶段（阶段 2）时间较长，表明非线荷载 方式可有效控制微裂纹的稳定扩展. 这种现象可 以解释为非线荷载条件下随着接触面积增大，使 圆盘受力面积增大，减缓了应力集中，使圆盘内部 微裂纹稳定扩展. 采用三点法[24] 计算了裂缝网络的几何形状， 所得的极分布被投影到下半球，密度高的区域表 明存在优先取向. 有效定位声发射事件的极点密 度如图 6 所示，结果表明线/非线荷载巴西圆盘破 裂面均在整体上近似垂直. 然而，线荷载条件下巴 西圆盘破裂面的走向分布在 W12°N 至 W15°S 范 围内，非线荷载条件下巴西圆盘破裂面的走向分 布在 W18°N 至 W20°S 范围内，表明非线荷载破裂 面的局部扭曲程度大于线荷载. 作为对比，非线荷 载条件下得到的宏观破裂面局部扭曲程度亦大于 线荷载. 采用 Gutenberg-Richter 关系式[25] 表示震源与 S4 S5 S1 S2 S6 S3 S8 S7 UP DOWN E W S N −2.78 −3.28 Magnitude −4.50 −5.00 −3.89 −2.78 Stage 2: 202.1992249−304.9882426 s (a) (b) Stage 3: 306.1193752−334 .8700203 s Stage 4: 336.0350351−353.9187746 s 图 4 线荷载条件下声发射事件破裂震级及时空演化. （a）破裂震级三维视图；（b）不同阶段有效声发射事件增量（依据信噪比绘制） Fig.4 Located magnitude and spatial evolution of AE events for the linear load: (a) the located magnitude shown in the 3D model; (b) the effective AE increment at different stages (marker sizes are scaled by signal to noise ratio) · 992 · 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 993· (a) S1 ○-2.11 0-2.96 Magnitude 0-3.67 -4.99 -3.54 -2.09 Stage 2: Stage 3: Stage 4: (b) 100.5892033-371.9930491s 373.4738827-423.9923606s 425.0513716-484.2164435s 8 2 图5非线荷载条件下声发射事件破裂震级及时空演化.()破裂震级三维视图：(b)不同阶段有效声发射事件增量（依据信噪比绘制） Fig.5 Located magnitude and spatial evolution of AE events for the non-linear load:(a)the located magnitude shown in the 3D model;(b)the effective AE increment at different stages(marker sizes are scaled by signal to noise ratio) (a) (b) 0 6×104 1.2×10 0 2.6×10㎡ 3×10 9×10 1.3×10 4x10:4x10 图6微裂纹极点密度及宏观破裂面模式.(a)线荷载：(b)非线荷载 Fig.6 Stereonets of microcrack pole density and macroscopic fracture modes:(a)linear load;(b)non-linear load 频率的关系： 前震提供先兆信息，是震级分布及能量释放剧烈 IgN=-bM+a (1) 程度的重要指标：N为不超过相对震级M的有效 定位事件累计数：n为传感器数量；d为第i个传感 M=lg (2) 器和震源之间的距离，m;WRMS:是第i个传感器波 n 形幅度的均方根；W是第1个传感器的所有J个采 样点的第j个振幅点.图7展示了线非线荷载声 发射事件累计次数lgW与相对震级M之间的关 (3) 系.线荷载条件下声发射有效定位事件震级分布 WRMSi 在-5.0~-2.78之间，震级M大于-4.0的声发射事 式中，a为常数；b通常称为b值，其变化规律可为 件占8.95%.震级在-5.0~-4.50声发射事件出现
频率的关系： lgN = −bM +a （1） M= lg ∑n i (WRMSidi) n （2） WRMSi = vuuuut ∑ J j=1 W2 j J （3） 式中，a 为常数；b 通常称为 b 值，其变化规律可为 前震提供先兆信息，是震级分布及能量释放剧烈 程度的重要指标；N 为不超过相对震级 M 的有效 定位事件累计数；n 为传感器数量；di 为第 i 个传感 器和震源之间的距离，m；WRMSi 是第 i 个传感器波 形幅度的均方根；Wj 是第 i 个传感器的所有 J 个采 样点的第 j 个振幅点. 图 7 展示了线/非线荷载声 发射事件累计次数 lgN 与相对震级 M 之间的关 系. 线荷载条件下声发射有效定位事件震级分布 在−5.0～−2.78 之间，震级 M 大于−4.0 的声发射事 件占 8.95%. 震级在−5.0～−4.50 声发射事件出现 S4 S5 S1 S2 S6 S3 S8 S7 UP DOWN E W S N −2.11 −2.96 Magnitude −3.67 −4.99 −3.54 −2.09 Stage 2: 100.5892033−371.9930491 s Stage 3: 373.4738827−423.9923606 s Stage 4: 425.0513716−484.2164435 s (a) (b) 图 5 非线荷载条件下声发射事件破裂震级及时空演化. （a）破裂震级三维视图；（b）不同阶段有效声发射事件增量（依据信噪比绘制） Fig.5 Located magnitude and spatial evolution of AE events for the non-linear load: (a) the located magnitude shown in the 3D model; (b) the effective AE increment at different stages (marker sizes are scaled by signal to noise ratio) S N N W E 0 3×104 6×104 9×104 1.2×105 S W E 0 1.3×104 2.6×104 4×104 5.4×104 (a) (b) 图 6 微裂纹极点密度及宏观破裂面模式. （a）线荷载；（b）非线荷载 Fig.6 Stereonets of microcrack pole density and macroscopic fracture modes: (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 · 993 ·
994 工程科学学报，第42卷，第8期 3.5(a ◇gW -Linear fiting Frequency 3000 4 (b 3000 ◇leN Frequency 3.0 1g=-1.49554.0298 Linear fiting 2400 3 2400 25 R2=0.988 lgN=-0.9742M1.3110 b-value:1.4955 R2=0.980 2.0 1800 b-value:0.9742 1800 2 1.5 1200 10 3 600 600 05 4.5 -4.0 -3.5 -3.0 5.0 -4.5 -4.0-3.5-3.0-2.5 -2.0 0 Magnitude Magnitude 图7声发射事件频数、累计数与震级M的关系.(a)线荷载：(b)非线荷载 Fig.7 Relationship between the frequency,cumulative number and magnitude M of AE events:(a)linear load;(b)non-linear load 的次数最为集中，有效定位事件累计数呈递减分 致性.非线荷载条件下，声发射有效定位事件的累 布，当向右端移动时，有效声发射事件累计数骤然 计频数1gW与相对震级拟合直线方程为： 下降，且越来越低.非线荷载条件下，声发射有效 1gN=-0.9742M-1.3110 (5) 定位事件震级分布在-4.99~-2.09之间，震级 常数a为-1.3110，b值为0.9742，R2=-0.980 M大于-4.0的声发射事件占36.3%.有效定位事件 表1给出了线/非线荷载条件下巴西圆盘的声 累计数分布规律与线荷载条件下一致.线荷载条 发射特征结果，通过对比可以得出以下结论：相同 件下，声发射有效定位事件的累计频数1gW与相对 加载速率下，线荷载较大震级事件较非线荷载少， 震级拟合直线方程为： b值较非线荷载要大.震级分布结果表明线荷载 1gW=-1.4955M-4.0298 (4) 条件能有效控制大震级声发射事件的产生.其原 式中，常数a为-4.0298，b值为1.4955，R2=0.988.此 因可能是线荷载条件下施加面积较小，在小面积 外，线性荷载条件下另一组砂岩巴西劈裂试验的 荷载条件下巴西圆盘边缘产生了应力集中，发生 b值为1.3724叭，两组试验的结果显示了较好的一 了局部剪切破裂而诱发圆盘的整体破裂 表1线/非线荷载条件下声发射特征对比 Table 1 Comparison of acoustic emission characteristics under linear/non-linear loading Load conditions Effective located AE Center distance of crack Maximum Maximum Strike of fracture b-value events initiation/mm frequency/s magnitude Damage stability Linear load 1131 About 15 234 -2.78 Unstable W12N-W15S1.4955 Non-linear load 931 About 12 289 -2.09 Relatively stable W18N-W20S 0.9742 2.3震源机制反演 式中，trace(m)为3×3矩阵的迹；；为矩张量的特征 采用Knopoff和Randal2提出的矩张量反演 值：ε为衡量CLVD成分相对于DC成分大小的参数： 方法分析线俳线荷载过程中微裂纹破裂机制，将 矩张量分解为各向同性部分(ISO)、纯双力偶 6=-m小 (9) (DC)和补偿线性矢量偶极成分(CLVD).其中 式中，m和分别为矩张量偏量部分中绝对值 ISO部分可表示理想爆炸源或内缩源，DC成分可 最小和最大的特征值 代表剪切破裂或者断层的相对错动机制，CLVD成 图8(a)给出了线荷载条件下AE事件的矩张量 分为补偿体积变化在平行于最大主应力的平面内 分解的成分比例统计分析结果用以定量分析破裂 产生的质点运动2，矩张量各分量成分占比采用 类型.ISO、DC和CLVD成分比例分别主要分布在 PIso PDC和PCLVD表示，公式计算如下： -60%~70%、-100%~100%和-100%~100%之间 1 trace(m) P1s0= (6) 依据Ohtsu2I提出的判断破裂类型的方法，张拉破 3 max (i) 裂、剪切破裂及混合型破裂占比分别为47.76%、 PCLVD =28(1-IPIsol) (7) 24.79%及27.35%.图8(b)给出了非线荷载条件 PDC =1-IPIsol-IPCLVDI (8) 下，ISO、DC和CLVD成分分别主要分布在-55%~
的次数最为集中，有效定位事件累计数呈递减分 布，当向右端移动时，有效声发射事件累计数骤然 下降，且越来越低. 非线荷载条件下，声发射有效 定 位 事 件 震 级 分 布 在 −4.99～ −2.09 之 间 ， 震 级 M 大于−4.0 的声发射事件占 36.3%. 有效定位事件 累计数分布规律与线荷载条件下一致. 线荷载条 件下，声发射有效定位事件的累计频数 lgN 与相对 震级拟合直线方程为： lgN = −1.4955M −4.0298 （4） 式中，常数 a 为−4.0298，b 值为 1.4955，R 2=0.988. 此 外，线性荷载条件下另一组砂岩巴西劈裂试验的 b 值为 1.3724[19] ，两组试验的结果显示了较好的一 致性. 非线荷载条件下，声发射有效定位事件的累 计频数 lgN 与相对震级拟合直线方程为： lgN = −0.9742M −1.3110 （5） 常数 a 为−1.3110，b 值为 0.9742，R 2=0.980. 表 1 给出了线/非线荷载条件下巴西圆盘的声 发射特征结果，通过对比可以得出以下结论：相同 加载速率下，线荷载较大震级事件较非线荷载少， b 值较非线荷载要大. 震级分布结果表明线荷载 条件能有效控制大震级声发射事件的产生. 其原 因可能是线荷载条件下施加面积较小，在小面积 荷载条件下巴西圆盘边缘产生了应力集中，发生 了局部剪切破裂而诱发圆盘的整体破裂. 2.3 震源机制反演 采用 Knopoff 和 Randal[26] 提出的矩张量反演 方法分析线/非线荷载过程中微裂纹破裂机制，将 矩张量分解为各向同性部分（ ISO）、纯双力偶 （ DC）和补偿线性矢量偶极成分（CLVD） . 其中 ISO 部分可表示理想爆炸源或内缩源，DC 成分可 代表剪切破裂或者断层的相对错动机制，CLVD 成 分为补偿体积变化在平行于最大主应力的平面内 产生的质点运动[27] ，矩张量各分量成分占比采用 PISO、PDC 和 PCLVD 表示，公式计算如下： PISO= 1 3 trace (m) max(|λi |) （6） PCLVD = 2ε(1−|PISO|) （7） PDC = 1−|PISO|−|PCLVD| （8） 式中，trace(m) 为 3×3 矩阵的迹；λi 为矩张量的特征 值；ε 为衡量 CLVD 成分相对于 DC 成分大小的参数： ε = −λ dev |min| / λ dev |max| （9） λ dev |min| λ dev 式中， 和 |max| 分别为矩张量偏量部分中绝对值 最小和最大的特征值. 图 8（a）给出了线荷载条件下 AE 事件的矩张量 分解的成分比例统计分析结果用以定量分析破裂 类型. ISO、DC 和 CLVD 成分比例分别主要分布在 −60%～70%、−100%～100% 和−100%～100% 之间. 依据 Ohtsu[28] 提出的判断破裂类型的方法，张拉破 裂、剪切破裂及混合型破裂占比分别为 47.76%、 24.79% 及 27.35%. 图 8（ b）给出了非线荷载条件 下，ISO、DC 和 CLVD 成分分别主要分布在−55%～ 表 1 线/非线荷载条件下声发射特征对比 Table 1 Comparison of acoustic emission characteristics under linear/non-linear loading Load conditions Effective located AE events Center distance of crack initiation/mm Maximum frequency/s−1 Maximum magnitude Damage stability Strike of fracture b-value Linear load 1131 About 15 234 −2.78 Unstable W12°N−W15°S 1.4955 Non-linear load 931 About 12 289 −2.09 Relatively stable W18°N−W20°S 0.9742 3.5 lgN Frequency 3000 3.0 Linear fiting 2400 2.5 lgN=−1.4955M−4.0298 R 2=0.988 b-value: 1.4955 1800 2.0 1200 lgN 1.5 600 1.0 0 0.5 0 −5.0 −4.5 −4.0 −3.5 −3.0 −2.5 Magnitude Frequency lgN 4 (a) (b) Frequency 3000 3 Linear fiting 2400 lgN=−0.9742M−1.3110 R 2=0.980 b-value: 0.9742 1800 2 1200 lgN 600 1 0 0 −5.0 −4.5 −4.0 −3.5 −3.0 −2.5 −2.0 Magnitude Frequency 图 7 声发射事件频数、累计数与震级 M 的关系. （a）线荷载；（b）非线荷载 Fig.7 Relationship between the frequency, cumulative number and magnitude M of AE events: (a) linear load; (b) non-linear load · 994 · 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 995· 20 20m (a) ISO component (b) 16 IS component CLVD component 8 8 4 0 -100 -50 0 50 00 -100 -50 0 50 100 Distribution range of component/ Distribution range of component/ 图8矩张量成分占比.(a)线荷载：(b)非线荷载 Fig.8 Percentage of component of moment tensor components for the linear load:(a)linear load;(b)non-linear load 55%、-100%~100%和100%~100%之间依据0htsu 孔隙率砂岩圆盘试样的起裂位置位于圆盘中心上 的破裂类型的判断方法，张拉破裂、剪切破裂及混 方15mm左右，而非线荷载条件下，起裂位置在圆 合型破裂占比分别为48.92%、23.09%及28.03%. 盘中心下方12mm左右，两者不同阶段声发射事 为进一步揭露震源机制，采用沙滩球表示单 件发生在不同的位置.线/非线性条件下，巴西圆 个震源破裂方位，以便直观地展示三维坐标系下 盘试样的起裂位置均不在圆盘中心，与二维理论 岩石破裂方位（走向、倾角）等震源机制解2别从 假定存在较大出入.巴西破裂试验圆盘假定的二 线荷载条件下巴西劈裂试验的有效声发射定位事 维受力条件实际是三维的，并且荷载条件对圆盘 件选取震级最大的5个事件进行矩张量分解，计 起裂位置影响显著，随着荷载接触面积的增大巴 算的破裂方位用沙滩球表示，如图9(a)所示.DC 西圆盘起裂位置向圆心位置靠近，这与Garcia- 成分对于理解试样断裂过程起着重要的作用，DC Fernandez等的研究结论一致. 成分百分比最小为-55.8%，最大为45%.其中2个 线荷载条件下巴西劈裂试验的破裂峰值荷载 的震源机制为剪切破坏(Majority DC),其余3个为 为11.10kN,非线荷载条件下为15.02kN.此外，还 非剪切破坏(Majority non-DC).非线荷载条件下巴 分别进行了3组无声发射监测的线荷载条件下的 西劈裂试验的最大的5个有效定位事件的分解结 巴西劈裂试验，其峰值荷载的均值为9.96kN:非线 果如图9(b)所示.DC成分百分比最小为-87.3%， 荷载条件下的巴西劈裂试验，其峰值荷载的均值 最大为46.5%.其中，3个的震源机制为剪切破坏 为14.67kN两者的峰值荷载存在差异，非线荷 (Majority DC),其余2个为非剪切破坏(Majority 载条件下，巴西劈裂峰值荷载大于线荷载条件，这 non-DC) 与Komurlu和Kesimall34及Erarslan等B的研究结 表2展示了线/啡线荷载条件下巴西圆盘的震 论一致.本研究中，声发射事件均分布在圆盘非中 源机制结果，通过对比分析可以得出如下结论，线/ 心位置，也从声发射角度表明两种加载装置的荷 非线荷载条件下巴西劈裂试验微裂纹破裂主要由 载条件并不能保证巴西圆盘中心起裂，荷载接触 张拉及剪切两种破裂形式.值得注意的是，其张拉 面积应比ISRM建议的标准巴西破裂试验大，以进 破裂、剪切破裂所占比例接近，这是前人所没有揭 一步减弱圆盘与加载装置接触部位的应力集中现 示的.破裂的机制均可以解释为近似平行于荷载 象，这与前人8的试验观察和数值分析结果一致 方向上的张拉裂纹的萌生、扩展及贯通 因此，由于巴西圆盘非中心起裂，可以推测其峰值 荷载计算得到的抗拉强度可能要比真实值低 3起裂位置及评估抗拉强度的讨论 许多研究学者⑧山，边-训报道了岩石或类岩石 4结论 材料巴西劈裂试验起裂位置偏离中心的现象，即 本文采用声发射监测系统，监测低孔隙率砂 便对平面加载装置进行了很多改进，如弧形加载 岩巴西圆盘在线/俳线荷载条件下破坏过程中的声 夹、垫条加载等，但巴西圆盘起裂位置偏离中心的 发射事件数量、能量特征、破裂机制等，从声波信 现象仍然常常发生.本研究中，线荷载条件下，低 号上探索相同加载速率下不同荷载条件试样三维
55%、−100%～100% 和−100%～100% 之间. 依据Ohtsu 的破裂类型的判断方法，张拉破裂、剪切破裂及混 合型破裂占比分别为 48.92%、23.09% 及 28.03%. 为进一步揭露震源机制，采用沙滩球表示单 个震源破裂方位，以便直观地展示三维坐标系下 岩石破裂方位（走向、倾角）等震源机制解[29−31] . 从 线荷载条件下巴西劈裂试验的有效声发射定位事 件选取震级最大的 5 个事件进行矩张量分解，计 算的破裂方位用沙滩球表示，如图 9（a）所示. DC 成分对于理解试样断裂过程起着重要的作用，DC 成分百分比最小为−55.8%，最大为 45%. 其中 2 个 的震源机制为剪切破坏（Majority DC），其余 3 个为 非剪切破坏（Majority non-DC）. 非线荷载条件下巴 西劈裂试验的最大的 5 个有效定位事件的分解结 果如图 9（b）所示. DC 成分百分比最小为−87.3%， 最大为 46.5%. 其中，3 个的震源机制为剪切破坏 （Majority DC），其余 2 个为非剪切破坏（Majority non-DC）. 表 2 展示了线/非线荷载条件下巴西圆盘的震 源机制结果，通过对比分析可以得出如下结论，线/ 非线荷载条件下巴西劈裂试验微裂纹破裂主要由 张拉及剪切两种破裂形式. 值得注意的是，其张拉 破裂、剪切破裂所占比例接近，这是前人所没有揭 示的. 破裂的机制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. 3 起裂位置及评估抗拉强度的讨论 许多研究学者[8, 11, 32−33] 报道了岩石或类岩石 材料巴西劈裂试验起裂位置偏离中心的现象，即 便对平面加载装置进行了很多改进，如弧形加载 夹、垫条加载等，但巴西圆盘起裂位置偏离中心的 现象仍然常常发生. 本研究中，线荷载条件下，低 孔隙率砂岩圆盘试样的起裂位置位于圆盘中心上 方 15 mm 左右，而非线荷载条件下，起裂位置在圆 盘中心下方 12 mm 左右，两者不同阶段声发射事 件发生在不同的位置. 线/非线性条件下，巴西圆 盘试样的起裂位置均不在圆盘中心，与二维理论 假定存在较大出入. 巴西破裂试验圆盘假定的二 维受力条件实际是三维的，并且荷载条件对圆盘 起裂位置影响显著，随着荷载接触面积的增大巴 西圆盘起裂位置向圆心位置靠近 ，这与 GarciaFernandez 等[12] 的研究结论一致. 线荷载条件下巴西劈裂试验的破裂峰值荷载 为 11.10 kN，非线荷载条件下为 15.02 kN. 此外，还 分别进行了 3 组无声发射监测的线荷载条件下的 巴西劈裂试验，其峰值荷载的均值为 9.96 kN；非线 荷载条件下的巴西劈裂试验，其峰值荷载的均值 为 14.67 kN[19] . 两者的峰值荷载存在差异，非线荷 载条件下，巴西劈裂峰值荷载大于线荷载条件，这 与 Komurlu 和 Kesimal[34] 及 Erarslan 等[35] 的研究结 论一致. 本研究中，声发射事件均分布在圆盘非中 心位置，也从声发射角度表明两种加载装置的荷 载条件并不能保证巴西圆盘中心起裂，荷载接触 面积应比 ISRM 建议的标准巴西破裂试验大，以进 一步减弱圆盘与加载装置接触部位的应力集中现 象，这与前人[8, 36] 的试验观察和数值分析结果一致. 因此，由于巴西圆盘非中心起裂，可以推测其峰值 荷载计算得到的抗拉强度可能要比真实值低. 4 结论 本文采用声发射监测系统，监测低孔隙率砂 岩巴西圆盘在线/非线荷载条件下破坏过程中的声 发射事件数量、能量特征、破裂机制等，从声波信 号上探索相同加载速率下不同荷载条件试样三维 20 16 12 8 Percentage of component/ % 4 0 −100 −50 0 50 100 Distribution range of component/% (a) ISO component DC component CLVD component ISO component DC component CLVD component 20 16 12 8 Percentage of component/ % 4 0 −100 −50 0 50 100 Distribution range of component/% (b) 图 8 矩张量成分占比. （a）线荷载；（b）非线荷载 Fig.8 Percentage of component of moment tensor components for the linear load: (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 · 995 ·
996 工程科学学报，第42卷，第8期 N (a) Strike=296.9/67.2°，Dip=49.2/53.1° Percentage of DC component=-55.8% T P Majority non-DC Percentage of component=15.8% T Strike=-78.2/201.2°，Dip=81.8/14.8° Strike=116.4 Dip=29.0 Percentage of DC component=45% P Majority DC Majority DC Percentage of DC component=-40% N Strike=l77.3°，Dip=54.6° N N 。一Sensor。 Strike=256.1°，Dip=17.7° Percentage of DC component=13.4% Majority non-DCN Majority non-DC (b) Percentage of DC component=-39.8% Percentage of DC component=39.1% Strike=-297.4°，Dip=70.1° Strike-94.3,Dip=22.7 Majority non-DC Majority non-DC oP N Percentage of DC compandnt=45.3 Strike=125.2/255.4°，Dp=25.8/72.7° Majority D Percentage of DC component=-87.3% Strike=17.2/144.5°，Dip=12.8/82.2° N oP Majority DC Majority DC Strike=320.9/136.1°，Dip=63.6/26.5° Percentagc of DC component=46.5% 图9震级最大的5个声发射事件震源机制解.()线荷载：(b)非线荷载 Fig.9 Focal mechanism solutions of the five AE events with the largest magnitude:(a)linear load;(b)non-linear load 表2线俳线荷载条件下震源机制对比 Table 2 Comparison of focal mechanisms under linear/non-linear loads Load Proportion of ISO Proportion of DC Proportion of CLVD Proportion of tensile Proportion of shear conditions component/% component/% component/% crack/% crack/% Main source type Linear load -40-60 -80-100 -60-80 47.76 24.79 Tensile and shear Non-linear load -40-50 -80-100 -80-80 48.92 23.09 Tensile and shear 损伤演化及震源机制的异同点，具体结论如下： 件异常活跃，声发射累计数及频率呈跳跃式增长 (1)线俳线荷载条件下，低孔隙率砂岩圆盘试 (2)圆盘所受荷载面积显著影响损伤累计的 样在相同加载速率下均为非中心起裂，两者不同阶 时间和释放能量的大小.非线荷载较线荷载条件， 段声发射事件发生在不同的位置.随着试样荷载 其圆盘所受荷载面积逐渐增大，增加了损伤累计 的增加，信噪比和平均震级均随之增大，裂纹破裂 的时间和声发射事件的剧烈程度，有效地控制了 释放的能量随之增大.特别是峰值附近，声发射事 裂纹的稳定扩展，使得最终贯通发生的脆性破裂
损伤演化及震源机制的异同点，具体结论如下： （1）线/非线荷载条件下，低孔隙率砂岩圆盘试 样在相同加载速率下均为非中心起裂，两者不同阶 段声发射事件发生在不同的位置. 随着试样荷载 的增加，信噪比和平均震级均随之增大，裂纹破裂 释放的能量随之增大. 特别是峰值附近，声发射事 件异常活跃，声发射累计数及频率呈跳跃式增长. （2）圆盘所受荷载面积显著影响损伤累计的 时间和释放能量的大小. 非线荷载较线荷载条件， 其圆盘所受荷载面积逐渐增大，增加了损伤累计 的时间和声发射事件的剧烈程度，有效地控制了 裂纹的稳定扩展，使得最终贯通发生的脆性破裂 表 2 线/非线荷载条件下震源机制对比 Table 2 Comparison of focal mechanisms under linear/non-linear loads Load conditions Proportion of ISO component/% Proportion of DC component/% Proportion of CLVD component/% Proportion of tensile crack/% Proportion of shear crack/% Main source type Linear load −40−60 −80−100 −60−80 47.76 24.79 Tensile and shear Non-linear load −40−50 −80−100 −80−80 48.92 23.09 Tensile and shear N Strike=296.9/67.2°, Dip=49.2/53.1° Percentage of DC component=−55.8% N T T N T P P P N T P N T P N T P N T P N T P N T P N T P Majority DC Percentage of DC component=−40% Strike=177.3°, Dip=54.6° Strike=78.2/201.2°, Dip=81.8/14.8° Percentage of DC component=45% Majority non-DC Majority DC Percentage of component=15.8% Strike=116.4°, Dip=29.0° Majority non-DC Percentage of DC component=39.1% Strike=297.4°, Dip=70.1° Majority non-DC Strike=256.1°, Dip=17.7° Percentage of DC component=13.4% Majority non-DC Percentage of DC compondnt=−45.3% Strike=125.2/255.4°, Dip=25.8/72.7° Majority DC Majority DC Strike=320.9/136.1°, Dip=63.6/26.5° Percentagc of DC component=46.5% Percentage of DC component=−39.8% Strike=94.3°, Dip=22.7° Majority non-DC Majority DC Percentage of DC component=−87.3% Strike=17.2/144.5°, Dip=12.8/82.2° W N W N Sensor (a) (b) 图 9 震级最大的 5 个声发射事件震源机制解. （a）线荷载；（b）非线荷载 Fig.9 Focal mechanism solutions of the five AE events with the largest magnitude: (a) linear load; (b) non-linear load · 996 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期