刘希灵等：劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 1425 因此，即使反射波信号超过了门槛值，也会与震源 免单个撞击信号中包含其他撞击信号，影响分析 信号一起被传感器采集，但是反射信号的能量在 结果.鉴于劈裂荷载下岩石破裂高频特性，根据奈 整个信号中占比较小.虽然反射信号对整个信号 奎斯特采样定律，选取较高的采样频率，可以避免 的能量、计数等参数有影响，但对整个信号的幅 高频信号的缺失.另外，本文是通过声发射设备本 值、峰值频率没有影响.而且在加载后期裂纹成 身具有的带通滤波器进行高频降噪处理，以达到 核并形成宏观破裂面时，会有不同信号叠加，但是 信号有效采集的目的 这在声发射实验中是不可避免的，并且由于传感 2试验结果分析 器距破裂优势面较近，信号传播过程中衰减较小， 则撞击信号波形持续时间较长，选择较高的 2.1声发射信号的RA-AF特性 HLT(一个撞击(hit)闭锁时间)可以采集到单个完 一般情况下，岩石的抗拉强度远低于抗压强 整撞击信号，HDT(一个撞击(hit)定义时间)的正 度.在巴西劈裂实验过程中，两种岩石试样均沿加 确设置将确保一个AE信号反映到系统中的是一 载方向岩样中心面形成对径拉伸破坏，破裂面明 个且仅为一个hit,而且劈裂荷载下岩石破裂信号 显分离成两块，在表面间没有错动，且无小碎片及 具有明显地突发性特征，信号峰值的间隔时间较 碎屑产生，其破坏效果如图3所示，属于典型的拉 短，选择较低的PDT(信号峰值定义时间)，可以避 伸破坏，符合线弹性叠加原理) (3) (b 图3巴西劈裂实验中两种岩石的破坏形态.()花岗岩，(b)大理岩 Fig.3 Failure form of granite and marble in the Brazilian split test:(a)granite;(b)marble 在声发射特性研究中，特征参数分析是信号 波形而丧失整个波形信息的缺陷，于是，RA-AF的 处理常用的方法，其中，RA值（上升时间与幅值的 分布特征可以很好的衡量波形的特征，拉伸破坏 比值，单位msV)常用来表征声发射源的产生机 产生的信号一般具有低RA值、高AF值的特征， 制.在混凝土材料的声发射实验中，RA值已经成 而剪切破坏产生的信号一般具有高RA值、低AF 为破裂类型评判的重要参数叭，并且RA值常与平 值的特征 均频率(AF,计数与持续时间的比值，单位kHz)一 图4表示了巴西劈裂荷载下两种岩石RA和 起来分析岩石的破裂模式-0,1)，这说明RA值同 AF参数随时间变化的典型趋势.在压密阶段，由 样可以作为衡量岩石破裂模式的指标，高RA值、 于压应力的作用，裂纹的闭合和滑移致使产生较 低AF值对应剪切破坏，低RA值、高AF值对应拉 高RA值和较低AF值的信号，随拉应力的主导作 伸破坏.RA值的大小一定程度上反应了信号的突 用.微观裂纹开始起裂，RA值随之减小，AF值逐 发性（突发型的还是持续型的），RA值是上升时间 渐增大，即拉裂纹起主导地位.其中大理岩的RA 段信号包络线梯度的倒数，RA值越小说明信号波 值和AF值变化幅度高于花岗岩，这可能源于花岗 形的梯度越大，波形越具有突发型信号的特征，这 岩中的石英颗粒更容易发生剪切滑移现象20，然 种脉冲就越窄，从而频率会较高，这种信号正符合 而在临界破坏时，由于岩石的软化作用，RA值却 拉伸破坏产生的信号特征，当然RA值也不能完全 迅速增大，AF值迅速减小，如此趋势类似于其他 确定脉冲有很大的突发性或较窄，而另外一个参 文献[13).这主要是因为在劈裂荷载下，未破坏区 数AF值是计数与持续时间的比值，如果计数固 域的裂纹首先扩展，当微裂纹开始合并形成平行 定，持续时间越长则脉冲越宽，信号的频率就越 于加载方向的宏观裂纹时，由于内部损伤的加剧 低，而此时的AF值也越小；如果持续时间固定，计 微裂隙界面彼此相互移动，因裂纹具有弯曲和非 数越多则信号频率越高，而此时AF值也越大.因 对称性特点，微裂隙界面间会发生摩擦，致使较短 此，AF值的大小可在一定程度上衡量整个脉冲的 时间内产生剪切裂纹或复合裂纹，导致RA值增 频率特性，这就弥补了RA值只关注上升时间段的 加、AF值降低.值得注意的是，当应力达到60%因此，即使反射波信号超过了门槛值，也会与震源 信号一起被传感器采集，但是反射信号的能量在 整个信号中占比较小. 虽然反射信号对整个信号 的能量、计数等参数有影响，但对整个信号的幅 值、峰值频率没有影响. 而且在加载后期裂纹成 核并形成宏观破裂面时，会有不同信号叠加，但是 这在声发射实验中是不可避免的. 并且由于传感 器距破裂优势面较近，信号传播过程中衰减较小， 则 撞 击 信 号 波 形 持 续 时 间 较 长 ， 选 择 较 高 的 HLT（一个撞击（hit）闭锁时间）可以采集到单个完 整撞击信号，HDT（一个撞击（hit）定义时间）的正 确设置将确保一个 AE 信号反映到系统中的是一 个且仅为一个 hit，而且劈裂荷载下岩石破裂信号 具有明显地突发性特征，信号峰值的间隔时间较 短，选择较低的 PDT（信号峰值定义时间），可以避 免单个撞击信号中包含其他撞击信号，影响分析 结果. 鉴于劈裂荷载下岩石破裂高频特性，根据奈 奎斯特采样定律，选取较高的采样频率，可以避免 高频信号的缺失. 另外，本文是通过声发射设备本 身具有的带通滤波器进行高频降噪处理，以达到 信号有效采集的目的. 2    试验结果分析 2.1    声发射信号的 RA-AF 特性 一般情况下，岩石的抗拉强度远低于抗压强 度. 在巴西劈裂实验过程中，两种岩石试样均沿加 载方向岩样中心面形成对径拉伸破坏，破裂面明 显分离成两块，在表面间没有错动，且无小碎片及 碎屑产生，其破坏效果如图 3 所示，属于典型的拉 伸破坏，符合线弹性叠加原理[18] . 在声发射特性研究中，特征参数分析是信号 处理常用的方法，其中，RA 值（上升时间与幅值的 比值，单位 ms·V−1）常用来表征声发射源的产生机 制. 在混凝土材料的声发射实验中，RA 值已经成 为破裂类型评判的重要参数[19] ，并且 RA 值常与平 均频率（AF，计数与持续时间的比值，单位 kHz）一 起来分析岩石的破裂模式[7−10, 13] ，这说明 RA 值同 样可以作为衡量岩石破裂模式的指标，高 RA 值、 低 AF 值对应剪切破坏，低 RA 值、高 AF 值对应拉 伸破坏. RA 值的大小一定程度上反应了信号的突 发性（突发型的还是持续型的），RA 值是上升时间 段信号包络线梯度的倒数，RA 值越小说明信号波 形的梯度越大，波形越具有突发型信号的特征，这 种脉冲就越窄，从而频率会较高，这种信号正符合 拉伸破坏产生的信号特征，当然 RA 值也不能完全 确定脉冲有很大的突发性或较窄. 而另外一个参 数 AF 值是计数与持续时间的比值，如果计数固 定，持续时间越长则脉冲越宽，信号的频率就越 低，而此时的 AF 值也越小；如果持续时间固定，计 数越多则信号频率越高，而此时 AF 值也越大. 因 此，AF 值的大小可在一定程度上衡量整个脉冲的 频率特性，这就弥补了 RA 值只关注上升时间段的 波形而丧失整个波形信息的缺陷，于是，RA-AF 的 分布特征可以很好的衡量波形的特征，拉伸破坏 产生的信号一般具有低 RA 值、高 AF 值的特征， 而剪切破坏产生的信号一般具有高 RA 值、低 AF 值的特征. 图 4 表示了巴西劈裂荷载下两种岩石 RA 和 AF 参数随时间变化的典型趋势. 在压密阶段，由 于压应力的作用，裂纹的闭合和滑移致使产生较 高 RA 值和较低 AF 值的信号，随拉应力的主导作 用，微观裂纹开始起裂，RA 值随之减小，AF 值逐 渐增大，即拉裂纹起主导地位. 其中大理岩的 RA 值和 AF 值变化幅度高于花岗岩，这可能源于花岗 岩中的石英颗粒更容易发生剪切滑移现象[20] ，然 而在临界破坏时，由于岩石的软化作用，RA 值却 迅速增大，AF 值迅速减小，如此趋势类似于其他 文献 [13]. 这主要是因为在劈裂荷载下，未破坏区 域的裂纹首先扩展，当微裂纹开始合并形成平行 于加载方向的宏观裂纹时，由于内部损伤的加剧， 微裂隙界面彼此相互移动，因裂纹具有弯曲和非 对称性特点，微裂隙界面间会发生摩擦，致使较短 时间内产生剪切裂纹或复合裂纹，导致 RA 值增 加、AF 值降低. 值得注意的是，当应力达到 60% (a) (b) 图 3    巴西劈裂实验中两种岩石的破坏形态. （a）花岗岩; （b）大理岩 Fig.3    Failure form of granite and marble in the Brazilian split test: (a) granite; (b) marble 刘希灵等： 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 · 1425 ·