1426 工程科学学报，第41卷，第11期 时，大理岩出现RA值小幅度增加，AF值小幅度 RA-AF整体变化趋势基本一致，裂纹扩展过程中， 减小的趋势，这可能由于大理岩的软化作用早于 均是先产生拉伸裂纹，后伴随产生剪切裂纹或复 花岗岩所致，从花岗岩的抗拉强度高于大理岩中 合裂纹，这与Backer等2的结论也类似.这说明 可以体现，但由于在裂纹扩展中，拉伸破坏占据主 岩石结构的差异不会影响其从加载初期至最终破 导地位，导致此处大理岩RA值和AF值变化幅度 坏中裂纹演化过程，这是因为相比岩石结构的差 不明显.另外根据密度云图可知，红色区域代表 异性，受力条件对岩石裂纹模式的影响更大，这也 数据分布的高密度集中带，随着颜色由红变蓝，数 是许多研究表明不同岩性岩石所表现出来的声发 据分布也由密集变得逐渐分散稀疏，也明显发现 射参数特性均比较相似的原因阿另外文献[13] 大理岩的低RA值、高AF特性更显著（见图5和 也对岩石结构对裂纹模式的影响进行了相应分 对应的表3)，而且从图4中RA值下降趋势也可 析，发现裂纹模式并不取决于岩石结构，而是取决 知，大理岩中拉伸破坏更显著，由此说明岩石结构 于岩石的软化过程.据此，上述结果验证了通过 的差异性会影响不同裂纹模式（拉伸裂纹、剪切 RA值和AF值的变化趋势来研究岩石材料破裂 裂纹以及复合裂纹)的分布情况.而两种岩石的 机制的可行性 61 800 714 600 710 (a) (b) 5 12 83% 500 8 600--- g 10 87% 8 3 16 应力 400 60% 16 2 应力 300 平均频率 4 eaw/tf 200 4 平均頫率 1 2 2 100 RA值 RA值 0 0 10 20 30 40 50 60 10 20 30 时间s 时间s 图4劈裂荷载下花岗岩和大理岩RA和AF参数随时间的变化趋势（通过移动平均线实现）.()花岗岩，(b)大理岩 Fig.4 Trends of the mean RA and average frequency parameters under a splitting load (the two AE parameters are obtained by using moving averages): (a)granite;(b)marble 2.2声发射信号主频特征分析 有明显的带状分布特征，主要分布于100~199kHz 在以上RA-AF的分布关系中，AF代表平均 之间以及400~499kHz之间，详情见表4.从表中 频率，是计数和持续时间的比值，并不是声发射 可以看出，劈裂荷载下两种岩石峰值频率在400~ 信号的真实频率，而信号的真实频率也可以反映 499kHz区间的声发射信号最多，100~199kHz之 震源的特征.一般来说，地震信号的频率在几赫 间的信号次之.在劈裂荷载下，岩样以拉伸破坏 兹以下，微震信号的频率在几赫兹到数千赫兹之 为主，拉伸裂纹产生的声发射信号具有衰减快、 间，而声发射信号的频率则在几千赫兹到数兆赫 高频特征，而剪切裂纹释放的声发射信号具有衰 滋之间，而且频率是表征弹性波震源特性的一个 减慢、低频特征2，由此也表明拉伸破坏下岩石 重要参数.对于岩石声发射而言，不同类型的震 破裂信号包含更多高频成分.此外，在试验中，由 源产生不同尺度的破裂，不同尺度的破裂则产生 于拉应力的作用，岩样通常会沿着试样轴向中心 不同频率的信号，大尺度裂纹产生的信号含有较 面破裂，从而使得沿着岩样内部不连续面（节理、 显著的低频率成分，而小尺度裂纹产生的信号含 夹层等)破裂的几率大大降低，在这种情况下破 有较显著的高频成分22-2习在频谱分析中，峰值 裂主要来自岩样轴向中心面上矿物颗粒的分离 频率是分析信号频谱特征的一个重要参数，峰值 或者矿物颗粒内部的破坏，这些破坏尺度较小、 频率即最大能谱点的频率，在震源评估中，峰值 产生的声发射信号的频率较高.因此，花岗岩和 频率是震源频谱特征的重要表现，可将其近似看 大理岩中峰值频率在400~499kHz区间的信号 作信号的主频，通过分析不同参数值大小进行震 居多 源类型识别 2.3不同加载阶段峰值频率变化规律 两种岩石的峰值频率分布正如图6所示，具 正如2.2节所述，峰值频率在100~199kHz以时，大理岩出现 RA 值小幅度增加，AF 值小幅度 减小的趋势，这可能由于大理岩的软化作用早于 花岗岩所致，从花岗岩的抗拉强度高于大理岩中 可以体现，但由于在裂纹扩展中，拉伸破坏占据主 导地位，导致此处大理岩 RA 值和 AF 值变化幅度 不明显. 另外根据密度云图可知，红色区域代表 数据分布的高密度集中带，随着颜色由红变蓝，数 据分布也由密集变得逐渐分散稀疏，也明显发现 大理岩的低 RA 值、高 AF 特性更显著（见图 5 和 对应的表 3），而且从图 4 中 RA 值下降趋势也可 知，大理岩中拉伸破坏更显著，由此说明岩石结构 的差异性会影响不同裂纹模式（拉伸裂纹、剪切 裂纹以及复合裂纹）的分布情况. 而两种岩石的 RA-AF 整体变化趋势基本一致，裂纹扩展过程中， 均是先产生拉伸裂纹，后伴随产生剪切裂纹或复 合裂纹，这与 Backer 等[21] 的结论也类似. 这说明 岩石结构的差异不会影响其从加载初期至最终破 坏中裂纹演化过程，这是因为相比岩石结构的差 异性，受力条件对岩石裂纹模式的影响更大，这也 是许多研究表明不同岩性岩石所表现出来的声发 射参数特性均比较相似的原因[6] . 另外文献 [13] 也对岩石结构对裂纹模式的影响进行了相应分 析，发现裂纹模式并不取决于岩石结构，而是取决 于岩石的软化过程. 据此，上述结果验证了通过 RA 值和 AF 值的变化趋势来研究岩石材料破裂 机制的可行性. 2.2    声发射信号主频特征分析 在以上 RA-AF 的分布关系中，AF 代表平均 频率，是计数和持续时间的比值，并不是声发射 信号的真实频率，而信号的真实频率也可以反映 震源的特征. 一般来说，地震信号的频率在几赫 兹以下，微震信号的频率在几赫兹到数千赫兹之 间，而声发射信号的频率则在几千赫兹到数兆赫 兹之间，而且频率是表征弹性波震源特性的一个 重要参数. 对于岩石声发射而言，不同类型的震 源产生不同尺度的破裂，不同尺度的破裂则产生 不同频率的信号，大尺度裂纹产生的信号含有较 显著的低频率成分，而小尺度裂纹产生的信号含 有较显著的高频成分[22−25] . 在频谱分析中，峰值 频率是分析信号频谱特征的一个重要参数，峰值 频率即最大能谱点的频率，在震源评估中，峰值 频率是震源频谱特征的重要表现，可将其近似看 作信号的主频，通过分析不同参数值大小进行震 源类型识别[5] . 两种岩石的峰值频率分布正如图 6 所示，具 有明显的带状分布特征，主要分布于 100～199 kHz 之间以及 400～499 kHz 之间，详情见表 4. 从表中 可以看出，劈裂荷载下两种岩石峰值频率在 400～ 499 kHz 区间的声发射信号最多，100～199 kHz 之 间的信号次之. 在劈裂荷载下，岩样以拉伸破坏 为主，拉伸裂纹产生的声发射信号具有衰减快、 高频特征，而剪切裂纹释放的声发射信号具有衰 减慢、低频特征[26] , 由此也表明拉伸破坏下岩石 破裂信号包含更多高频成分. 此外，在试验中，由 于拉应力的作用，岩样通常会沿着试样轴向中心 面破裂，从而使得沿着岩样内部不连续面（节理、 夹层等）破裂的几率大大降低，在这种情况下破 裂主要来自岩样轴向中心面上矿物颗粒的分离 或者矿物颗粒内部的破坏，这些破坏尺度较小、 产生的声发射信号的频率较高. 因此，花岗岩和 大理岩中峰值频率在 400～499 kHz 区间的信号 居多. 2.3    不同加载阶段峰值频率变化规律 正如 2.2 节所述，峰值频率在 100～199 kHz 以 6 5 (a) 83% 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 0 200 400 600 800 0 2 6 10 4 8 14 12 RA 值/(ms·V−1 ) 应力 平均频率 RA值 时间/s 5 (b) 87% 60% 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 0 100 200 300 400 500 600 0 2 6 4 8 10 RA 值/(ms·V−1 ) 应力/MPa 平均频率/kHz 应力/MPa 平均频率/kHz 应力 平均频率 RA值 时间/s 图 4    劈裂荷载下花岗岩和大理岩 RA 和 AF 参数随时间的变化趋势（通过移动平均线实现[13] ）. （a）花岗岩; （b）大理岩 Fig.4    Trends of the mean RA and average frequency parameters under a splitting load (the two AE parameters are obtained by using moving averages [13] ): (a) granite; (b) marble · 1426 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期