Page 39 - 《应用声学》2023年第4期

第 42 卷 第 4 期 梁鹏等： 三点弯曲试验条件下花岗岩声发射横纵波特征及损伤演化 701

load and sharp rise to the peak after the maxim load. The dominant frequencies of acoustic emission S-wave
and P-wave gradually form several dominant bands near the peak load, but their frequencies are different. The
dominant frequencies of P-wave are distributed in 0–10 kHz, 30–50 kHz and 100–110 kHz, while the dominant
frequencies of S-wave are concentrated in 0–10 kHz. Compared with the P-wave damage variable, the S-wave
damage variable can describe the rapid development process of post-peak damage and better characterize the
damage variation law of granite under three-point bending test.
Keywords: Three-point bending test; Acoustic emission; S-wave; P-wave; Time-frequency characteristics;
Damage evolution
部或整体承受拉应力引起的，岩石的抗拉强度有时
0 引言
甚至对工程稳定性起决定作用 [20−21] 。因此拉伸破
岩石受到外载荷的作用后内部积蓄应变能产 坏也为岩石破坏的主要形式之一，同样具有重要的
生弹性波的现象称为声发射 [1] 。声发射是岩石在 研究价值。而且对岩石张拉破坏过程中声发射横纵
受外载荷作用下内部结构的应力重新分布的伴生 波的时频特征，以及损伤演化表征与横纵波的关系

现象，必然和材料内部结构的断裂或者变形息息相 研究相对较少。
关 [2] 。而岩石作为一种较为复杂的非均质材料，内 基于此，开展花岗岩三点弯曲试验，通过横纵
部蕴含着丰富的裂隙和孔隙缺陷。这些裂隙和孔隙 波两种传感器接收花岗岩三点弯曲试验过程声发
缺陷影响着岩石的力学性质和破裂行为。因此，分 射信号，探究声发射横纵波信号的时频特征规律及
析岩石破坏过程声发射参数特征规律，研究其损伤 损伤演化过程，进一步揭示岩石的破裂机制。
演化过程，有助于深入揭示岩石的破裂机制，对于保
障岩体工程安全有着极其重要的价值。 1 试验设计
学者从时域和频域参数两方面对岩石声发射
1.1 试件制备
特征进行了研究。时域参数方面：蒋利松等 [3] 开
展页岩单轴压缩试验，探究不同含水率页岩的声发 试样选用山东莱州的花岗岩，将采集的花岗岩
射特征；宋宜猛等 [4] 利用声发射振铃计数和累计 加工成尺寸为 250 mm×50 mm×50 mm(长 × 宽 ×
能量，分析不同裂纹角度对砂岩试样变形破坏特征 高)的试样。在试样中部预制一条裂纹，长为20 mm，
的影响；杨增福等 [5] 通过分析声发射撞击曲线和 宽为 2 mm。对试件上下左右4 个端部进行打磨，使
能量曲线的差异性，对煤岩破坏特征的差异性进行 两端面不平整度误差小于0.05 mm。
了研究。频域参数方面：游勋等 [6] 进行花岗岩水平
1.2 试验设备
卸荷破坏试验，探究材料各向异性和应力各向异性
加载设备是型号为 TAW-3000 伺服控制试验
对声发射时频域的影响；储超群等 [7] 从力学特性
和频谱演化角度，探究花岗岩的岩爆特征和声发射 机，声发射采用美国声学物理公司 PAC 生产的
特征演化规律；曾斌鹏等 [8] 探究了红砂岩加速蠕 PCI-Express 型声发射测试分析系统，见图 1(a)。
变阶段的声发射主频特征。与此同时，许多学者也 声发射传感器采用横波和纵波两种类型的传感
从声发射 b 值 [9−11] 、熵值 [12−14] 、损伤演化 [15−16] 器，其中横波传感器型号为 SWC37-0.5，其带宽为
和分形特征 [17−18] 等方面对岩石破裂过程进行了 100 kHz∼ 5 MHz，峰值频率为 393 kHz；纵波传感
相关研究。 器型号为 R6α，其带宽为 0∼0.3 MHz，峰值频率为
在岩石声发射横纵波研究中，张艳博等 [19] 较 44.92 kHz。考虑到监测过程传感器与试样耦合性变
早对声发射横波信号进行研究，开展了花岗岩单轴 化、传感器掉落或其他故障导致无法正常接收声发
压缩声发射监测试验，对岩石破坏过程声发射横纵 射信号，每种类型传感器放置2 个，均用来接收岩石
波时频特征和演化规律进行了初步的研究。岩石具 破裂过程的声发射信号，其具体位置信息见图 1(b)，
有抗压、抗剪等力学性质，其中岩石的抗拉强度也 其中 A 为纵波传感器，B 为横波传感器。在试验数
是表征岩石力学性质的主要参数之一。岩石结构发 据分析时，每类传感器均选择其中一个接收的声发
生破坏或失稳，有很大一部分原因是由结构本身局 射信号进行分析。