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摘要：本文对砂岩和花岗岩两类岩石样本分别进行了岩石单轴压裂条件下的声发射信号的观测试验。通过统计分析，研究了两类岩石样本的声发射信号的时域特性。研究结果表明：砂岩和花岗岩的声发射信号的时域特征都具有三个阶段的模式。但由于岩性的不同，两类岩石的声发射信号产生的三个阶段压力特性和阶段的组合结构具有很大的差异。因此，在建立声发射信号与监测工程岩体失稳的识别模式中，岩性也是重要的因素。
关键词：声发射;砂岩;花岗岩
An approach to the time characteristics of acoustic emission singles of two type of rocks under uniaxial compression loading
Abstract：In the paper，the experiments are performed for the acquisition of acoustic emission singles from the sandstone and granite samples under the uniaxial compression loading and the time characteristics of the acoustic emission data of the two types of the rocks are analyzed statistically. The results shows that acoustic emission singles of the sandstone and granite are all of the modes of the three stages，and the features of pressure and combination of the three stages are various with the various lithology，which shows that the lithology is also one of the important factors in the recognization mode of rock mass failure by acoustic emission singles.
Key words：acoustic emission;sandstone;granite
1.引言
我国的声发射技术研究起步较晚，在60年代末70年代初才开始这方面的工作。秦四清、李造鼎[1][2][3]等对岩石的声发射进行了大量的研究，包括岩石的Kaiser效应、岩石声发射的空间分形特征以及岩断裂过程中的声发射特征，从理论上导出了岩石声发射的力学模型，以及岩石声发射振铃数与应力强度因子的关系，并将它们分别应用于岩石的地应力测量和岩石开裂点的判断上，提高了地应力和岩石断裂韧度的测量精度[4]。张晖晖等人通过三轴应力条件下大尺度岩石损伤破坏声发射试验，得到了3类不同岩石破坏全过程力学特征和声发射特征。并得出结论岩石的破坏类型主要为脆性破坏，岩石在加载过程中有明显的能量加速释放现象[5]。康志强等人进行了岩石受压破裂过程应力应变及声发射特性研究，得到岩样在试验载荷达到峰值前声发射率与声发射能量参数成正比关系，达到峰值后应力大小与声发射率和声发射的能量参数不成正比关系的结论[6]。
隧道施工过程中的监控量测和监测是保证施工人员的生命安全以及工程的顺利进行的重要保证。基于声发射技术的工程安全监测方法具有无损、实时等特征。因此，本文以隧道开挖过程中常见的砂岩和花崗岩为样本，研究了两类岩石的声发射信号时域特性，分析了匀速加载压力条件下，岩石受力破坏特点和声发射信号特性之间的对应模式，旨在为发展声发射技术在隧道施工程中的安全监测应用方法奠定应用理论基础。
2.试验介绍
（1）试验系统
声发射信号是由于物体内部结构的变化从而释放出的应力能，信号弱，成分复杂，突发性强，及时的准确的捕捉声发射信号是我们所设计的系统的主要目标，本论文所使用的是基于LabView的声发射采集和处理系统。该系统主要由设备硬件子系统和驱动软件子系统两部分构成。
1）设备硬件子系统
本论文试验所用的硬件设备主要有：压力试验机、数字式测力仪、多道数据采集板卡、超生波传感器。声发射采集试验系统的工作原理图如图1 所示。
2）驱动软件子系统
试验所用软件是基于LabVIEW语言编写的虚拟仪器软件。主要有数据采集和数据处理软件两部分。采集软件可以在岩石单轴压缩条件下对声发射信号进行实时数值采集并存储。处理软件的功能主要有：文件读取、滤波、数据的时域分析、数据的频域分析、处理结果的保存和显示。
图1 声发射采集试验系统工作原理图
（2）试验方案
本试验目的在于探究在单轴压裂条件下砂岩和花岗岩两类样本的声发射信号的特征，实验方案主要包括压裂岩石样本选取和压裂加载速率。综合考虑实验结果的代表性和实验的工作量， 选取岩性均匀的砂岩和花岗岩块，每类岩块分别切割选取了5个试验样本。岩石单轴压裂试验采用2.5 KN/s的匀速加载，采用2只48KHz的超声换能器同步采集岩石声压裂过程中的发射信号。试验方案设计见表如下：
表1 试验方案
组别
岩石类别
样本尺寸
加载速率（KN/s）
样本个数 A组
砂岩
10cm×10cm×10cm立方体
2.5
5
B组
花岗岩
10cm×10cm×10cm立方体
2.5
5
（3）试验步骤
1）准备试验材料
2）连接并调试观测仪器。观测仪器的连接如下：将信号采集板卡插入计算机的标准总线扩展槽内，两支换能器分别连接板卡的两个采集通道，采集板卡和换能器之间通过接线盒连接。由计算机控制的设计的软件控制采集板卡的采集功能。计算机、采集板卡以及接线盒完全接地。
3）固定换能器。用固定器将两个换能器分别固定在试验样本块的两个相对的表面，以凡士林涂作为换能器与试块相接触表面的偶合剂。
4）试块固定。将试块置于压力区正中位置，固定压力机上下两叶，打开压力机开关，准备加压。
5）同时启动单轴压裂试验和声发射采集试验。以恒定加载速率加压，开始岩石单轴压裂试验，同步启动采集软件，实时地采集声发射信号并存储，与此同时密切观察试验中出现的现象并及时记录。
图2 试验现场照片
3.声发射信号时域特征分析
时域分析主要分析岩石试件在匀速加载压力直至破坏的时间范围内，声发射信号出现的频数和振幅强度的变化特征，建立岩石受力破坏特点和声发射信号特性之间的对应模式。
1）背景干扰噪声的分析
由于实验中压力机等机械设备运行时存在强大的声噪声背景，对试验的背景干扰噪声进行分析，是正确分析声发射信号特性的重要基础。图3是在所有实验设备正常运行，但未加载岩石试件条件下测量记录的背景干扰噪声的时间记录波形图。通过对时间记录波形图统计分析，发现背景干扰噪声的振幅幅值分布在2mv-3mv之间。
图3 背景干扰噪声波形图
2）两类岩石样本声发射信号时域分析
（1）砂岩样本声发射信号时域分析。试验发现，各个砂岩样本的时域分布规律基本一致，不失一般性，图4中显示了1号砂岩样本在匀速加载压力直至破坏的时间记录波形图。图中记录以每15s为一间隔连续显示。以15s时间为单位，并以背景噪声干扰振幅为2.5mv，对所有5个有砂岩样本的声发射事件进行了时域振幅分析，分别统计振幅大于2倍、3倍、4倍、5倍、10倍背景噪声干扰振幅的声发射事件数。图5 为统计的各级别幅值的事件数随压力增大的变化趋势以及各级别幅值的声发射事件占各压力段信号总数的比例规律图。图中左边纵坐标为声发射事件个数，右边纵坐标为试验时加载压力，横坐标代表试验的时间，以秒为单位。图中不同颜色的直方形表示各级幅值的声发射信号事件数。从图中可以得出以下结论：
a.从整个试验过程来看，砂岩声发射活动较为活跃的阶段共有三个，对应压力范围为37KN-150KN、260KN-290KN和290KN-330KN。我们将这三个阶段称为加载初期、加载中期、加载后期。
b. 在上述三个声发射活动较活跃时期内，加载后期的声发射事件数最多，幅值也最大，其声发射活动也最为强烈。
c. 随着声发射事件幅值的增大，其所占各时间段声发射事件比例减小。幅值大于2倍、3倍、4倍、5倍、10倍背景干扰幅值的事件数占各段总事件数比例范围分别为0.4-0.6、0.25-0.33、0.07-0.16、0.04-0.13、0.01-0.07。
图4 1号砂岩样本声发射信号的时间记录波形图
图5 全部砂岩样本各级幅值声发射事件数统计图
同样地，不失一般性，取其中1号花岗岩样本为例其原始波形图如下：
图6 1号花岗岩样本声发射信号时间记录波形图
（2）花岗岩样本声发射信号时域分析。图6为 1号花岗岩样本在匀速加载压力直至破坏的时间记录波形图。类似的，通过对所有花岗岩样本的声发射事件数进行统计，做出各级别幅值的事件数随压力变化趋势以及各级别幅值的声发射事件占各压力段信号总数的比例规律图（图7）
图7 全部花岗岩样本各级幅值声发射事件统计图
分析研究图6和图7可以发现，在匀速加载压力条件下，花岗岩声发射事件数和事件强度都远远大于砂岩的声发射事件数和事件强度，但也存在与砂岩的声发射事件类似特征：
a.花岗岩声发射事件数较多的时期也可分为加载初期、加载中期、加
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载后期三个阶段：0-150KN、260KN-485KN、600KN-670KN阶段。
b. 在上述三个声发射活动较活跃时期内，加载后期的声发射事件数最多，幅值也最大，既声发射活动也最为强烈。
c.声发射信号幅值越大，其事件数占同时间段声发射事件总数的比例越小。幅值大于2倍、3倍、4倍、5倍、10倍背景干扰幅值的事件数占各时间段段事件数比例变化范围分别为：0.35-0.75、0.18-0.26、0.06-0.18、0.04-0.15、0.01-0.08。
由于声发射信号是试件内部的结构的变化所释放的以应力波为形式的能量。声发射信号的幅值大小与信号的能量的成正比，幅值大能量则大，幅值小能量则小，三个声发射信号主要阶段也就是三个主要的能量释放阶段。因此我们可以基于能量的观点解释两类岩石样本的三个声发射事件集中阶段现象：在加载的初期，小能量的声发射信号所占比例较大，大能量的信号所占比例较小，说明试件内部结构有变化但是很微小，在此阶段，试件内部本身的微小裂隙被压密，试件从高能量状态过度到低能量状态，因此才有声发射信号的产生，但是因为结构变化较小，因此所释放的能量也较小。第二个阶段，也就是加载中期阶段，声发射信号事件数很少且绝大部分幅值较小，释放的能量也很小，可以视作试件处在弹性压密阶段，状态稳定，裂隙发育不强烈。第三阶段，也就是加载后期，声发射事件数急剧增多，且幅值较大的声发射事件所占比例也逐渐增大，幅值较小的事件比例逐渐减小，因此能量释放也较猛烈。此时试件内部裂隙发育强烈，在试验过程中也可以听到噼噼啪啪的声响，试件本身出现明显的裂隙，最终失稳破坏。
对比将砂岩和花岗岩时域分析结果，可以得知：
a. 高密度的花岗岩抗压强度更大，样本压裂持时更长。花岗岩样本的声发射事件数和事件强度远远大于砂岩样本。
b. 砂岩和花岗岩样本声发射信号产生的阶段都可以分为三个阶段：加载初期、加载中期和加载后期。
c.花岗岩相较于砂岩，加载初期出现的更快，刚一加压就有声发射信号产生，而砂岩刚加载的时候几乎没有声发射信号产生。
d.花岗岩加载中期在时间上更靠近加载前期，而砂岩加载中期更靠近加载后期。
结论
匀速加载压力条件下，砂岩和花岗岩的声发射信号的时域特征具有三个阶段模式。但由于岩性的不同，两类岩石的声发射信号产生的三个阶段压力特性和阶段的组合结构具有很大的差异。因此，在建立声发射信号与监测隧道开挖工程岩体失稳的识别模式中，岩性也是重要的因素。
参考文献：
[1] 秦四清.岩石断裂过程中的声发射试验研究[J].地质灾害与环境保护.1994，5（3）：48-55
[2] 秦四清，李造鼎等.岩石发射力学模型及其应用.应用声学[J].1992，11（1）：1-4
[3] 秦四清，李造鼎.岩石声发射事件在空间上的分型分布研究[J].应用声学.1992，11（4）：19-21
[4] 殷正刚.岩石破坏过程中的声发射特征及其损伤实验研究[D].中南大学.硕士论文.2005：4-5
[5] 张晖晖，刘峰，常福清.岩石损伤破坏过程声发射试验及其能量特征分析[J].公路交通科技.2011，28（3）
[6] 康志强，于洋，李闻杰.岩石受压破裂过程应力应变及声发射特性研究[J].金属矿山.2011，416（2）
关键词：声发射;砂岩;花岗岩
An approach to the time characteristics of acoustic emission singles of two type of rocks under uniaxial compression loading
Abstract：In the paper，the experiments are performed for the acquisition of acoustic emission singles from the sandstone and granite samples under the uniaxial compression loading and the time characteristics of the acoustic emission data of the two types of the rocks are analyzed statistically. The results shows that acoustic emission singles of the sandstone and granite are all of the modes of the three stages，and the features of pressure and combination of the three stages are various with the various lithology，which shows that the lithology is also one of the important factors in the recognization mode of rock mass failure by acoustic emission singles.
Key words：acoustic emission;sandstone;granite
1.引言
我国的声发射技术研究起步较晚，在60年代末70年代初才开始这方面的工作。秦四清、李造鼎[1][2][3]等对岩石的声发射进行了大量的研究，包括岩石的Kaiser效应、岩石声发射的空间分形特征以及岩断裂过程中的声发射特征，从理论上导出了岩石声发射的力学模型，以及岩石声发射振铃数与应力强度因子的关系，并将它们分别应用于岩石的地应力测量和岩石开裂点的判断上，提高了地应力和岩石断裂韧度的测量精度[4]。张晖晖等人通过三轴应力条件下大尺度岩石损伤破坏声发射试验，得到了3类不同岩石破坏全过程力学特征和声发射特征。并得出结论岩石的破坏类型主要为脆性破坏，岩石在加载过程中有明显的能量加速释放现象[5]。康志强等人进行了岩石受压破裂过程应力应变及声发射特性研究，得到岩样在试验载荷达到峰值前声发射率与声发射能量参数成正比关系，达到峰值后应力大小与声发射率和声发射的能量参数不成正比关系的结论[6]。
隧道施工过程中的监控量测和监测是保证施工人员的生命安全以及工程的顺利进行的重要保证。基于声发射技术的工程安全监测方法具有无损、实时等特征。因此，本文以隧道开挖过程中常见的砂岩和花崗岩为样本，研究了两类岩石的声发射信号时域特性，分析了匀速加载压力条件下，岩石受力破坏特点和声发射信号特性之间的对应模式，旨在为发展声发射技术在隧道施工程中的安全监测应用方法奠定应用理论基础。
2.试验介绍
（1）试验系统
声发射信号是由于物体内部结构的变化从而释放出的应力能，信号弱，成分复杂，突发性强，及时的准确的捕捉声发射信号是我们所设计的系统的主要目标，本论文所使用的是基于LabView的声发射采集和处理系统。该系统主要由设备硬件子系统和驱动软件子系统两部分构成。
1）设备硬件子系统
本论文试验所用的硬件设备主要有：压力试验机、数字式测力仪、多道数据采集板卡、超生波传感器。声发射采集试验系统的工作原理图如图1 所示。
2）驱动软件子系统
试验所用软件是基于LabVIEW语言编写的虚拟仪器软件。主要有数据采集和数据处理软件两部分。采集软件可以在岩石单轴压缩条件下对声发射信号进行实时数值采集并存储。处理软件的功能主要有：文件读取、滤波、数据的时域分析、数据的频域分析、处理结果的保存和显示。
图1 声发射采集试验系统工作原理图
（2）试验方案
本试验目的在于探究在单轴压裂条件下砂岩和花岗岩两类样本的声发射信号的特征，实验方案主要包括压裂岩石样本选取和压裂加载速率。综合考虑实验结果的代表性和实验的工作量， 选取岩性均匀的砂岩和花岗岩块，每类岩块分别切割选取了5个试验样本。岩石单轴压裂试验采用2.5 KN/s的匀速加载，采用2只48KHz的超声换能器同步采集岩石声压裂过程中的发射信号。试验方案设计见表如下：
表1 试验方案
组别
岩石类别
样本尺寸
加载速率（KN/s）
样本个数 A组
砂岩
10cm×10cm×10cm立方体
2.5
5
B组
花岗岩
10cm×10cm×10cm立方体
2.5
5
（3）试验步骤
1）准备试验材料
2）连接并调试观测仪器。观测仪器的连接如下：将信号采集板卡插入计算机的标准总线扩展槽内，两支换能器分别连接板卡的两个采集通道，采集板卡和换能器之间通过接线盒连接。由计算机控制的设计的软件控制采集板卡的采集功能。计算机、采集板卡以及接线盒完全接地。
3）固定换能器。用固定器将两个换能器分别固定在试验样本块的两个相对的表面，以凡士林涂作为换能器与试块相接触表面的偶合剂。
4）试块固定。将试块置于压力区正中位置，固定压力机上下两叶，打开压力机开关，准备加压。
5）同时启动单轴压裂试验和声发射采集试验。以恒定加载速率加压，开始岩石单轴压裂试验，同步启动采集软件，实时地采集声发射信号并存储，与此同时密切观察试验中出现的现象并及时记录。
图2 试验现场照片
3.声发射信号时域特征分析
时域分析主要分析岩石试件在匀速加载压力直至破坏的时间范围内，声发射信号出现的频数和振幅强度的变化特征，建立岩石受力破坏特点和声发射信号特性之间的对应模式。
1）背景干扰噪声的分析
由于实验中压力机等机械设备运行时存在强大的声噪声背景，对试验的背景干扰噪声进行分析，是正确分析声发射信号特性的重要基础。图3是在所有实验设备正常运行，但未加载岩石试件条件下测量记录的背景干扰噪声的时间记录波形图。通过对时间记录波形图统计分析，发现背景干扰噪声的振幅幅值分布在2mv-3mv之间。
图3 背景干扰噪声波形图
2）两类岩石样本声发射信号时域分析
（1）砂岩样本声发射信号时域分析。试验发现，各个砂岩样本的时域分布规律基本一致，不失一般性，图4中显示了1号砂岩样本在匀速加载压力直至破坏的时间记录波形图。图中记录以每15s为一间隔连续显示。以15s时间为单位，并以背景噪声干扰振幅为2.5mv，对所有5个有砂岩样本的声发射事件进行了时域振幅分析，分别统计振幅大于2倍、3倍、4倍、5倍、10倍背景噪声干扰振幅的声发射事件数。图5 为统计的各级别幅值的事件数随压力增大的变化趋势以及各级别幅值的声发射事件占各压力段信号总数的比例规律图。图中左边纵坐标为声发射事件个数，右边纵坐标为试验时加载压力，横坐标代表试验的时间，以秒为单位。图中不同颜色的直方形表示各级幅值的声发射信号事件数。从图中可以得出以下结论：
a.从整个试验过程来看，砂岩声发射活动较为活跃的阶段共有三个，对应压力范围为37KN-150KN、260KN-290KN和290KN-330KN。我们将这三个阶段称为加载初期、加载中期、加载后期。
b. 在上述三个声发射活动较活跃时期内，加载后期的声发射事件数最多，幅值也最大，其声发射活动也最为强烈。
c. 随着声发射事件幅值的增大，其所占各时间段声发射事件比例减小。幅值大于2倍、3倍、4倍、5倍、10倍背景干扰幅值的事件数占各段总事件数比例范围分别为0.4-0.6、0.25-0.33、0.07-0.16、0.04-0.13、0.01-0.07。
图4 1号砂岩样本声发射信号的时间记录波形图
图5 全部砂岩样本各级幅值声发射事件数统计图
同样地，不失一般性，取其中1号花岗岩样本为例其原始波形图如下：
图6 1号花岗岩样本声发射信号时间记录波形图
（2）花岗岩样本声发射信号时域分析。图6为 1号花岗岩样本在匀速加载压力直至破坏的时间记录波形图。类似的，通过对所有花岗岩样本的声发射事件数进行统计，做出各级别幅值的事件数随压力变化趋势以及各级别幅值的声发射事件占各压力段信号总数的比例规律图（图7）
图7 全部花岗岩样本各级幅值声发射事件统计图
分析研究图6和图7可以发现，在匀速加载压力条件下，花岗岩声发射事件数和事件强度都远远大于砂岩的声发射事件数和事件强度，但也存在与砂岩的声发射事件类似特征：
a.花岗岩声发射事件数较多的时期也可分为加载初期、加载中期、加
下转第404页
上接第401页
载后期三个阶段：0-150KN、260KN-485KN、600KN-670KN阶段。
b. 在上述三个声发射活动较活跃时期内，加载后期的声发射事件数最多，幅值也最大，既声发射活动也最为强烈。
c.声发射信号幅值越大，其事件数占同时间段声发射事件总数的比例越小。幅值大于2倍、3倍、4倍、5倍、10倍背景干扰幅值的事件数占各时间段段事件数比例变化范围分别为：0.35-0.75、0.18-0.26、0.06-0.18、0.04-0.15、0.01-0.08。
由于声发射信号是试件内部的结构的变化所释放的以应力波为形式的能量。声发射信号的幅值大小与信号的能量的成正比，幅值大能量则大，幅值小能量则小，三个声发射信号主要阶段也就是三个主要的能量释放阶段。因此我们可以基于能量的观点解释两类岩石样本的三个声发射事件集中阶段现象：在加载的初期，小能量的声发射信号所占比例较大，大能量的信号所占比例较小，说明试件内部结构有变化但是很微小，在此阶段，试件内部本身的微小裂隙被压密，试件从高能量状态过度到低能量状态，因此才有声发射信号的产生，但是因为结构变化较小，因此所释放的能量也较小。第二个阶段，也就是加载中期阶段，声发射信号事件数很少且绝大部分幅值较小，释放的能量也很小，可以视作试件处在弹性压密阶段，状态稳定，裂隙发育不强烈。第三阶段，也就是加载后期，声发射事件数急剧增多，且幅值较大的声发射事件所占比例也逐渐增大，幅值较小的事件比例逐渐减小，因此能量释放也较猛烈。此时试件内部裂隙发育强烈，在试验过程中也可以听到噼噼啪啪的声响，试件本身出现明显的裂隙，最终失稳破坏。
对比将砂岩和花岗岩时域分析结果，可以得知：
a. 高密度的花岗岩抗压强度更大，样本压裂持时更长。花岗岩样本的声发射事件数和事件强度远远大于砂岩样本。
b. 砂岩和花岗岩样本声发射信号产生的阶段都可以分为三个阶段：加载初期、加载中期和加载后期。
c.花岗岩相较于砂岩，加载初期出现的更快，刚一加压就有声发射信号产生，而砂岩刚加载的时候几乎没有声发射信号产生。
d.花岗岩加载中期在时间上更靠近加载前期，而砂岩加载中期更靠近加载后期。
结论
匀速加载压力条件下，砂岩和花岗岩的声发射信号的时域特征具有三个阶段模式。但由于岩性的不同，两类岩石的声发射信号产生的三个阶段压力特性和阶段的组合结构具有很大的差异。因此，在建立声发射信号与监测隧道开挖工程岩体失稳的识别模式中，岩性也是重要的因素。
参考文献：
[1] 秦四清.岩石断裂过程中的声发射试验研究[J].地质灾害与环境保护.1994，5（3）：48-55
[2] 秦四清，李造鼎等.岩石发射力学模型及其应用.应用声学[J].1992，11（1）：1-4
[3] 秦四清，李造鼎.岩石声发射事件在空间上的分型分布研究[J].应用声学.1992，11（4）：19-21
[4] 殷正刚.岩石破坏过程中的声发射特征及其损伤实验研究[D].中南大学.硕士论文.2005：4-5
[5] 张晖晖，刘峰，常福清.岩石损伤破坏过程声发射试验及其能量特征分析[J].公路交通科技.2011，28（3）
[6] 康志强，于洋，李闻杰.岩石受压破裂过程应力应变及声发射特性研究[J].金属矿山.2011，416（2）