岩石声发射定位技术及其实验验证

第30卷第10期岩土工程学报Vol.30No.102008年….10月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringOct.,2008岩石声发射定位技术及其实验验证赵兴东1，2，刘建坡2，李元辉2，3，田军2，朱万成2（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004；3.中国科学院岩土力学重点实验室，湖北武汉430071）摘要：岩石是典型的非均匀脆性材料，其内部富含各种缺陷(微裂纹、空隙、节理裂隙等)，在受载破裂过程中会产生大量的声发射信号。对含不同预制裂纹及完整岩样进行单轴压缩实验，应用声发射仪器及其盖格尔（Geiger）定位算法对岩样破裂过程的裂纹扩展过程进行实验验证。实验结果表明：在单轴压缩加载条件下，含预制裂纹的岩样发生剪切破坏；完整岩样发生劈裂破坏。声发射事件的定位达到较高的精度，很好地反映了岩样内部微裂纹孕育、萌生、繁衍和扩展的三维空间演化模式，不论是含裂纹还是完整试样的声发射定位结果与实际破坏模式非常吻合，这为研究岩石破裂失稳机理提供有力的工具。关键词：声发射；Geiger算法；裂纹扩展；实验验证中图分类号：TU452文献标识码：A文章编号：1000–4548(2008)10–1472–05作者简介：赵兴东(1975–)，男，辽宁辽中人，博士，讲师，主要从事岩石失稳与控制方面的教学与研究工作。E-mail:[e-mail]。ExperimentalverificationofrocklocatingtechniquewithacousticemissionZHAOXing-dong1,2，LIUJian-po2，LIYuan-hui2,3，TIANJun2，ZHUWan-cheng2(1.StateKeyLaboratoryofGeohazardsPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.SchoolofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China;3.KeyLaboratoryofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071,China)Abstract:Rockwasakindoftypicalinhomogeneousbrittlematerialabundantinvariousdeficienciessuchasmicrocracks,gapsandjointsandwouldgeneratealargequantityofacousticemissionsignalsduringdamageprocessunderloading.Applicationoflocatingtechniqueswithacousticemissiontomonitoringrockdamagewasagoodmethodtostudy3Dspatialevolutionalpatternofmicrocrackinitiation,propagation,expansionandbreakthroughduringrockfailureprocess.TheGeigerlocatingalgorithmwasusedtoverifythelocatingprecisionofacousticemissiongeneratedduringrockfailure.ItwasshownthatthelocatingprecisionofacousticemissionwouldbemuchbetteriftheGeigerlocatingalgorithmwasapplied.Therockacousticemissionsystemwasaccurateandcouldmonitorthereal-timemicrocrackpropagation.Theprocessoftheacousticemissionandrockdamagewereconsistentandthelocatingresultscouldreflecttheprocessofinitial,propagationandbreakthroughofmicrocracksaccurately.Thelocatingresultsoftheintactspecimensandthesampleswithpre-crackswereinacordancewiththerealfailurepatternofrock,indicatingthatitwasagoodtooltostudytherockfailuremechanism.Keywords:acousticemission;Geigeralgorithm;microcrackpropagation;experimentalverification0引言当岩石等脆性材料受外力或内力作用，由于其本身的弹性形变、裂纹扩展，造成其材料内局部能量的快速释放而发出的瞬态弹性波的现象，称为声发射（Acousticemission，简称AE）[1-2]，亦被称为弹性波发射。声发射是研究脆性材料失稳破裂演化过程的一个良好工具，因为它能连续、实时地监测脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位，这是其它实验方法都不具有的特点，已被广泛应用于研究岩石、混凝土等脆性材料的破裂失稳机理研究。目前，国内外许多岩石力学工作者，利用声发射系统研究岩石的失稳破坏，并获得了大量的研究成果───────基金项目：国家自然科学基金项目（50504005）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目（20070145121）；国家重大技术研究发展规划（973）项目（2007CB209405）；中国科学院岩土力学重点实验室开放研究基金项目（Z110607）；国家高技术研究发展计划（863计划）专题课题（2007AA06Z107）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-07-0163）；中国博士后基金项目（20060390973，2005038253）；沈阳市大型仪器共享项目收稿日期：2007–12–11第10期赵兴东，等.岩石声发射定位技术及其实验验证1473[3-10]。初始裂纹的产生、扩展是诱发岩石、混凝土等脆性材料进一步破坏的根本因素，为研究岩石、混凝土等脆性材料的破裂失稳过程，必须先清楚初始裂纹的形成及扩展。因此，声发射事件定位是进行岩石破裂失稳过程研究的首要工作。目前，按照声发射定位原理分[11-15]：区域定位法和点定位法（时差定位法）；按照声发射传感器布设位置分线性定位、平面定位、三维立方体定位。常用的几种定位方法主要有：最小二乘法（Fedorow，1974）[16]、Bayesian定位方法（Tarantola和Valette，1982）[17]、慢度离差法[18]、相对定位法（ATD）[19]、Geiger（1912）定位方法[13]和单纯形定位方法[20]。其中，Geiger定位方法是高斯–牛顿最小拟合函数的一个应用，适用于小区域地震事件。Scholz在1968年用一组声发射探头组成探头阵，确定每个声发射事件的三维空间位置。许昭永、梅世蓉等[21]研究了在真三轴压缩条件下几种岩样的微裂纹初步定位，通过声发射事件定位能够勾勒出岩石损伤区域。JansenDP等[22]应用声发射技术研究了岩石破裂过程中，随着时间变化，勾勒出三维微裂纹分布，描述岩石损伤累积、裂纹成核以及宏观裂纹扩展。本文在以上研究成果基础上，应用声发射及其定位技术，对声发射的定位机理进行了分析，在此基础上实验验证了单轴压缩条件下岩样内部裂纹扩展三维空间演化过程，为研究岩石破裂失稳机理奠定了基础。1声发射定位算法声发射定位算法主要有单纯形算法和Geiger算法，此二种算法均基于不同位置传感器接收到的声发射信号的时间差（本文以P波时差）来计算[23]。本文岩石声发射定位实验验证过程中采用的算法为Geiger算法。Geiger定位方法通过从一个给定的初始点（试验点）通过迭代而接近最终结果。每一次迭代，都基于最小二乘法计算一个修正向量(xyzθ∆∆∆∆，，，)t∆，把向量θ∆加到上次迭代的结果（试验点）上，得到一个新的试验点，然后判断这个新试验点是否满足要求，如果满足要求此点坐标，即为所求震源位置；如果不满足则继续迭代。每次迭代的结果都由下面的时间距离方程式（1）产生（注意：式（1）中的θ(x，y，z，t)是由人为设定或迭代产生的已知数）。()()()()12222piiiixxyyzzvtt⎡⎤−+−+−=−⎣⎦。(1)式中x，y，z为试验点坐标（初始值人为设定）；t为事件发生时间（初始值人为设定）；xi，yi，zi为第i个传感器的位置；ti为P波到达第i个传感器的时间；vp为P波波速。对于P波到达每个传感器的时间toi，可以用试验点坐标计算出的到达时间的一阶泰勒展开式表示：ociiiiiittttttxyztxyzt∂∂∂∂=+∆+∆+∆+∆∂∂∂∂。(2)式中toi为第i个传感器检测的P波的到达时间；tci为由实验点坐标计算出的P波到达第i个传感器时间。在式（2）中：()iixxtxvR−∂=∂，()iiyytyvR−∂=∂，()iizztzvR−∂=∂，1itt∂=∂，()()()12222iiiRxxyyzz⎡⎤=−+−+−⎣⎦，对于N个传感器，就可以得到N个方程，写成矩阵的形式：ABθ∆=，(3)式中，111222111nnntttxyztttxyzAtttxyz∂∂∂⎡⎤⎢⎥∂∂∂⎢⎥∂∂∂⎢⎥⎢⎥∂∂∂=⎢⎥⎢⎥⎢⎥∂∂∂⎢⎥⎢⎥∂∂∂⎣⎦####，xyztθ∆⎡⎤⎢⎥∆⎢⎥=⎢⎥∆⎢⎥∆⎣⎦，1c1o2c2oconnttttBtt−⎡⎤⎢⎥−⎢⎥=⎢⎥⎢⎥−⎣⎦#。用高斯消元法求解式（3）就得到修正向量：TTAAABθ∆=，(4)()1TTAAABθ−∆=。(5)由方程（5）求出修正向量后，以（θ+∆θ）为新的试验点时继续迭代，直到满足误差要求。2岩样制作、加载条件及声发射系统本文实验验证所采用的岩样为带预制裂纹试样和完整试样两种。带预制裂纹岩石试样尺寸为70mm×70mm×150mm（长×宽×高），所有预制裂纹的宽度为5mm的一条水平裂纹，预制裂纹的位置和尺寸见图1。花岗岩的物理力学性质见表1。完整岩石试样为黑云母片麻岩，其尺寸为70mm×70mm×150mm（长×宽×高）。以上岩石试样均严格按照国际岩石力学会建议方法，在实验室内加工完成。压力系统采用液压式压力实验机（NYL-500型，最大荷载500t）进行加载。采用应力传感器和动态应变仪对岩石所加荷载和纵向变形进行量测；为消除压1474岩土工程学报2008年力机压头对声发射事件的影响，在压头与试件接触部分采用橡胶材料进行隔离。图1预制侧裂纹位置、大小及传感器布置方式Fig.1SizeanddistributionofcrackandarrangementofAEsensors表1花岗岩的物理力学性质Table1Thephysicalandmechanicalcharactersofgranite岩类单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比P波波速/(m·s-1)S波波速/(m·s-1)花岗岩50～8639600.2238152800实验采用的声发射仪器具有八个数据采集通道，采样频率设为2MHz，其门槛值设定为100mv。所采用的声发射探头为Nano30型，其频域为125Hz～750kHz；前置放大器型号为1220A－AST，其增益为40dB；后置放大器的频率范围为0～20dB。此声发射系统简介见文献[24]，