典型岩石破裂产生次声波试验研究

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1、典型岩石破裂产生次声波试验研究1引言次声波足频率在0.01〜20Hz的声波叫它的來源既仃C知的，也仃木知的。次声波因频率低血不易被衰减,能任空气中传输很远的距离,因此，国际上研究人员将其作为自然界中地匪、火山喷发、雪曲、台凤、泥石流等灾害预警的重要指标。夏亚琴等㈢在北京观测到从2002-2008年间世界范围内大r7级的地震产生的界常次声信号•研究发现85%的地農前1〜30d就产生界常次声信号;火山活动的次声研究可以追溯到1883年,Krakatoa火山爆发时低频声压信号在全球范围内都被收今、丁n后来国

2、外很多学者通过布设次声传感器监测来研究火山活动情况，发现大多数的火山由于气体的快速释放、岩石或气压的扰动、岩浆自由液面变化等而产生高能量的次声信号美国13家海洋与大气管理局早期研究发现•雪崩产生1〜5Hz的次声信号,JS来欧洲-些科学家研究通过次声探测系统预报'§崩叫国内中科院山地灾窖研究所章书成等向认为,泥4；流形成和运动中的声发射过程中存在次声成份,井发现泥石流次声信号的卓越频率在5〜15Hz之间,研制了泥石流次声警报器作为泥石流早期预警系统的-个垂要部分。然而.至今还没有关于岩仃破裂或者岩质滑坡

3、破坏的次声观测研究的文献报道。大址的滑坡实例表明•岩质边坡（滑坡）从开御潛到最终的失稳破坏往往只经历较短的时吗表现出明显的突发性特征.尤其是在边坡中存任倾向坡外的贯通性结构面时.这种现象更为显著。illJ：破坏前•的变形所经历的时间短、变形斌较小而很难采用传统的变形测屋的方法來监测和预辭岩质边坡的失稳破坏刊。虽然这样的破坏过程是短暂的・但从开始变形到鼓终破坏需要经刃早期的微破裂发展的过程,而这种微破裂常常伴随着弾性波的发射.这种发射被称为声发肘冋。目前,声发射（acousticemission,AE）

4、是研究脆性材料失稳破裂演化过程的一个良好匸具。因为它能连续实时地监测到荷技仆用下脆性材料内部微裂纹的产心和扩展，这是直他方法不具备的特点.已被广泛应用于研究岩石、混凝i等材料的破裂及失稳机制P_，2,o李庶林導g对不同加载条科F岩石材料破裂过程的声发射特性进行了研究，将声发射探测系统的带通滤波器设逹为100-1000Hz・采样频率是20kHz・分别对灰岩、黄饮矿、白云岩等务种岩仃试样进行了声发射特性测试•并对典型声发射波形进行了FFT

5、到对应的卓E硕率为960HzV/"3,何満潮型4W廿爆过朴的声发射进行了研究.不过他们关注的信4•范田是<-30-400kHz的高频部分。然而.由于声发射信号发生在岩

6、结果受外界「•扰要远远低F其他频段声波。同时,次声波也不会被水相空气吸收。因此，岩石受载变形破裂过程中是仰存在低频次声发射现球以及其具有的特性是•个值得探索和研究的新课题。木文将重点对岩石在破裂过程中发射的次声波信号及待征频率分布范围等特性做出详细的研究.为今后进一步地深入研究握供理论基础。2试验材料与设备如图1所示•岩石单轴加载条件下次声发射试验装置主要包桔单轴加载材料试验机和次声探测与分析系统两部分。illF次声波不易被空气吸收而能传播很氏的距离，所以区别$声发射探测试验的地方是次声传感器与加载7

7、Hi试样之间不是紧密耦合状态。图I单轴加裁岩石发肘次声豉试验架构框图FicJIlliKtratinf：stictchof(heIEtestsystem(orrocksunderunhxhlloadinc2.1岩石试样制备及单•轴加我系统选取了6种典型岩石试样，分别是花岗岩.灰岩、红砂岩、砂岩、f•枚岩及泥岩。试验岩石试样严格按照国际岩石力学学会规定（ISRM）进行加匚其岩样的尺寸为50rnmx50mmx100mm：甲轴试验加载设备是WI-30型油压液用式材料试验机.址大轴向载荷为300kN.2.2次声

8、探测系统为了研究岩石微破裂发射的次声波特性.设计并研制了-套数字化岩石次声波探测系统。如图2所示.该系统主要由次声传感器、实时数据采集系统、数据分析模块、文件记录模块及显示模块。杵先,次声传感器将物理次声信号转换成为电压信号，该信号被线性模拟放大器放大和低通滤波器滤波后被模数转换器（ADC）采样•并被转换成数字信号。在该实时数据采集系统中采用-片12位分辨率、最大采样率为100kHz的ADC（AD1公nJ的AD1674）o该系统是以FPGA