1 研究背景

声发射是指岩石在受力过程中发生变形和破裂, 其应变能释放所监测到的一种物理现象, 而b值是表征地震震级—频度关系的参数, 研究人员发现, b值具有非线性特征, 且与岩石破裂过程密切相关。因此, 利用岩石试件变形破坏过程中产生的声发射事件模拟地震, 进而研究不同加载条件下岩石变形破坏过程中的声发射b值变化特征, 可用于监测岩石受力破坏过程中内部预存微裂隙的活动状态, 有助于揭示岩石损伤机理及岩石的破坏程度, 也可作为岩石失稳预警参数, 捕捉地震发生的前兆信息。依托中国地震局地质研究所地震动力学实验室开放基金项目, 选取不同尺寸、不同结构的花岗岩, 开展重复加卸载下单轴和双轴抗压实验, 并对岩石压缩损伤过程中的主动源信号、声发射信号及形变, 进行连续同步测量, 分析不同计算方法下所得b值的动态变化特征, 并探讨声发射b值与应力场变化的时空分布关系, 有助于深入了解地震发生的物理过程。

2 研究内容

在循环加载条件下, 对花岗岩破裂过程中声发射b值动态变化过程开展研究。

（1）实验样品: 单轴加压样品（长方体样品, 长: 100 mm, 厚/宽: 50—100 mm, 高: 150 mm）；双轴加压样品（板状样品, 长: 200 mm, 厚/宽: 50 mm, 高: 300 mm）。

（2）实验系统包括: ①加卸载操作系统: CTM微机伺服控制液压万能试验机, 最大载荷为1 000 kN；以2 kN/s的加载速度及以-2 kN/s的卸载速度进行循环加卸载；②信号激发系统: 采用双脉冲正弦波进行激发, 发射频率为300 kHz, 电压为2 Vpp, 前置放大器为40 dB, 功率放大为40 Vpp；③声发射波形采集系统: 传感器型号为RS-2A, 其频率范围是50—400 kHz, 中心频率为150 kHz, 波形记录采用16个AE通道声发射全波形记录仪, AD转换分辨率为16 bit, 采样频率为3 MHz；④应变采集系统: LB-V型多通道数字应变仪, 采样频率为100 Hz。

实验加载前, 将压机操作系统、声发射数据采集及应变观测系统时钟进行对时, 以避免时钟误差。利用激发探头激发超声波, 信号发生器连续激发2列正弦信号（125次/s）, 将激发信号的电压, 经功率放大器放大到40 Vpp。在岩样上安装压电陶瓷传感器（声发射探头）, 采用声发射数据采集系统, 连续记录主动激发超声波与声发射波形, 按照花岗岩预制结构的分布, 设计16个通道的探头位置进行全波形记录, 通过后期数据整理和分析（去掉标准台）, 其中13个探头记录的波形数据正常, 利用记录数据, 从声发射的几个特征参数出发, 研究声发射能量、声发射频度及声发射b值等与载荷之间的变化关系。

3 研究结果

为了能够更加详细地分析岩石每个加卸载阶段声发射b值的变化, 按照荷载的加卸载时间, 统计并对应各加卸载阶段的声发射事件, 利用累计频度方法计算声发射b值, 通过拟合计算度进行误差校正, 最终得到各阶段声发射b值动态曲线, 并与荷载、应变、能量等进行对比分析。

在弹性阶段进行加载, 声发射小事件频度增加, 能量释放随之增加, 当加载到峰值时, 由于Kaiser效应, 此时b值相对较小。在弹性阶段进行卸载, 声发射事件频度整体减小, 能量释放随之减小, 此时b值相对较大。该阶段主要反映了岩石预存微裂隙的活动和弹性变形, 加卸载阶段的b值相对变化与荷载变化基本一致。

非弹性阶段, 声发射大事件频度急剧增加, 能量释放加剧, 随着应力增加, 以声发射小事件速率快速降低、大事件开始增多为特征。该阶段岩石的声发射b值相对变化量与荷载变化不一致, 出现断崖式下降和升高, 代表着宏观破裂面的出现和加速扩展, 大事件快速增加, b值陡然下降。