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摘 要：

三峡库区地质灾害以发育广泛且危害性巨大的岩质滑坡为主，而导致岩质滑坡的重要原因是岩石剪切型破坏。为了探讨岩质边坡失稳破坏过程中次声波产生的机理，对三峡库区嘉陵江沿岸砂岩、泥岩、灰岩等常见岩石采样，进行岩石剪切破坏过程次声同步监测试验。通过声力学数据预处理，得到次声卓越频率、次声能量、次声事件数等次声特征，系统分析不同条件下岩石剪切破坏过程中次声波响应特征。结果表明：(1)次声预警时间点比声力学提前59 165s,比岩石彻底破坏提前78 229s,将归一化能量累计系数>0.6且归一化次声事件率>0.89时，作为岩石破裂预警点的标志。(2)明确了不同试验条件下岩石剪切破坏过程中的次声波信号响应特征，即，在剪切破坏时，砂岩和灰岩等抗剪强度更高的岩石所产生次声卓越频率和次声能量相较泥岩更大，次声事件数更少；随着岩石尺寸的逐渐增大，次声卓越频率逐渐下降；随着岩石水饱和度越高，次声卓越频率、次声事件数和次声能量均呈降低趋势；随着试验轴压增大，次声卓越频率和次声事件数呈线性增大趋势。(3)次声事件数是不同试验条件下关联度最高的次声关键特征敏感因子。研究成果对进一步利用次声开展岩质滑坡的监测和稳定性评价具有重要的理论参考价值。

关键词：

滑坡灾害;监测预警;岩石剪切破坏;次声波特征;损伤理论;

作者简介：

刘阳(1998—),男，硕士研究生，研究方向为地质灾害次声监测预警研究。

*陈乔(1982—),男，副研究员，博士，主要从事岩石力学与工程地质相关研究。

基金：

中国科学院西部学者A类项目(E2296201);

重庆市自然科学基金项目(cstc2021jcyj-msxmX0187);

三峡库区消落区(重庆段)生态环境调查及生态恢复技术示范项目(5000002021BF40001);

西藏自治区日喀则市科技计划项目(RKZ2020KJ01);

引用：

刘阳, 张议芳, 贾东铭, 等. 三峡库区嘉陵江沿岸不同岩石剪切破坏试验次声特征研究[J]. 水利水电技术(中英文), 2022, 53 (11): 163- 176.

LIU Yang, ZHANG Yifang, JIA Dongming, et al. Study on shear failure experiment infrasound characteristics of different rocks along Jialingjiang River in Three Gorges Reservoir Area[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(11): 163- 176.

0 引 言

目前国内外传统滑坡灾害监测技术主要包括三个方面：第一个方面是监测坡体内部相关水文参数，通过监测降雨量、土体含水量、孔隙水压力和地下水位等，间接预警预报滑坡灾害的发生。降雨引发型、冻融渗透型、水库浸润型、灌溉渗漏型这4种滑坡类型都可以认为是岩土体内部地下水作用所导致。第二个方面是通过监测岩土坡体表面位移和深部位移，以岩土体变形的外部表征程度来预警预报滑坡的发生。但这两类监测方法都没有落脚到滑坡灾害的本质过程上，水文参数仅仅是导致岩土体变形的诱因之一，而位移参数是岩土体变形后的外部表征。第三个方面就是监测岩土体内部力学变化，滑坡发生的本质是多种因素作用下岩土体内部抗滑力小于自身的下滑力，以力学监测数值的突变作为滑坡发生的预警预报依据。岩质边坡破坏形成滑坡的过程实质是一个力学过程，如果能有效地监测岩质边坡的力学变化过程，则可以根据力的变化规律对岩质滑坡进行有效的预警，何满潮院士在这方面做了大量的卓越工作，滑坡牛顿力监测是目前行之有效且应用广泛的监测手段，但只适用于小范围内对极易发生滑坡的岩土体监测，库区滑坡灾害发育隐蔽分布广泛，基于该方法监测范围有限，监测成本太高，并不适用于整个三峡库区岩质滑坡的大范围监测，尤其是绝大部分滑坡灾害隐蔽性较强，往往发生在隐患点之外。

从岩质滑坡的力学本质出发，岩石在受力变形破裂过程中会因能量释放产生声发射,其中的次声波具有频率低、衰减小、可绕避障碍物等独特的性质,成为监测泥石流、滑坡等地质灾害的重要手段。基于次声的泥石流监测预警也是目前泥石流灾害监测中热门的监测手段，次声技术在其中的应用已经非常成熟，为后续研究以及将次声监测技术应用于其他领域有重要参考意义。若能探明岩质边坡在剪切受力破坏过程中的次声波特征，并分析与受力过程间的关系，便可以揭示岩质边坡破坏过程产生次声波的力学机理，从而提取出岩质滑坡的前兆信息，为岩质滑坡的监测预警提供新的有效途径。同时，由于岩质滑坡隐蔽性强、分布广泛且次声频率低的物理特性使得该方法具有监测范围广的特点，可以对更多潜在的隐蔽性滑坡进行监测预警，显著降低监测预警成本。

前人已经针对岩石单轴压缩次声监测进行了大量的研究并分析处理次声信号特征，得到了岩石破裂产生次声波的频率范围，以及在不同加载路径、胶结条件下对次声信号特性的影响,研究成果为岩质滑坡监测提供了理论基础。但结合文献资料以及现场勘察，考虑到岩质滑坡力学破坏形式以剪切破坏形式为主，目前已有的岩质滑坡次声监测试验研究主要以单轴压缩破坏为主，而在岩石剪切破坏过程次声监测相关研究仍有空白，同时针对目前不同岩性、降雨条件、滑坡规模和滑面埋深等因素影响下形成的岩质滑坡与次声波特征响应关系研究尚无相关报道。基于此，本文将开展系统性的岩石剪切破坏次声同步监测试验，分析在不同岩性、饱和度、岩样尺寸和试验轴压条件下次声特征变化规律，不仅在揭示岩质边坡的次声波发射特征方面具有重要的理论意义，并且在滑坡监测预警方面具有重要的应用价值。

1 试验设计及过程

1.1 试验设计

为了研究三峡库区岩石剪切破坏过程中的次声波特性，搭建了一套剪切加载条件下岩石次声波试验装置(见图1),主要包括岩石剪切加载系统和次声采集系统两部分。库区内岩石以及岩质滑坡灾害大多为砂岩、泥岩、灰岩组成,因此在三峡库区嘉陵江北碚段沿岸采集相应的均质性强的岩石，拉回岩石加工厂进行不同尺寸的切分处理(见图2和图3),分析岩样剪切次声特征与尺寸的关系。对切分好的岩样在实验室中再进行饱和度预处理模拟降雨诱发型滑坡，分析次声特征与岩石饱和度的关系，岩样整体情况如图4所示。

图1 试验装置

图2 加工后岩样示意

图3 岩石加工

图4 试验后岩样示意

1.1.1 岩石剪切加载系统

本文采用YZ-50型岩石剪切直剪仪，最大载荷为1 000 kN,可以完成在稳定轴向压力条件下的岩石剪切加载试验，通过升级改造，实现自动采集时间、切向力和切向位移等数据，并存储于所连接电脑以备后期分析处理。并设计加工了可用于200 mm边长以下的岩石立方体剪切盒。

1.1.2 次声监测系统

本文次声监测设备来自于中科院声学所，包括1颗IDS2016型次声传感器及对应的nSYS2008型数据采集传输设备两部分。次声传感器灵敏度>50 mV/Pa, 一致性误差< 1 dB,频带范围0.5 300 Hz@3 dB,覆盖了岩石剪切破坏产生次声波的整个频段，数据采样频率设置为100 Hz。

1.2 试验过程

考虑次声具有传播距离远且衰减小的特点，且需要避免试验台面与次声探头产生共振。首先将次声探头距离放置好的岩样5 cm处利用海绵软固定。然后连接声力学采集设备并启动剪切仪，采集1 min背景噪音，作为空白对照，方便后续次声数据分析。再通过法向轴阀门施加法向力并稳定在预设值，最后通过缓慢施加切向力直至岩样的剪切破坏，彻底剪切破坏后1 min, 试验结束，按照起始时间点导出声力学数据以备分析。在试验的不同阶段进行拍照记录，方便后续参照记录照片进行声力学分析。

本文共选用66组岩石立方体剪切试验数据，基本物理参数如表1所列。

2 试验数据处理分析

在室内试验过程中会出现很多外在条件干扰的情况，例如开、关门和抽风机运转时会导致空气不稳定流通，试验用水所发出的超低频声等。针对上述可控的低频声源，本试验时间均选定在凌晨，关闭与试验无关的电器设备，减少外界带来的干扰。

2.1 背景噪声分析及处理

2.1.1 背景噪声分析

在预处理的基础上，本次试验所涉及的背景噪声就主要来源于岩石剪切仪工作时所发出的声音。因此，在力学试验正式开始之前，利用次声传感器采集力学系统运转时的背景信号并进行连续小波变换时频分析。

2.1.2 背景噪声处理

由于本次研究中关注的重点是声波信号的次声部分，所以需要对声波信号进行了低通滤波处理。在文中利用巴特沃斯滤波器对信号进行处理，设置通带截止频率为20 Hz, 阻带截止频率为25 Hz, 通带内最大衰减为0.5 dB,阻带衰减为40 dB。同时，利用背景噪声强度较低不高于0.022 dB的现状(见图5),设置时频谱强度阈值，最后，对阈值处理后小波信号进行小波逆变换。从处理结果(见图6)来看：红色虚线框中的声波信号表征了岩石剪切加载过程中次声事件的产生，同时，在时频谱图中也更容易获取次声事件的频率分布范围。而在试验过程中还有不可控的环境噪音主要来自于开关门，使得次声曲线产生突变，被认为是次声事件，需结合试验记录本手动排除掉该类干扰次声事件。

图5 背景噪声段时频

图6 背景噪声处理前后

2.2 次声事件自动拾取

在整个单次试验时域内，有效次声信号并不是时刻存在的，而是在时域上呈不间断分布。理论上在时域内一个次声信号的幅值从零增大到峰值后又衰减为零的过程可以认为是一次次声事件。为了提取次声事件，将整个时域按次声事件分段，首先根据每个采样点的信噪比初步判断该采样点是否位于一个次声事件的时段内，再归并密集的有效采样点形成一个次声事件，具体步骤如下。

第一步，初步判断一个采样点是否位于一个次声事件的时段内。

根据离散声波信号的能量公式

本文定义离散声波信号中第i个采样点的功率为

由上式再定义一个判据式如下

式中，Pj为第j个采样点的功率(即新信号中第j个点幅值的平方);Pmax为前30 s背景噪音的最大功率(即新信号前30 s内最大幅值的平方);L为用于计算信噪比的时窗长度，表示L个采样点。

式(3)左侧的意义为以第i个采样点为中心的L时长范围内(或说L个采样点)的信号能量，右侧的意义为在长度同样为L(或说L个采样点)的时段内噪声的最大能量，整个式子表示将局部的信号能量与相同长度噪声能量进行比较。针对新信号中的每一个点代入式(3)中判断，结果为真时，把该点标记为1,否则标记为0,这样就形成一个由0和1组成的序列，称为第一轮标记序列，其长度等于原始信号。因为第一轮标记序列中的1值点过于零碎，需要将间隔很短的信号段再一次归并。

第二步，对第一轮标记序列进行归并整合。这一步会用到一个所有值均为1的行向量r,作为参考向量，把这个参考向量作为时窗在第一轮标记序列的时域中平移，并与和时窗长度相同的局部按下式做计算

式中，ci为作为判别该采样点(第i个点)是否需要重新标记为1或0的值；J为作为移动时窗的采样点序列总数，也即时窗长度或r的长度；sj为第一轮标记序列中的第j个点，

为参考向量r中的第

由式(4)计算得到结果ci后，再用ci来判别是否需要重置采样点的声压值，当ci>0时，说明第一轮标记序列中与时窗长度相同的局部向量与作为参考样本的向量相互匹配，该点可以标记为1,否则当ci<0时应该标记为0。最后再次得到一个基于时域的由若干0和1分别连续分布的新序列，称为次声事件标记序列，其中连续的1指明该时段内存在能量明显大于背景噪音的次声信号，而连续的0指明该时段内不存在有效的次声信号。

2.3 次声信号能量定义

幅度表示信号的振动范围，可以反映信号的能量大小。在岩石剪切破坏过程中，次声信号的能量主要通过幅度来表征，具体表达式为

式中，E为次声信号总能量；f(t)为次声信号的幅值。

在次声事件自动拾取的基础上，对于离散信号，将其总能量表达式为

式中，f(ti)为在第i时间段，次声信号的幅值；N为自动识别次声事件的个数。

3 结果与分析

3.1 剪切破坏过程中力学预警和次声特征参数的关系

分别绘制岩样归一化次声事件率、归一化能量累计率、剪切力和时间关系图(见图7),选取了三类试验中典型岩样试件的试验数据。由于本次直剪载荷是按照较为恒定的剪切力变化率来加载，将直剪破坏过程分为四个阶段：压实阶段-弹性阶段-屈服阶段-整体破坏阶段，而后三个阶段的起始点对应着砂岩滑坡过程中力学监测时间点的三个关键时间节点：预报-预警-警报。

图7 岩样归一化次声事件率、归一化能量累计率与 剪切力关系

从整体来看，在直剪载荷条件下，砂岩变形破坏的过程中，都有次声事件出现。开始试验时，岩样首先受到正应力作用，原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，达到正应力后，岩样开始受到剪切力作用，岩样进一步被压实，内部颗粒开始发生交错嵌合，剪应力随着应变增加缓慢增大，此时伴随着次声事件的归一化能量累计系数增加。当剪应力进一步增加，岩样开始进入弹性阶段，其微裂隙发生弹性变形稳定扩展，此时若剪应力结束，破裂停止，此阶段的剪应力-应变曲线斜率迅速增加后，呈近似直线型，次声事件的归一化能量累计系数对应变化，陡然上升后平稳增长，因此可将次声事件的归一化能量累计系数陡然上升点作为预报开始点。随着剪应力持续增大，剪应力进入屈服点，岩样中的微裂隙出现质的变化，发生大变形和累积破坏，切向应变迅速增大，此阶段的剪应力-应变曲线斜率减小，此时归一化能量累计系数范围在0.6 0.75之间，归一化次声率在0.89 0.93之间，因此将归一化能量累计系数>0.6且归一化次声率>0.89作为预警点的标志。以上结论可作为岩石剪切破坏稳定性判断的依据，为后续试验研究提供岩石直剪破坏阶段划分依据。

3.2 剪切破坏过程中力学预警和次声预警时间点对比

从力学角度出发，在岩石剪切阶段划分为压实阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。岩石中原有张开性结合面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，对应剪切过程中的压实阶段。岩石受外力作用发生变形，当外力取消后，又完全恢复到变形前的状态，这种变形称为弹性变形，对应岩石在剪切过程中的弹性阶段。当外力继续增加，变形继续增强。当应力超过岩石的弹性极限时，此时如将外力去掉，变形后的岩石不能完全恢复原来的形状，这种变形称塑性变形，即岩石变形屈服阶段，发生了剩余变形或永久变形。当剪切力继续记载，岩石抗剪力达到最大，裂隙扩展形成宏观断裂面。

对比力学数据与滤波处理后的次声数据，在同一时间轴做剪切破坏过程声力学图，对比岩石剪切过程力学突变预警时间点与次声事件发生时间点，选择时间差值最大与最小的s1-13和s15岩样进行说明，如图8所示，可以看到在s1-13试验中，剪切力开始突变发生在558 s, 提前岩石彻底破坏之前64 s, 处于岩石剪切变形弹性阶段与屈服阶段的临界点，岩石发生不可逆的变形，产生实质性裂缝。而这也是牛顿力学监测在实际滑坡灾害监测应用场景，证明了力学监测针对岩质滑坡体监测的预警可行性。而次声波信号事件出现于393 s, 处于岩石弹性变形阶段，说明在岩样内部产生弹性形变之后的次声能量释放，提前力学预警165 s, 提前岩石彻底破坏229 s。在s15试验中，力学变化在弹性变形及屈服阶段都表现的比较平顺，没有发生剪切力突降，直至达到最大抗剪强度产生较大破裂面，提前于最终彻底破坏19 s, 次声事件出现于335 s, 提前力学预警59 s, 提前岩石彻底破坏78 s。

图8 岩石剪切破坏过程声力学对比

由此得出实验室内岩石剪切破坏过程声力学预警时间点关系：基于次声的室内岩石剪切破坏试验，预警时间点比力学提前59 165 s, 并提前于岩石彻底破坏78 229 s, 并且次声事件多发生于弹性变形阶段及屈服阶段，根据该次试验中力学曲线变化次声波信号反应，判断彻底破坏之前的次声波事件发生在弹性变形阶段与屈服阶段，而力学监测主要监测的是屈服阶段至最终破坏阶段，结合野外土质滑坡实地监测次声预警在时间上比力学预警提前1.5 5.0 h, 比位移预警提前5.1 5.5 h的结果，再次从室内试验证明了次声在岩土体滑坡监测预警中的可靠性。以上结论可作为基于次声岩质滑坡预警的重要参考依据。

3.3 剪切破坏中不同条件下声力学特征参数响应规律

3.3.1 岩性与次声特性的响应关系

岩性对比试验中选用边长为50 mm的干燥岩样进行试验，轴压设置为3 MPa不变，选取典型砂岩、泥岩、灰岩这三种岩样对比研究不同岩性的岩石剪切破坏时在声力学上的特征表现。

通过岩石剪切破坏试验不同岩性对比试验，做不同岩性抗剪强度箱线图[见图9(a)],从力学角度来看，砂岩岩样和灰岩岩样抗剪强度范围有重叠，但灰岩岩样抗剪强度上限更高，泥岩岩样抗剪强度最低。结合剪切后的岩样图来看(见图10),砂岩是一种均质性非常好而且抗剪强度仅次于灰岩的岩石，剪切破坏后的滑面痕迹很好地体现了这一点。同样抗剪强度较高的灰岩，在发生直剪后的破碎滑面却与砂岩大相径庭，呈滑面支离破碎，滑面以外主体保持相对完整的状态。在对灰岩滑面分析过后，发现灰岩内部存在不均匀分布的孔洞，符合灰岩基本物理属性，认定灰岩虽然有较高的抗剪强度，但由于其内部存在孔洞的原因，在发生直剪后断裂面沿孔洞分布且画面破碎的特点。泥岩由于其本身抗剪强度和内摩擦角均较低的特点，使得岩样在发生直剪后整体上均呈现较破碎状态。

图9 不同岩性声力学对比

图10 不同岩性岩石剪切面

从声学角度来看，抗剪强度更高的砂岩和灰岩相较泥岩，其次声平均卓越频率更高(如图9(b)),剪切破坏过程中的次声能量更多[见图9(d)],次声事件数量更少[见图9(c)]。从试验后岩石剪切面来看(见图10),砂岩剪切面最平滑，泥岩和灰岩碎块较多，因此砂岩的次声事件数最少，不同的是，泥岩岩样整体都呈现破碎状态，灰岩仅在剪切面附近裂块较多，也可以解释泥岩滑坡在最终成灾之前往往具有较长的蠕变变形阶段。在岩石受剪切载荷的过程中，抗剪强度更低的泥岩伴随着更多的微破裂变形和次声能量释放产生，而砂岩和灰岩释放能量更多来自于最终破坏阶段，因此砂岩和灰岩有着更低的卓越频率，为了抵抗更高的抗剪力，释放的次声能量也更多。

3.3.2 岩样尺寸对次声特性的响应

在室内剪切对比试验中，选用边长分别为50 mm、100 mm、150 mm和200 mm的干燥砂岩模拟野外不同规模的岩质滑坡。

从力学角度来看，岩石尺寸增加，实质是岩石剪切面面积相应增加，岩石在相同轴压条件下剪切破坏时，随着剪切面面积增加，岩石的抗剪强度呈线性函数关系递增(见图11和图12)。如图13所示试验结果来看：尺寸较小时，剪切面平直，粗糙度较小，剪切面的破坏主要表现为滑移型破坏，以表面的磨损为主；当尺寸逐渐变大时，破坏面慢慢变得凹凸不平，包含锯齿状和平直状两种类型，同时，伴有裂缝产生，粗糙度进一步增大，破坏主要表现为剪切型破坏。

图11 抗剪强度和平均卓越频率的剪切面面积效应

图12 次声事件数和次声能量的剪切面面积效应

图13 不同尺寸岩石剪切面

从声学角度来看，随着试样尺寸的增加，次声事件卓越频率平均值整体呈线性下降趋势(见图11),岩石剪切破坏过程中的次声事件数量线性增加(见图12),次声波事件的能量变化并不明显，整体呈上升趋势(见图12)。在岩石受剪切载荷的过程中，微小破裂逐渐集结为较大的破裂，声信号卓越频率随着裂纹长度增加而降低。因此，随着岩样尺寸的增大，剪切破坏的裂纹长度呈上升趋势，对应的次声卓越频率将越来越小。同样条件下，岩样尺寸越大，产生的微破裂面越多，并发次声事件越多，产生次声能量也相应越多。

3.3.3 岩样饱和度对次声特性的响应

不同饱和度的岩石剪切对比试验是为了模拟降雨诱发型滑坡。根据工程经验及理论基础,在岩石风化严重，裂隙分布密集的三峡库区，发生连续强降雨的过程以及降雨之后，松散岩土体往往就会发生崩落，甚至形成滑坡，而三峡库区在三峡工程建设之后，库水位的波动也导致了库区岩土体含水饱和度的周期性变化，降低岩土体抗剪强度，从而发生滑坡泥石流等灾害。

首先，将所有岩样置于烘箱中以105 进行统一烘干处理，每间隔6 h用电子天平进行称重，当质量不在有明显变化即变化小于0.02 g, 认为岩样烘干完毕，达到完全干燥状态，用塑料袋封装，等待自然降温。然后再利用吸水称重法标定岩石含水率，在轴压值为3 MPa条件下开展试验。本文选取100 mm边长完全干燥的和完全饱和的砂岩对比内摩擦角和凝聚力的变化。选取50 mm边长的砂岩和50 mm边长的泥岩按照完全干燥、不同饱和度、全饱和分为3 5个等级分析不同水饱和度对比条件下岩石剪切破坏声力学特征参数变化。

从力学角度来看，100 mm砂岩试样在剪切破坏时，受含水饱和度的影响，岩石内部结构发生变化，导致岩石的黏聚力变小，抗剪强度变小，内摩擦角平均降低5.6%,黏聚力平均降低10.0%(见图14)。在控制轴压不变的剪切试验中，砂岩随着饱和度的增加，岩石的抗剪强度呈线性降低趋势(见图14)。试验中饱和度不同的岩样抗剪性能差异较大，结合试验结果，尤其是高饱和度的泥岩，在吸水之后抗剪强度降低35.1%,高于同饱和度的砂岩27.2%,剪切破坏的难度大大降低，应证了在发生强降雨之后，岩质滑坡往往是呈地区性大规模集中发育成灾。

图14 抗剪强度与正应力关系曲线对比

从声学角度来看，砂岩、泥岩的次声平均卓越频率随饱和度的增加呈线性函数关系下降趋势(见图15),印证了在岩性对比分析中，也得到泥岩岩样的剪切破坏次声卓越频率整体上低于砂岩岩样的规律。次声事件的数量和总能量变化规律较弱，整体呈下降趋势(见图16),受水饱和度的影响，岩石抗剪强度变小，降低了岩石剪切破坏的难度，增加了破坏的速度，因此对应的次声卓越频率越大。

图15 砂岩、泥岩抗剪强度和平均卓越频率的饱和度效应

图16 砂岩、泥岩次声事件数和次声能量的饱和度效应

图17 不同饱和度岩石剪切面

3.3.4 轴压对次声特性的响应

不同轴压的剪切对比试验是为了模拟不同滑面深度的滑坡体，如浅层滑坡、中层滑坡、深层滑坡和超深层滑坡。基于多组砂岩单轴压缩预试验结果的试验方案设定轴向载荷分别为15 MPa、12 MPa、9 MPa、6 MPa、3 MPa。本文选用100 mm边长的干燥砂岩岩样，最大正应力分别设置为150 kN,即法向轴压为15 MPa, 通过剪切试验分别以30 kN、60 kN、90 kN、120 kN和150 kN的轴压值探究声力学特征参数在不同轴压岩石剪切破坏试验中的表现。

从力学角度来看，随着轴压的增加，岩石的剪切力呈线性增加趋势(见图18)。当轴压增大，岩样在千斤顶活塞和试验台之间的摩擦力越大，岩样内部颗粒间摩擦增大，导致抗剪强度增大，次声事件数急剧增大。这样的结论与事实相符，滑坡体的滑面埋得越深，上方滑体对滑面的压力越大，越不容易发生灾害，但是一旦发生滑动则往往表现出滑体规模巨大，滑坡灾害的毁灭性。

图18 抗剪强度和平均卓越频率的轴压效应

从声学角度来看，随着轴压的增加，次声平均卓越频率呈线性函数增加(见图18),次声事件的数量呈线性递增(见图19)。当轴压较小时，破坏过程较为简单，岩石微破裂的产生、扩展和贯通过程较短，剪切面较为平直[见图20(e)],破坏瞬间产生的滑移距离较长，因此对应次声的频率相对较低，次声事件数量较少；随着轴压的增加，在剪切过程中产生的崩落范围增大和次数增多[见图20(a)、图20(b)、图20(c)和图18(d)],崩落产生的次声事件数量也越来越多，受轴压的影响，试样破坏面逐渐呈锯齿状，剪切面也越来越粗糙，使得贯通滑移的距离较短，因此对应产生的次声频率相对较高。随着轴压的增加，岩石破坏释放的能量增大，但从试验结果来看，岩石破坏产生的次声信号总能量并没有相应增大，而是显示出无规律状，可能是考虑到试样尺寸较小，岩样破坏过程中产生的弹性波频率较大，甚至超出了次声频段范围，因此建议在未来的研究中将声发射和次声手段配合起来应用，以便更深入的探明岩石直剪载荷过程中，轴压变化对声波能量的影响。

图19 次声事件数和次声能量的轴压效应

图20 不同轴压试验岩石剪切面

3.4 关键次声特征参数提取及次声波产生机理研究

岩石力学问题通常带有不确定性，如随机性、模糊性和未确定性。统计模拟计算结果中声学参数，定量分析岩石剪切试验次声波特征参数，总结各个次声特征参数对不同试验条件的敏感性。本文主要利用灰色系统分析方法统计次声波特征参数对岩性、饱和度、尺寸和轴压的响应关系。利用灰色系统理论求得各个影响系统的行为对反映系统特征的参考值的影响程度,得到不同的关联度系数(见表2),按照排列得到关联度系数最高的敏感因子即为次声事件数，即次声事件数最能反映试验条件参数下的次声关键特征参数变化规律。

基于前文得出的次声事件数为最能反映在岩石剪切破坏过程中不同试验条件下次声特征参数变化的这一规律。结合损伤力学与声发射理论进行分析，在岩质滑坡体受到雨水冲刷、地震等外力作用下，滑坡体结构从稳定状态逐渐变的不稳定。

当岩质坡体结构在外力的作用下，岩质坡体内部首先会不断地产生细微的裂隙破坏，裂隙不断发育，最终产生宏观上的岩石破坏，而其中微破裂的出现过程也就是岩石损伤过程。微裂隙的产生、扩展使得裂隙尖端的能量聚集和突然爆发释放产生声音能量弹性波即岩石损伤声发射。声发射能量的多少与岩石损伤过程的进度是成正比的，这一理论可以通过岩石损伤力学理论和声发射理论进行表述，在岩石损伤过程中，通常用岩石损伤变量D来表示损伤的过程，损伤变量D和声发射数N之间的关系式为

即岩石在岩石损伤的过程中的损伤变量与损伤变化时产生的声发射数具有一致性。岩石在外力的作用下，不断地产生微裂隙并发育形成宏观破裂，在这一过程中，声发射就是岩石损伤的外部显现，因此可以用累积的声发射数来表示岩石的损伤状态。而根据前文通过灰色关联度分析法得出，在岩石剪切变形破坏过程中，次声事件数是次声特征敏感因子，最能反映不同条件下岩石剪切破坏过程次声特征变化。次声事件的力学产生机理与岩石剪切破坏之间具有一致性，符合岩石损伤理论和声发射理论，验证了不同条件下岩石剪切破坏试验结果的可靠性，之后可通过次声事件数来表征岩石力学的破坏过程。

4 结论及展望

本研究通过开展不同条件下岩石剪切破坏次声监测试验，提取声力学特征参数，进行了岩石剪切过程声力学特征相关分析，获得了以下结论。

(1)以岩石变形阶段划分力学变化曲线对应的预警、预报、警报时间点，与归一化次声事件率、能量累计率相交，得到：将归一化能量累计系数>0.6且归一化次声事件率>0.89作为岩石破裂预警点的标志，为后续试验研究次声能量在岩石变形不同阶段的分布提供理论参考。

(2)通过应力应变曲线确定力学预警、预报、警报时间点，通过对比次声事件发生时间点就，得到：基于次声的室内岩石剪切破坏试验，其预警时间点比力学提前59 165 s, 提前于岩石彻底破坏78 229 s, 并且次声事件多发生于岩石弹性变形及屈服阶段，证明了次声在岩土体滑坡监测预警中的可靠性，为岩质滑坡实地次声监测做理论铺垫，争取更多滑坡发生前的逃生时间。

(3)归纳了不同条件下岩石剪切破坏次声波信号的响应特征如下：①抗剪强度更高的砂岩、灰岩相较泥岩，次声平均卓越频率更高，次声能量更多，次声事件数量更少；②岩石尺寸越大，抗剪强度、次声事件数和次声能量越大，次声平均卓越频率越小；③岩石饱和度增大，岩石内聚力减小，内摩擦角减小，抗剪强度、次声平均卓越频率、次声事件数和次声能量均降低；④当试验轴压越大但不超过其单轴抗压强度，岩石抗剪强度、次声信号平均卓越频率和次声事件数越大。

(4)次声事件数是不同试验条件下关联度最高的次声特征敏感因子，次声事件的产生机理与岩石剪切破坏之间具有一致性，符合岩石损伤理论和声发射理论，可通过次声事件数来表征岩石力学破坏过程。

受限于实验室条件，次声能量和次声事件数在个别条件下规律不够明显，计划在下一步试验过程中，稳定加载剪切速度，延长加载过程，使试验误差尽量降低。着重分析次声信号在岩石剪切变形过程中压实阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段中不同的产生机理和特征变化规律。

水利水电技术（中英文）

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