岩石加载破坏红外温度标准差指标分析

2021-09-13潘元贵杜春阳谢小国伍中庚陈彩玲魏良帅

科学技术与工程 2021年24期

潘元贵，杜春阳，谢小国，伍中庚，陈彩玲，魏良帅

(1.四川省华地建设工程有限责任公司，成都 610081；2.四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心，成都 610081；3.中国地质科学院探矿工艺研究所，成都 611734)

完整岩石或含裂隙的岩石破坏均以脆性破坏为主，突发性破坏特征强，难以捕捉到岩石破坏前的预警信号。因此，研究岩石破坏的前兆信息就有重要意义。中外学者对岩石破坏预警信息已开展大量研究，通过先进监测仪器(如声发射、红外热像仪)，对岩石破坏过程中内部和外部信息进行提取，获得大量研究成果。声发射是一种研究岩石内部声学信号变化特征，基于岩石加载过程中内部声学信号变化来反映岩石内部裂纹损伤情况。王创业等[1]对石灰岩破裂阶段声发射变化特征展开了研究，发现石灰岩破坏阶段声发射主频值整体呈现先上升后下降的趋势。姚欢迎等[2]利用声发射来反映页岩在单轴压缩过程中内部损伤演化规律，研究发现页岩单轴压缩过程分为4个阶段:压密阶段-弹性变形阶段-弹塑性变形阶段-峰后破坏阶段，声发射信号能够反映页岩内部微细观损伤演化过程。汪果等[3]研究了英安岩在三轴压缩试验过程中声发射变化特征，发现英安岩单轴压缩和低围压下稳定破裂发展阶段具有折线型特点。苏国韶等[4-5]研究了花岗岩岩爆过程中声发射频谱特征，发现花岗岩发生岩爆现象前，声发射幅值会出现一段平静期，岩爆过程中声发射主频由高向低过渡。基于岩石表面温度变化来反映岩石受载特性，最早由Luong等[6-8]将红外热辐射用于研究岩石疲劳破坏过程中红外热辐射变化特征，发现岩石在不同加载方式下中存在不同热辐射特征，可通过岩石表面热像特征来划分岩石的破坏程度。刘善军等[9-11]通过红外热辐射来研究了岩石破坏的前兆信息。还有学者运用卫星热红外影像来研究了地震强震区分布情况[12]。张璇等[13]、邵楠清等[14]对地震前区域内的热像亮温异常时空演变特征展开了研究，结果表明热像异常区域与未来地震区域相吻合。彭波等[15]利用红外热像技术来探测土石坝集中侧漏，研究表明在热激励下模型表面温度升高，但是土石坝模型表面集中渗漏区域的温度比正常区域要低。来兴平等[16]研究了煤岩破裂过程热红外辐射异化特征，研究发现煤岩破裂过程中热红外温度存在4个变化阶段。

综上可知，前人多利用声发射变化特征来反映岩石内部损伤情况，运用热红外技术对地震预警及震后分析、岩石加载破坏、大坝侧漏等方面开展研究，根据以往的研究思想启发，现引入温度标准差这一指标，研究温度标准差指标在岩石加载破坏过程中的变化特征，来反映岩石破坏的阶段性特征，着重研究岩石临近破坏前临空面上的温度标准差变化特征，观察岩石破坏前临空面上温度标准差的异常现象。

1 试验方案

1.1 试样及设备

图1为试验岩样。图1(a)为真三轴加载试验的岩样(真三轴试验分真三轴加载和真三轴加卸荷两种加载方式)，岩性为红砂岩，岩样尺寸为：100 mm×100 mm×200 mm；图1(b)为单轴压缩试验的岩样，岩性为花岗岩，岩样预制两条开放性的节理裂隙，形成两种不同岩桥长度，分别为30、44 mm。

图1 试验岩石试样

图2为试验加载设备，一种高压伺服动真三轴试验机，水平加载系统可输出最大压力3 000 kN，竖直加载系统可输出最大压力5 000 kN，加卸载过程运用全数字伺服测控技术，保证试验加载准确性，可以完成单轴加载和真三轴加载试验。图3为红外热像监测仪器，红外热像仪探测最大距离10 m，温度测量范围为-20～350 ℃，测量精度为2%，红外图像分辨率320×240像素，图像采集帧频9 Hz，热像仪由USB接口和网络接口与电脑相连，将采集图像实时传输至电脑采集系统，在电脑上对采集图像数据进行处理分析。

图2 试验加载设备

图3 FLIRSC305红外热像仪

岩石加载过程中，采用热红外仪全程监控，获取岩石表面温度变化和热像变化。

1.2 试样方案

图4为真三轴加载试验岩样的应力状态和应力路径。试验的加载方案为：σ1表示最大主应力，σ2表示中间主应力，σ3表示最小主应力，最小主应力方向为卸荷临空面。真三轴加载试验方案为：试验加载采用位移控制和荷载控制两种方式，先用位移控制方式对σ1施加0.5 MPa力，使试件端面与传力柱面接触，再转换荷载控制方式，以0.2 MPa/s加荷速率加载至最大主应力设计值；保持最大主应力不变，运用同样加载方式将中间主应力σ2加载至设计值；保持中间主应力不变，对σ3方向保持单面临空，对立面采用以上方式施加应力至设计值。试件在此应力状态下受力保持10 s，试件应力状态如图4(a)所示，之后保持σ2和σ3不变，以2 kN/s的加载速度增加σ1直至试件破坏。

图4 真三轴加载应力状态及应力路径

图5为真三轴加卸荷试验试件卸荷示意图。试件施加应力至设计初始应力状态与真三轴加载试验一致，卸荷如下：初始应力加载完成后稳定10 s，然后快速卸载一面σ3，同时将对立面调整为位移控制，再以2 kN/s的加载速度增加σ1直至试样失稳破坏。

图5 真三轴卸荷应力状态示意图

真三轴加载试验过程为首先施加σ1直至设计应力水平，待σ1稳定后再施加σ2至设计应力水平，待σ2稳定后单面施加σ3至设计应力水平，在该状态下稳定10 s后以2 kN/s的加载速度增加σ1直至试件破坏。真三轴加卸荷试验过程中，加载σ1和σ2至设计应力水平与真三轴加载试验一样，待σ1和σ2施加的应力稳定后开始双面施加σ3至设计应力水平，稳定10 s后迅速撤离一面σ3(观测面)，并持续增加σ1直到试件破坏。

图6为节理裂隙岩样单轴压缩示意图。先在位移控制方式下施加轴向荷载0.1 MPa，待试件稳定后，再采用荷载控制方式，以1 kN/s的加载速率加载直至试件破坏，试件破坏后采用位移控制，获取峰后曲线。表1为3种加载方式的详细信息。

图6 节理裂隙岩样单轴压缩示意图

表1 试验加载详细信息

2 温度标准差指标介绍

温度标准差指标即为试件观测面上最大温度、平均温度、最小温度三者的标准差，通过温度标准差的变化特征来反映岩石表面温度场变化情况。岩石试件加载初期，监测面上的平均温度、最大温度、最小温度三者相差较小，从而三者的标准差值也较小，在试件临近破坏前，岩石监测面上会出现少数高温点和低温点，这些高低温点使得3种温度差值增大，导致温度标准差增大。通过温度标准差来反映岩石加载过程中观测面上温度场变化特征，研究试件破坏前温度标准差的变化特征，通过温度标准差的异常变化来预警岩石破坏。

(1)原理：标准差能反映数据间的离散程度，平均数相同的两组数据，其标准差未必相同。基于标准差的这个特点，研究监测面上平均温度、最大温度、最小温度三者间的离散程度。

(2)优点：在岩石破坏前，监测面上出现少量的高温点和低温点，但试验取整个观测区域内的平均温度作为分析对象，忽视了观测面内这些少量的温度变化信号，现在通过标准差将这些早期的温度变化信号提取出来，作为岩石破坏的前兆信息。温度标准差公式为

(1)

式(1)中：M为温度标准差；Tmax为最大温度；Tmin为最小温度；Tave为平均温度。

温度标准差指标反映岩石破坏过程的依据：温度标准差反映临空面上同一时刻平均温度、最大温度、最小温度三者间的离散程度，通过离散程度反映3种温度间的差异幅度。岩石加载初期，受载应力小，岩石表面温度分布均匀，各处温度差异幅度小；当岩石受载增大，岩石即将破坏前，岩石表面微裂纹发育，微裂纹发育处的温度会出现升高或者降低，此刻温度差异幅度增大；待岩石破坏瞬间，破裂处温度陡然上升，与其他区域的温度形成明显差异，此时温度标准差达到最大。该指标的提出主要是根据数学上温度标准差反映数据离散度的思想，通过温度的离散度来反映同意时刻三种温度间的差异幅度，用这岩石临空面上温度的差异幅度来反映岩石破坏过程。温度标准差反映岩石破坏过程的效果：岩石加载初期，温度标准差变化幅度维持在一个相对稳定的水平，待岩石受载应力增大到一定数值时，温度标准差开始逐步上升，岩石破坏时温度标准差达到峰值。温度标准差初始上升反映岩石进入新裂纹发育阶段，温度标准差反映岩石破坏过程具有良好效果。

3 温度标准差指标变化特征

3.1 真三轴加载破坏临空面温度标准差

图7(a)是中间主应力10 MPa时温度标准差。将温度标准差的变化过程分成4个阶段：第一阶段为平静段，该阶段内温度标准差起伏性变化较小，图像总体呈现水平直线；第二阶段为上升段，温度标准差出现明显升高点，升高趋势由低到高，临近破坏时刻，温度标准差升高至1.5左右；第三阶段为突升段，因岩石破坏导致临空面温度骤升，温度标准差也随之陡增，温度标准差达3.6；第四阶段为回落段，温度标准差陡增后回落，临空面上各处温度离散度降低。

红色曲线为岩石临空面上的平均温度变化

图7(b)是中间主应力20 MPa时温度标准差，平静段内的温度标准差保持在0.47～0.66变化，变化平稳且变化值较小。上升段内温度标准差变化范围为0.49～0.89，变化幅度增大。突升段温度标准差峰值为1.31，随后回落至0.72～0.86水平。

图7(c)是中间主应力40 MPa时温度标准差，平静段内温度标准差发展状态十分平稳。在临近破坏前134 s时，温度标准差开始出现上升点，上升段内温度标准差呈逐渐增大趋势，起初上升值为0.2，临近破坏时达1.8。岩石破坏时刻温度标准差突增至2.6，随后回落至0.3水平。

图7(d)中间主应力60 MPa时温度标准差，平静段的温度标准差变化水平为0.61～0.75。距离试件破坏144 s时，温度标准差开始出现明显上升，初始上升值达0.82，随后上升幅度逐渐增大，破坏前温度标准差最大值达到1.3。试件破坏，温度标准差陡增至1.62，随后回落至0.88水平。

图7红色曲线为岩石临空面上的平均温度变化，在岩石破坏前会出现异常转折性变化，这种异常变化能预警岩石破坏，将平均温度曲线与温度标准差做对比，分析研究温度标准差的前兆特征。

表2为真三轴加载试验的温度标准差前兆信息统计表，根据表中信息可知，温度标准差前兆信息首次出现时间距试件破坏108～144 s，随着中间主应力增大，前兆信息出现时刻提前。

表2 真三轴加载试验温度标准差前兆信息时序特征

3.2 真三轴加卸荷破坏临空面温度标准差

图8(a)为中间主应力为10 MPa的温度标准差变化特征图，温度标准差的变化过程可划分为4个变化阶段，第一阶段为平静段，温度标准差变化范围为0.42～0.56，卸荷后临空面上各处温度差异较小，温度标准差处于平稳变化阶段，无明显增大现象。第二阶段为温度标准差上升段，温度标准差变化范围为0.41～0.83，距离试件破坏前61 s时，温度标准差突然上升至0.68，试件破坏前温度标准差最高升至0.83，上升段内温度标准差呈现逐步增大的趋势。第三阶段为突升段，岩石破坏，温度骤升引起温度标准差突然升高。第四阶段为回落段，岩石破坏后，临空面上温度逐渐下降至原始水平，各处温度值恢复至平稳状态，温度标准差回落至0.41～0.46水平。

图8(b)是中间主应力为20 MPa的温度标准差变化特征图，根据图中信息可知，温度标准差平静段的变化范围为0.35～0.50，整体变化平稳，主要集中在0.40水平。距离试件破坏前84 s，温度标准差开始出现明显的连续上升现象，初始上升值为0.49，试件破坏前最大达到0.85，整个上升段内，温度标准差呈阶梯状上升。突升段内温度标准差峰值达到1.6，随后回落至0.43水平。

图8(c)是中间主应力为40 MPa的温度标准差变化特征图，根据图中信息可知，温度标准差平静段内变化范围是0.22～0.38，距离试件破坏前104 s，温度标准差开始出现明显的连续上升趋势，起初上升值为0.41，经过不断增加，破坏前达到0.65。岩石试件破坏，温度标准差达到峰值，峰值大小为1.10，随后即刻回落至0.28～0.40水平。

图8(d)是中间主应力为60 MPa的温度标准差变化特征图，根据图中信息可知，平静段内温度标准差保持在0.28～0.37水平，距离岩石试件破坏前125 s，温度标准差进入上升段，该阶段内平均水平为0.56，破坏前最高达0.88。突升段峰值为1.5，回落段为0.52水平。

红色曲线为岩石临空面上的平均温度变化

表3为真三轴加卸荷试验的温度标准差前兆信息时序特征。对真三轴加载和加卸荷两种试验的温度标准差变化特征及前兆信息做了详细分析，这两种试验的温度标准差变化特征相似，在岩石试件加载破坏前，温度标准差都会出现明显上升现象，这种上升现象的出现预示着岩石即将发生破坏。

表3 真三轴加卸荷试验温度标准差前兆信息时序特征

3.3 节理岩石单轴压缩破坏观测面温度标准差特征

对真三轴加载试验试件临空面上温度标准差指标展开研究，分析了加载过程中温度标准差的变化特征，发现岩石破坏前温度标准的异常上升现象明显。为进一步探究裂隙岩石破坏过程表面温度标准差变化特征，开展了预制节理裂隙试样单轴压缩试验。

（3）采用砂岩压重处理后，坝体内浸润线分布几乎没有变化，而加固前后上游坝坡滑裂面分布有明显差异，加固前上游坝坡滑裂面起于下游坝坡坡顶位置，从上游坝坡坡脚位置剪出，加固后的剪出口位置上升明显，剪出口位于砂岩顶部平面与上游坝坡坡面的交点位置。

含有预制节理裂隙的岩石在单轴压缩破坏过程中，下部预制节理裂隙尖端处会产生应力集中，根据热弹效应理论，物体某点处的温度与其主应力之和成正比[17]，裂隙尖端区域应力集中，温度变化十分明显。图9(a)为30 mm岩桥试件单轴压缩破坏过程中温度标准差变化特征图，图中展现了裂隙尖端区域的平均温度和温度标准差两种信号随时间的变化特征。通过对温度标准差曲线分析可知，加载初期0～445 s时段，温度标准差曲线呈现较明显的振荡变化，振荡幅值约为0.26，曲线整体呈现上扬趋势；445～621 s时段，温度标准差曲线收紧，振荡变化幅值降低，该时段内曲线变化平稳；622～976 s为温度标准差上升时段，在距离试件破坏前354 s时，温度标准差出现明显上升现象，上升段内曲线斜率也较之前变大，试件破坏前温度标准差增至2.73；977 s时，温度标准差陡然上升至4.08，随后逐渐回落至1.25水平。将温度标准差曲线和温度-时间曲线做对比分析，发现温度标准差上升信号出现时间早于温度-时间曲线转折性变化，究其原因为：在试件受力过程中，预制节理裂隙尖端附近出现应力集中效应，导致该区域内的温度变化较为显著，试件受压破坏前，裂隙尖端附近出现个别高温点，高温点引起该区域内温度离散度增大，温度标准差也随之增大，在曲线上就表现出明显上升现象，而此时温度-时间曲线无明显异常变化，这是由于温度-时间曲线所采用的温度为该区域的平均温度，区域内的个别高温点无法改变一个区域的平稳温度，所以温度-时间曲线未出现异常反应。温度-时间曲线是反映监测面上宏观温度改变情况，温度标准差是反映监测面上温度细观变化特征。

图9(b)为44 mm岩桥试件单轴压缩破坏过程中温度标准差变化特征图，0～582 s时间段，温度标准差曲线呈现较明显振荡变化，变化幅值1.25～1.98；583～789 s时段，温度标准差曲线收紧，振荡变化减弱；790 s时刻标准差曲线开始出现明显上升趋势，约860 s时，温度标准差上升到4.1，随后保持在3.7左右变化，直到1 120 s时刻，温度标准差陡然上升，升至峰值5.6，后随即回落至2.6。温度标准差上升时刻早于温度-时间曲线转折性变化171 s。

节理裂隙岩石单轴压缩破坏过程中，下部预制节理裂隙尖端附近温度标准差表现出明显的阶段性特征，加载初期，温度标准差表现出明显振荡变化，波动幅度较大，这是因为裂隙尖端处在加载初期时出现碎岩屑剥落，导致该区域的温度出现轻微变化。加载中前期，温度标准差曲线出现振荡变化减弱的收紧现象，这是由于裂隙尖端附近岩屑剥落完毕，区域内温度处于一个平稳变化状态，各处温度差异十分微小。轴向应力增加到一定数值时，裂隙尖端区域内应力集中明显，使得裂隙尖端区域内出现少量高温点，这些高温点引起温度标准差突然增加。岩石试件破坏，温度标准差陡然增加至峰值，随后回落至低水平变化。表4为节理裂隙岩石单轴压缩试验温度标准差前兆信息时序特征统计。

4 热红外温度标准差敏感性分析

表5为含裂隙岩石与完整岩石的热红外温度标准差敏感性对比。对比分析了温度标准差出现时间、温度标准差异常上升形态、温度标准差变化量，对比分析结果为，含裂隙岩石的温度标准差异常上升首次出现时间远早于完整岩石温度标准差异常出现时间，含裂隙岩石的温度标准差异常上升值也远高于完整岩石的异常上升值，由此可见，含裂隙岩石的温度标准差前兆敏感性高于完整岩石的温度标准差前兆敏感性，究其原因在于，含裂隙岩石加载过程中，温度观测区的应力集中现象明显，应力集中导致观测区内温度异常升高明显且出现时间较早，异常升温引起温度标准差变化；完整岩石试验过程中，应力集中现象弱，临空面上的温度异常变化出现时间相对较晚，其温度标准差异常变化出现时间相较于含裂隙岩石的靠后。