單向循環(huán)加載下花崗巖力學(xué)特性及紅外分析*

谷中元，周科平

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

巖石破裂失穩(wěn)前會(huì)表現(xiàn)出一定的物化特征異常前兆，紅外特征在其中擔(dān)當(dāng)了重要角色[1]。巖石受力變形破壞過(guò)程中會(huì)伴隨能量釋放與耗散[2]，而巖石變形破壞過(guò)程中重要的能量耗散方式為紅外輻射。巖石結(jié)構(gòu)體受外力作用，會(huì)引起體內(nèi)或表面溫度的輕微改變，伴隨紅外輻射信號(hào)的釋放，該信號(hào)可被檢測(cè)，并用以推斷巖體結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力或應(yīng)變的變化[3-4]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)巖石破壞過(guò)程中紅外輻射特征有一定研究，比如He等[5-6]在巖層開(kāi)挖過(guò)程中利用紅外成像儀模擬其破壞過(guò)程，發(fā)現(xiàn)紅外輻射溫度與不同巖層的應(yīng)力—變化曲線特征密切相關(guān)，而紅外熱像能夠展示巖體的破壞過(guò)程；法國(guó)的Luong[7]利用熱成像技術(shù)，基于熱力耦合及損傷觀測(cè)與評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了混凝土和巖石破壞過(guò)程的紅外輻射特征及其疲勞損傷評(píng)價(jià)；劉善軍等[8]引入分形、熵和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論來(lái)定量描述巖石加載過(guò)程的紅外輻射溫度場(chǎng)變化特征；吳立新等[9-10]開(kāi)展了固體撞擊瞬態(tài)過(guò)程的紅外監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究，討論巖石撞擊輻射升溫的物理機(jī)制；馬立強(qiáng)等[11]首次利用紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)測(cè)量煤巖體孔內(nèi)的溫度來(lái)得到其內(nèi)部的溫度變化特征。王者超等[12]通過(guò)花崗巖三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)，系統(tǒng)研究花崗巖疲勞力學(xué)特性，提出花崗巖疲勞力學(xué)模型。

綜上可知，較多學(xué)者基于紅外成像技術(shù)多理論多角度下對(duì)巖石材料力學(xué)行為及溫度場(chǎng)間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究，但已有研究對(duì)一些重要區(qū)域涉及度有限，如單向循環(huán)加卸載下的溫度場(chǎng)變化特征的研究。本文基于某礦地下孤立礦柱承受單向應(yīng)力現(xiàn)狀，擬開(kāi)展單向循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，輔以紅外分析研究其相關(guān)性能響應(yīng)規(guī)律，并基于巖石單向循環(huán)加卸載的力學(xué)性能影響及其紅外輻射特性，探究紅外技術(shù)用于單向應(yīng)力循環(huán)加卸載作用下巖石破壞分析的可行性及優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為巖石破壞多角度評(píng)價(jià)尋找理論及技術(shù)新窗口。

1 循環(huán)加卸載試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

調(diào)研背景為礦山巖石現(xiàn)狀，選擇混合花崗巖開(kāi)展試驗(yàn)。該花崗巖強(qiáng)度高，承載性能優(yōu)良，能積聚較大能量，易于反映出機(jī)械能與溫度場(chǎng)的變化，便于紅外分析。按常規(guī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制備標(biāo)準(zhǔn)巖樣，規(guī)格為：直徑φ=50 mm，高度h=100 mm。

應(yīng)用WDW-2000伺服應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行巖石的循環(huán)加卸載預(yù)處理及壓縮試驗(yàn)。

應(yīng)用FLIR SC7000系統(tǒng)的紅外成像儀進(jìn)行紅外熱成像分析。該儀器適應(yīng)性強(qiáng)，外形小巧，可同步捕捉瞬間圖像，能通過(guò)即插即用接口、Camlink或GigE接口實(shí)現(xiàn)FLIR SC7000系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與電腦的高效連接。

1.2 試驗(yàn)方案與流程

考慮地下孤立巖礦柱的受力環(huán)境，對(duì)最不利情況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，施行單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)。首先測(cè)試原始巖樣強(qiáng)度性能，基于原始強(qiáng)度以其12%，24%，36%，48%和60%為振幅分別進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載預(yù)處理。為降低疲勞損傷干擾，選擇低循環(huán)次數(shù)，分為5次循環(huán)和10次循環(huán)[13]，壓力加載速率控制為1 000 N/s。試樣預(yù)處理后，靜置冷卻至環(huán)境溫度。

架設(shè)紅外檢測(cè)設(shè)備。對(duì)處理過(guò)的巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并進(jìn)行全程紅外檢測(cè)，檢測(cè)距離控制1 m。檢測(cè)室進(jìn)行溫度、噪聲及光線控制，實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行遮光防護(hù)，試樣接觸時(shí)戴隔熱手套進(jìn)行。

進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)取試樣強(qiáng)度，同時(shí)檢測(cè)紅外數(shù)據(jù)與圖像信息。巖石表面的平均紅外輻射溫度(AIRT)反映整個(gè)巖石試樣的紅外輻射能量，是表征巖石加載過(guò)程中紅外輻射變化特征的一個(gè)重要指標(biāo)[14]。由于循環(huán)加載過(guò)程中巖石整體表面與外界交替頻繁[15]，例如巖石端面與壓力機(jī)的接觸會(huì)影響溫度場(chǎng)，而巖石內(nèi)部能量聚集不易與外界環(huán)境交換熱能，故分別檢測(cè)試樣整體溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)(區(qū)域1)與中心位置溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)(區(qū)域2)。區(qū)域1為整體巖樣側(cè)面投影區(qū)域(50 mm×100 mm)平均紅外輻射溫度；區(qū)域2為近中央選定小范圍區(qū)域(40 mm×40 mm)。試驗(yàn)流程及測(cè)試示意如圖1和2所示。

圖1 試驗(yàn)流程Fig.1 Test flowchart

圖2 測(cè)試示意Fig.2 Test schematic diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 循環(huán)加卸載預(yù)處理

對(duì)未處理巖石試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得強(qiáng)度均值為201.88 MPa，以此為基準(zhǔn)進(jìn)行單向循環(huán)加卸載預(yù)處理。未發(fā)生顯著損傷破壞時(shí)不同循環(huán)加卸載參數(shù)下的巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征歸納示意如圖3所示。

觀察檢測(cè)循環(huán)加卸載過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可知不同循環(huán)次數(shù)對(duì)巖石循環(huán)加卸載的應(yīng)力—應(yīng)變曲線有影響，統(tǒng)計(jì)歸納代表性示意如圖3(a)所示，同時(shí)可知，相同循環(huán)次數(shù)時(shí)不同循環(huán)加卸載振幅下，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性亦有一定的不同，統(tǒng)計(jì)歸納代表性示意如圖3(b)所示。

圖3 單向循環(huán)荷載預(yù)處理應(yīng)力-位移示意Fig.3 Schematic diagram of stress-strain under uniaxial loading and unloading

2.2 循環(huán)加卸載強(qiáng)度測(cè)試

單軸循環(huán)加卸載預(yù)處理結(jié)束后，對(duì)花崗巖進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試。發(fā)現(xiàn)進(jìn)行循環(huán)加卸載處理，并未改變巖石的宏觀力學(xué)曲線特征。統(tǒng)計(jì)匯總在12%，24%，36%，48%和60%加卸載振幅下，循環(huán)次數(shù)分別為5次與10次預(yù)處理后的巖石單軸抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 單向循環(huán)荷載下的強(qiáng)度結(jié)果Fig.4 Strength results under cyclic loading and unloading

2.3 循環(huán)加卸載紅外測(cè)試

各組試樣循環(huán)加卸載預(yù)處理完畢后，放置降溫至環(huán)境溫度。做好防護(hù)開(kāi)展單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試同時(shí)，進(jìn)行紅外檢測(cè)。檢測(cè)巖石表面的整體平均紅外輻射溫度區(qū)域1(50 mm×100 mm側(cè)面投影區(qū)域)與中央?yún)^(qū)域2(近中央40 mm×40 mm區(qū)域)平均紅外輻射溫度。可知巖石破壞時(shí)伴隨顯著的紅外輻射現(xiàn)象，且中央?yún)^(qū)域平均溫度明顯高于整體平均溫度。

測(cè)試原始巖樣紅外輻射溫度AIRT，得測(cè)試溫度區(qū)域1為23.6°C，區(qū)域2為23.81°C。匯總各循環(huán)加卸載狀態(tài)下的巖石單軸壓縮測(cè)試時(shí)的AIRT試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用測(cè)試軟件計(jì)算其平均溫度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 AIRT分析結(jié)果Fig.5 Results of AIRT analysis

3 結(jié)果分析與討論

3.1 循環(huán)加卸載作用的力學(xué)特性

3.1.1 循環(huán)加卸載預(yù)處理時(shí)的力學(xué)特性

循環(huán)加卸載對(duì)巖石的強(qiáng)度特性有明顯的影響，由圖3(a)可知：進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載，會(huì)造成壓縮前位移增大，原因是實(shí)現(xiàn)了巖石微裂隙的壓縮，因而整體曲線右移。隨著微裂隙壓密，巖石更為均勻密實(shí)，彈性特征更為明顯，應(yīng)力曲線斜率略有增大。由圖3(b)可知：隨著振幅增加，彈性變形前的應(yīng)變?cè)黾樱f(shuō)明壓密作用更為強(qiáng)烈，同時(shí)斜率增加，由于壓力增加巖石更為密實(shí)所致，導(dǎo)致彈性有所增強(qiáng)。

3.1.2 循環(huán)加卸載作用后的力學(xué)特性

由圖4試驗(yàn)強(qiáng)度曲線可知，循環(huán)加卸載，并未改變巖石的基本習(xí)性，壓縮階段變現(xiàn)為：微裂隙壓密階段，彈性變形階段及塑性變形與破壞階段。由此可見(jiàn)，循環(huán)加卸載對(duì)巖石的強(qiáng)度影響不是單向影響。總體看循環(huán)加卸載處理對(duì)巖石強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的干涉趨勢(shì)，呈現(xiàn)波峰狀特征。針對(duì)巖體的循環(huán)加卸載的強(qiáng)度效應(yīng)，有較多學(xué)者進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究，結(jié)論表明，循環(huán)加卸載對(duì)巖體的影響有雙重性，存在增加或減弱可能。有資料顯示脆性花崗巖，加強(qiáng)作用較為明顯，但超過(guò)一定承載幅度，必然又會(huì)引起削弱。

由圖5試驗(yàn)結(jié)果可知，可以認(rèn)為在未超過(guò)彈性極限且未發(fā)生疲勞損傷時(shí)，低幅度的加卸載預(yù)處理有益于強(qiáng)度提高，在36%之間增益效果達(dá)到峰值。幅度增加與疲勞損傷次數(shù)作用下，加卸載處理會(huì)降低巖石強(qiáng)度。同時(shí)認(rèn)為幅度24%下10次循環(huán)強(qiáng)度結(jié)果因離散性導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。總體結(jié)論可認(rèn)為36%振幅之前加卸載起加強(qiáng)作用，循環(huán)10次加強(qiáng)效果高于5次；36%振幅之后加卸載起削弱效果，循環(huán)10次削弱效果高于5次。

對(duì)比原始巖石強(qiáng)度，循環(huán)加卸載還是大部分表現(xiàn)出削弱作用，但36%振幅下10次循環(huán)仍呈加強(qiáng)效應(yīng)。可以認(rèn)為，在未超過(guò)彈性極限且未發(fā)生疲勞損傷時(shí)，由于微裂隙壓密，加卸載預(yù)處理會(huì)對(duì)整體強(qiáng)度發(fā)揮促進(jìn)作用。但是隨著加卸載振幅增加，疲勞損傷等作用下，會(huì)引發(fā)新?lián)p傷導(dǎo)致過(guò)早破壞，出現(xiàn)加卸載處理下的強(qiáng)度削弱效應(yīng)。

3.2 循環(huán)加卸載作用下的紅外測(cè)試分析

3.2.1 循環(huán)加卸載紅外AIRT分析

通過(guò)圖5可知：5次循環(huán)情況下?lián)p傷較低，積累能量能發(fā)揮較好的作用形成較為明顯的熱能轉(zhuǎn)化；而10次循環(huán)損傷相應(yīng)提高，在低振幅時(shí)，溫度提高，而高振幅時(shí)損傷較大，能耗較高，導(dǎo)致溫度降低。對(duì)比強(qiáng)度試驗(yàn)可知，24%振幅10次循環(huán)實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)因離散性導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。同時(shí)可知，強(qiáng)度與紅外溫度表現(xiàn)有一定的相關(guān)性，10次循環(huán)36%振幅時(shí)溫度較高，與強(qiáng)度結(jié)果吻合。

(1)

圖6 巖石壓縮能量示意Fig.6 Schematic diagram of rock energy under pressure

結(jié)合式(1)及圖6，由能量分析可知，外力作用會(huì)增加巖體的耗散能，一部分耗散能形成能量積聚，在能量轉(zhuǎn)換中對(duì)熱能造成影響。每次循環(huán)加卸載均會(huì)形成一定的能量積累，但同時(shí)會(huì)引發(fā)裂紋擴(kuò)張等損傷。未超過(guò)極限時(shí)，積累能量發(fā)揮增強(qiáng)作用，導(dǎo)致最后的溫度增高。當(dāng)損傷作用較為顯著時(shí)，會(huì)造成較大的能量耗散，導(dǎo)致溫度降低。

紅外破壞過(guò)程溫度曲線如圖7所示。通過(guò)圖7可知，巖石在破壞前未有明顯的溫度變化，溫度曲線平穩(wěn)，但在破壞時(shí)伴隨顯著的溫度上升。說(shuō)明在破壞中發(fā)生顯著的能量交換，有放熱現(xiàn)象。破壞時(shí)有顯著的溫度波動(dòng)，表現(xiàn)為：峰值前的上下波動(dòng)，至破壞時(shí)的急劇上升，進(jìn)而下降。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)上升的幅度與檢測(cè)平均溫度相關(guān)性較大。故此可知，巖石破壞過(guò)程伴隨著顯著的溫度場(chǎng)變化，通過(guò)溫度場(chǎng)變化可從能量角度提供巖石破壞評(píng)價(jià)平臺(tái)。破壞溫度的不均勻分布，對(duì)紅外熱能的進(jìn)行量化分析仍有較多難題需要克服。由于破壞發(fā)生在極短時(shí)間內(nèi)，透過(guò)紅外實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警仍有較長(zhǎng)的路要走。

圖7 巖石破壞時(shí)的AIRT曲線Fig.7 Figure of AIRT during rock failure

3.2.2 循環(huán)加卸載紅外熱成像分析

為分析巖石破壞瞬間的紅外特性，對(duì)其破壞過(guò)程進(jìn)行紅外成像檢測(cè)分析，如圖8所示。通過(guò)圖8可知，巖石破壞會(huì)引起非均勻瞬間的溫度提升，破壞為個(gè)別區(qū)域應(yīng)力集中誘發(fā)破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整體失穩(wěn)破壞，破壞過(guò)程伴隨顯著的溫度差異。破壞前，幾乎無(wú)變化，破壞時(shí)，表層局部出現(xiàn)高溫區(qū)域，破壞后內(nèi)部高溫區(qū)域呈現(xiàn)出來(lái)，顯現(xiàn)出來(lái)的高溫區(qū)域與環(huán)境發(fā)生能量交換，溫度逐漸下降。可以認(rèn)為部分區(qū)域應(yīng)力集中首先發(fā)生破壞，進(jìn)而災(zāi)害區(qū)域貫通，引發(fā)整體破壞，高溫區(qū)域亦與破壞斷裂形態(tài)相一致。透過(guò)紅外檢測(cè)，可對(duì)破壞暴露區(qū)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力集中、區(qū)域集中程度及分布情況檢測(cè)。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著振幅及循環(huán)次數(shù)的增加，暴露出現(xiàn)的高溫點(diǎn)呈減少趨勢(shì)，推斷為由于損傷增加，巖石內(nèi)應(yīng)力集中情況降低，破壞更趨均勻。因溫度不均性，且只能檢測(cè)暴露溫度，距離全面的量化分析還有較長(zhǎng)的路要走。

圖8 60%振幅下單向循環(huán)荷載的熱成像Fig.8 Thermal imaging under uniaxial loading and unloading with amplitude of 60%

3.2.3 循環(huán)加卸載紅外溫度場(chǎng)頻數(shù)直方圖分析

頻數(shù)直方圖能簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)又可突出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布及結(jié)構(gòu)特征，因而考慮進(jìn)行頻數(shù)直方圖分析巖石破壞過(guò)程的溫度分布特征。選擇代表性48%振幅與60%振幅巖樣10次循環(huán)后的頻數(shù)直方圖(見(jiàn)圖9)，針對(duì)不同時(shí)刻的區(qū)域溫度場(chǎng)直方分布圖進(jìn)行分析。頻數(shù)直方圖可反映出頻數(shù)高的對(duì)應(yīng)溫度為區(qū)域中心溫度，同時(shí)溫度范圍體現(xiàn)了區(qū)域溫度場(chǎng)均勻性。從圖9可知，破壞前，破壞時(shí)，區(qū)域溫度場(chǎng)總體分布較為均勻，有中心溫度，而破壞后，區(qū)域溫度場(chǎng)溫度分布區(qū)域明顯加寬，試樣內(nèi)部不均勻溫度分布才能顯現(xiàn)出來(lái)。破壞后的溫度場(chǎng)分布區(qū)域可分為3個(gè)區(qū)域，分別為常溫區(qū)，升溫區(qū)與突變區(qū)。基于環(huán)境溫度，可判定常溫區(qū)域，而高于常溫區(qū)，頻數(shù)相應(yīng)較高區(qū)域?yàn)樯郎貐^(qū)，最后是突變區(qū)，該區(qū)域?yàn)橥蛔兏邷貐^(qū)，但頻數(shù)少，為應(yīng)力集中形成的高溫區(qū)所致。同時(shí)，也可知高溫區(qū)域較少即應(yīng)力集中區(qū)域較為有限。故此，可評(píng)價(jià)應(yīng)力集中區(qū)域的集中程度及范圍比例。同時(shí)可知試樣破壞后溫度分布場(chǎng)溫度范圍越大，與環(huán)境熱交換越多，最后的檢測(cè)溫度越低。從試驗(yàn)結(jié)果看，60%高振幅下，檢測(cè)溫度較低，表現(xiàn)出更寬的破壞后溫度場(chǎng)區(qū)域分布，48%振幅下破壞后溫度場(chǎng)寬度窄，檢測(cè)溫度稍高。可知紅外檢測(cè)結(jié)果與破壞形態(tài)結(jié)構(gòu)有較大關(guān)聯(lián)。

圖9 頻數(shù)直方示意Fig.9 Frequency histogram

破壞后的頻數(shù)直方圖，反映了溫度不均勻性，能較好揭示衡量能量分布，進(jìn)而衡量應(yīng)力集中程度，并可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域定位。也能知道巖樣破壞時(shí)，經(jīng)歷了常溫—升溫—降溫?zé)崮茏兓^(guò)程，說(shuō)明巖樣加壓破壞過(guò)程存在能量的聚集到釋放過(guò)程。同時(shí)頻數(shù)直方圖提供了較好的評(píng)價(jià)平臺(tái)，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)高溫區(qū)域分布及高溫幅度的評(píng)價(jià)，對(duì)巖石的應(yīng)力集中分析，有較大的借鑒意義，可日后進(jìn)行深入分析。然而，紅外檢測(cè)僅能對(duì)表面進(jìn)行紅外輻射能檢測(cè)分析，對(duì)于整體立體分析，還有一定的欠缺，因而有一定的局限性。

4 結(jié)論

1)循環(huán)加卸載對(duì)花崗巖有雙向作用大體隨著振幅呈現(xiàn)先增加又降低的規(guī)律，36%振幅10次循環(huán)下的強(qiáng)度最優(yōu)。

2)循環(huán)加卸載會(huì)影響花崗巖壓縮的紅外結(jié)果。損傷有限時(shí)紅外輻射溫度提高，超過(guò)一定的損傷界限，循環(huán)加卸載反而降低紅外輻射溫度。花崗巖破壞時(shí)由于局部應(yīng)力集中所致，表現(xiàn)出局部溫度急劇升高的特征，且破壞前后，有顯著的溫度波動(dòng)現(xiàn)象，可提供巖石破壞分析平臺(tái)。

3)巖石在破壞的瞬間會(huì)釋放大量熱能，溫度急劇上升，通過(guò)頻數(shù)直方圖，可將破壞后溫度場(chǎng)分成常溫、升溫、突變溫3個(gè)溫度區(qū)域，綜合反映出巖石壓縮破壞伴隨能量積聚到釋放的過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)紅外技術(shù)在巖石災(zāi)變演化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)破壞應(yīng)力集中特性分析層面有一定的優(yōu)勢(shì)。