結合應變場和溫度場裂隙砂巖破壞規律及災變預警研究

康志強 馮江江 王治磊 張 晨

(1.華北理工大學礦業工程學院,河北 唐山 063200;2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室,河北 唐山 063210;3.河北省礦山綠色智能開采技術創新中心,河北 唐山 063200)

許多巖土、邊坡工程的失穩破壞問題是由巖體內部的節理裂隙在外力作用下擴展、貫通所引起[1-2]。現有研究成果表明巖體在加載過程中外緣表層紅外輻射隨試樣破壞程度增加而逐漸強烈,因此從紅外輻射信號中提取表征巖石不同狀態下的特征信息可以實現對巖體工程災變演化及預警的有效監控。國內外學者已經將紅外輻射技術廣泛應用于非接觸式巖體全局溫度檢測研究,Freund[3]進行了脆性花崗巖破裂過程中的紅外輻射觀測試驗,發現花崗巖試樣外緣表面的紅外輻射溫度隨著加載過程中加載路徑的變化而改變;He M C[4]利用紅外輻射技術模擬了巖層分層開挖過程中造成的破壞,研究表明紅外輻射溫度場能夠反映出巖層應力分布的變化,而紅外熱像能夠反映巖層的開挖破壞過程;劉善軍、張艷博等[5-7]引入熵值、統計學和分形等理論,定量描述了巖石加載破壞過程中紅外輻射溫度場的變化;吳賢振等[8]通過監測巖石破壞溫度場演化特征,發現溫度場與應力場之間存在著較好的相關關系,可利用紅外溫度場所表現出的異常現象預警巖石破壞;劉善軍等[9]結合“遙感—巖石力學”,實現對地震活動帶及礦爆、巖爆等自然災害進行監測預報。

數字圖像相關技術是近些年來巖石力學領域新興的一種非接觸式全場應變觀測手段,通過追蹤巖石表面人工散斑圖像,精確獲取加載過程中巖石表面全場應變、位移的信息,具有較強的應用可靠性。大久保誠介等[10]通過對比應變片和3D-DIC系統在單軸壓縮過程巖石中全場應變結果,證明3D-DIC系統可以滿足巖石全場可視化測量的要求;Shirole等[11]利用全場應變信息監測裂隙巖石破壞過程中的損傷類型,發現產生尖端裂紋時主要以張拉裂紋和剪切力裂紋為主;宋義敏等[12]通過DIC系統監測了巖石破壞變形過程中的局部位移量,并通過位移演化得出其全過程能量耗散規律;范杰等[13]將3D-DIC系統應用于探究含不同傾角裂隙砂巖的裂紋擴展及損傷機理。

目前研究成果大多通過對巖石加載變形、破壞過程進行上述單領域手段監測,缺乏應變場和紅外輻射溫度場雙領域聯合分析觀測,以及對其相關性、差異程度缺少理論驗證。巖石在局部破壞或整體失穩過程中由于內部礦物結構發生改變造成礦物成分中的分子、原子發生能級躍遷,導致巖石表面紅外輻射發生變化。因此,基于應變場和溫度場兩種非接觸式監測手段作用下裂隙巖石破壞的協同演化過程,能夠全面揭示裂隙巖石破壞規律并對不同破壞形式表現出的異常信息分別作出災變預警。

1 試驗設計

1.1 試件制備

本次試驗研究對象為條帶狀沉積黃砂巖,取自河北省唐山市某礦頂板,鑒定其主要礦物成分為石英、長石、云母及部分氧化物。將同一巖層取出的黃砂巖制成尺寸為50 mm×100 mm×150 mm的矩形板狀試樣,并利用高速水槍切割出2條寬2 mm、長50 mm、傾角為45°的貫穿型平行裂隙,如圖1(a)所示。之后對試樣進行波速測定,挑選波速相近試樣以降低試驗數據離散性。為獲得數字圖像相關技術系統所需的隨機散斑圖案,采用白色啞光噴漆對巖石表面進行噴繪,然后用啞光黑漆在白色底漆上隨機噴繪非規則黑色散斑,如圖1(b)所示。圖1(c)為黃砂巖試樣最終破壞形態。

圖1 試樣示意Fig.1 Schematic of sample

1.2 試驗方案

試驗系統如圖2所示,加載系統為RLW-3000微機控制剪切蠕變試驗機,對砂巖試樣進行雙軸加載,將圍壓強度分別設定為5 MPa,軸向壓力設置為2 kN,以0.12 mm/min的加載速率同步將軸壓、圍壓提升至設定值,之后轉化為軸向位移控制模式,以0.2 mm/min的加載速率直至試件破壞。加載過程使用高速攝像機對噴繪人工散斑場的試樣進行數字散斑場圖像收集,高速攝像機分辨率為2 048×1 536,采集頻率為50 Hz。同時使用Therma CAM SC3000紅外熱像儀收集試樣破壞過程的紅外熱像,監測溫度場的變化,采集頻率為15幀/s。

圖2 試驗系統Fig.2 Test system

在試樣端部涂抹凡士林以消除加載過程中試樣端部效應,為保證試驗過程中協同記錄圖像在時間上的一致性,在加載之前對試驗系統進行時間統一,最終選取3組試樣。編號約定為:圍壓+試樣編號,如“5-1”表示為圍壓為5 MPa的1號試樣。

2 加載過程中應變場演化規律

雙軸加載過程得到裂隙砂巖試樣應力—應變曲線如圖3所示,使用Vic-3D型數字圖像計算系統對加載過程中獲取的數字散斑圖像進行信息處理,得到試樣加載過程中的水平應變場、垂直應變場、剪切應變場。研究結果表明,相同圍壓下3組試樣加載過程中的應變場演化規律基本相似,因此選取試樣5-2應力—應變曲線中的8個特征時刻進行標識。圖4為加載過程中特征點的裂紋擴展情況及裂紋類型。圖5～圖7為特征點所對應的3種應變場圖像。

圖3 應力—應變曲線Fig.3 Stress-strain curves

圖4 裂紋擴展路徑Fig.4 Crack growth paths

圖5 水平應變場Fig.5 Horizontal strain field

由圖3可以看出,裂隙砂巖在雙軸加載過程應力—應變曲線中可以大致分為4個階段:

(1)微裂隙壓密階段(特征點1～3)。此階段應力—應變曲線上升緩慢,且呈現上凹型,這是由于雙軸加載初期圍壓與軸向應力的共同作用下,砂巖內部微裂隙壓密,使得砂巖試樣強度增加,且對應3種應變場分布均勻。如圖5(a)～圖5(c)、圖6(a)～圖6(c)、圖7(a)～圖7(c)所示。

圖6 垂直應變場Fig.6 Vertical strain field

圖7 剪切應變場Fig.7 Shear strain field

(2)彈性變形階段(特征點3～5)。隨著軸向應力繼續增加,此時砂巖試樣處于彈性壓縮狀態,應力—應變曲線在此階段大致呈線性關系增長。裂隙砂巖試樣預制裂隙尖端處并未萌生出明顯的裂紋,但對應3種應變場均已出現應變集中區,說明此時試樣表面已經開始出現微滑移面。如圖5(d)～圖5(e)、圖6(d)～圖6(e)、圖7(d)～圖7(e)所示。

(3)裂紋擴展階段(特征點5～7)。此階段砂巖試樣預制裂隙尖端處形成局部破壞核,張拉型翼裂紋產生,此時軸向應力為試樣峰值荷載的75.6%。隨后與巖樣端部擴展產生的剪切裂紋連接、貫通,形成局部破壞面。該階段對應的3種應變場出現明顯應變集中區,如圖5(e)～圖5(g)、圖6(e)～圖6(g)、圖7(e)～圖7(g)所示。

(4)峰后破壞階段(特征點7～8)。軸向應力達到峰值后,試樣兩個端部產生的剪切裂紋加速擴展,最終巖橋貫通,出現宏觀破壞面。應變場出現應變區域連接,如圖5(g)～圖5(h)、圖6(g)～圖6(h)、圖7(g)～圖7(h)所示。

根據上述裂隙砂巖試樣雙軸加載過程中應力—應變曲線各個階段所對應的應變場演化趨勢可知,應變場由均勻分布到出現應變集中區,并擴展、延伸的過程是巖體出現裂紋到逐漸失穩破壞的重要表征。在統計學中標準差是將離散程度量化的一項重要指標,巖體加載過程中應變集中區演化會引起應變場分異程度增大,因此引入標準差這一指標,定量表征應變場的演化特征。

應變場標準差為

式中,Sε,i為樣本第i時刻的應變場標準差;l為應變場子區總數;εij為樣本第i時刻時第j個子區的應變值;為第i時刻時m個樣本子區應變場的均值。

通過計算可得出圖8所示編號為5-2試樣裂隙砂巖試樣雙軸加載過程中的3種應變場標準差曲線。

圖8 應變場標準差—應變曲線Fig.8 Standard deviation of strain field-strain curves

由圖8可知3種應變場標準差曲線可大致分為3個階段:

階段Ⅰ:初始分異階段。此階段對應加載過程中微裂隙壓密階段,試樣整體強度增加,形變較小,應變場分布較為均勻,因此3種應變場標準差數值處于0～1%,離散程度較小。

階段Ⅱ:穩定分異階段對應試樣彈性變形階段。此階段3種應變場標準差逐步增長,這是由于試樣表面應變場出現應變集中區,預制裂隙尖端存在應力集中現象,并伴隨輕微滑移面,因此產生分異現象。

階段Ⅲ:加速分異階段對應加載過程中試樣裂紋擴展和峰后破壞階段。這一階段前期預制裂隙尖端出現明顯翼型張拉裂紋,隨后張拉裂紋快速擴展,同時端部生出剪切裂紋,與張拉裂紋連接貫通,最終巖橋失穩破壞,使得各應變場分異程度突增,應變場標準差曲線在峰值荷載附近陡增。

3 加載過程中紅外輻射溫度場演化過程

圖9為編號5-1試樣8個特征時刻所對應的紅外輻射圖像。

圖9 紅外輻射溫度場Fig.9 Infrared radiation temperature field

由圖9可知,加載初期(特征點1～4)試樣紅外輻射溫度場除平均溫度升高外,并無異常分異現象,如圖9(a)～圖9(d);隨著軸向應力的增加試樣預制裂隙尖端出現翼型張拉裂紋(特征點5～6),其溫度場對應位置處略微出現局部升溫帶,如圖9(e)～圖9(f),說明巖體發生張拉破壞過程中,紅外溫度場分異現象并不明顯;試樣到達峰值應力附近時剪切裂紋開始萌生(特征點7～8),此時試樣溫度場出現高溫條帶,如圖9(g)～圖9(h),同時溫度達到最高值,說明巖體發生剪切破壞時,破壞面在正應力與剪應力作用下產生摩擦生熱現象,導致溫度場分異程度增大。

以上溫度場演化規律可知,剪切裂紋的出現會導致試樣表面溫度場的分化程度發生較大改變。為定量描述加載過程中試樣表面溫度場演化特征,引入溫度場標準差定量描述其演化規律。

溫度場標準差為

式中,ST,i為i時刻溫度場標準差;l為溫度場子區總數;Ti,m為第i時刻時第m個子區的溫度值;為第i時刻時m個樣本子區溫度值的均值。

通過計算可得出圖10所示編號為5-2試樣的裂隙砂巖試樣雙軸加載過程中紅外輻射溫度場標準差曲線。

圖10 溫度場標準差—應變曲線Fig.10 Standard deviation of temperature field-strain curves

分析圖10可將溫度場標準差曲線分為2個階段:

階段Ⅰ,穩定分異階段。該階段出現在剪切裂紋萌生之前,此時試樣表面沒有出現破裂面之間擠壓、摩擦而產生的放熱效應,因此溫度場標準差曲線較為平緩,離散程度較小。

階段Ⅱ,加速分異階段。溫度場標準差曲線基本呈直線大幅增加,這是由于試樣在此階段剪切裂紋開始擴展,在剪應力與正應力作用下破裂面產生摩擦生熱效應,溫度急劇升高導致離散程度增大,隨后試樣發生失穩現象。

4 應變場與溫度場相關關系驗證

宋義敏等[14]發現:巖石類材料加載過程中其應變值與表面溫度之間存在一定對應關系,為探究裂隙砂巖雙軸加載過程應變場與溫度場之間的相關性,引入皮爾遜相關系數定量描述兩個領域之間的密切程度,計算公式為

式中,m為時步總數;,為3種應變場和溫度場標準差的平均值。

表1為相關系數絕對值與兩個領域相關關系的密切程度。

表1 相關系數與相關程度Table 1 Correlation coefficient and correlation degree

通過計算得出本次試驗3組試樣溫度場與各應變場標準差所對應的皮爾遜相關系數均在0.6～0.91之間,計算結果如表2所示。結果表明:2個領域信息之間呈現顯著與高度相關關系。

5 應變場與溫度場信息演化災變預警

通過分析雙軸加載過程中裂隙砂巖應變場與溫度場標準差曲線可知其分異程度具有明顯階段性,利用差分法對兩個領域標準差曲線對軸向應變進行求導計算,得到定量描述全場信息的分異速率,計算公式為

式中,vε、vT分別表示應變場分異速率和溫度場分異速率,計算結果表明3種應變場分異速率曲線演化趨勢相似,限于篇幅,選取試樣5-1試樣剪切應變場分異速率曲線進行分析,如圖11所示。

圖11 剪切應變場分異速率曲線Fig.11 Shear strain field differential rate curve

圖11表明:剪切應變場分異速率曲線圖中出現2個明顯尖端點P1、P2。分別對應特征點5和特征點7,即張拉裂紋、剪切裂紋萌生點。這是由于隨著裂紋的萌生,周圍巖石出現應力重分布現象,導致其應變場出現不同程度的分異現象,且分異程度取決于裂紋類型及擴展程度,反映在分異速率曲線上表現為預警點的出現。3組試樣應變場預警點P1、P2點所對應的前兆應力、前兆時間及與峰值應力、時間比如表3、表4所示。

表3 應變場演化預警點P1Table 3 Early warning point P1 of strain field evolution

表4 應變場演化預警點P2Table 4 Early warning point P2 of strain field evolution

圖12為試樣溫度場分異速率曲線,表明加載過程中試樣溫度場分異速率呈震蕩上升趨勢,直至特征點7處(剪切裂紋出現)時分異速率突增,到達峰值應力之后下降至正常水平,并出現明顯尖端點,對應上文說明此時剪切裂紋迅速擴展,試樣即將發生巖橋貫通的失穩破壞。因此可將其尖端點記作剪切裂紋預警點P。表5為3組試樣溫度場預警點P所對應的前兆應力、前兆時間及與峰值應力、時間比。

表5 溫度場演化預警點PTable 5 Temperature field evolution early warning point P

圖12 溫度場分異速率曲線Fig.12 Temperature field differential rate curves

綜上所述,當預警點P1出現時,前兆應力與峰值應力比值區間為73.71%～76.43%,前兆時間與峰值時間比值區間為63.43%～70.91%;當預警點P2出現時,前兆應力與峰值應力比值區間為89.16%～93.42%,前兆時間與峰值時間比值區間為92.44%～95.31%;當預警點P出現時,前兆應力與峰值應力比值區間為93.92%～94.37%,前兆時間與峰值時間比值區間為87.62%～94.74%。綜合考慮3個預警點均對應裂隙巖體加載過程中發生整體結構破壞的關鍵信息,尤其P2、P出現時表明巖體已經接近宏觀失穩破壞。因此可將P1視作張拉裂紋預警點,P2、P視作剪切裂紋2個領域聯合預警點。

6 結 論

(1)裂隙巖體在雙軸加載過程中軸向應力達到峰值應力75.4%時,裂隙尖端出現翼型張拉裂紋,加載至峰值應力附近時端部出現剪切裂紋并迅速擴展使得巖橋貫通,隨后巖體發生失穩破壞。不同種類裂紋萌生時,應變場和溫度場均出現不同特征信息演化。

(2)裂隙砂巖應變場標準差曲線劃分為初始分異、穩定分異、加速分異3個階段,溫度場標準差曲線演化劃分為穩定分異和加速分異2個階段,2個領域皮爾遜相關系數為0.6～0.91之間,呈現為顯著及高度相關關系。

(3)應變場分異速率曲線在張拉裂紋和剪切裂紋萌生的同時出現預警點P1、P2,溫度場分異速率曲線在剪切裂紋出現時出現預警點P。3個預警點均可作為巖體災變預警信號。采用2個領域信息融合方法確定的預警點可以準確捕捉巖體加載過程中關鍵破裂特征,為裂隙巖體預警破壞提供新的思路和觀點。