裂隙巖體多元技術下單軸壓縮試驗破壞規律

王佳威,夏紅兵

(安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南 232001)

巖體作為常見的脆性材料,在各種應力作用下會產生大量的裂隙、斷層等不連續結構面。這類不連續結構面受到外力作用時極易導致巖體結構失穩、破壞[1-4],引發工程事故,危害國家和人民的財產與安全。近年來,國內外諸多學者對含裂隙巖體的破壞規律開展了一系列實驗研究。李庶林等[5]從聲發射事件數與應力、時間的關系中得到了巖石在受壓破壞全過程中裂紋擴展的聲發射特征,揭示了含裂紋巖石壓剪斷裂破壞的內在機制。馮少杰等[6]對邊坡開采時上覆巖體的變形破壞規律進行數值模擬分析,得到了保證邊坡巖體穩定性的最優方案,即先減載后加固。S.Q.Yang等[7-8]采用高速攝影技術,研究了單裂隙及兩條平行非共面裂隙砂巖的破裂失穩過程,分析了裂隙傾角、長度等對裂紋擴展貫通及力學特性的影響。

數字圖像相關技術(Digital Image Correlation,DIC)是一種非接觸式全場變形觀測方法。徐麗海[9]等采用3D-DIC技術分析了預制單裂隙巖體在單軸壓縮下的破壞過程,首次提出用散斑損傷變量來定量分析巖體破壞程度,肯定了巖體破壞過程中應變場的演化分布能更好地反應巖體內部裂紋的變化情況;朱權潔[10]等詳細介紹了DIC測量系統的設備、操作流程以及注意事項,并結合實驗得到了巖石試件破壞失穩規律;吉卓禮[11]等采用DIC技術分析泥質白云巖試件在單軸壓縮破壞試驗下的損傷演化規律,并與傳統巖石測試技術相比較,證實DIC技術所得的數據更加精準,操作更加方便。

紅外輻射測溫技術(Infrared Radiation Temperature,IRT)是通過信號轉換將所測的物體表面輻射能量轉換為物體的表面溫度。呂思斌[12]詳細說明了紅外輻射測溫技術的概念,解釋了紅外輻射測溫技術與傳統測溫技術的區別,并介紹了紅外輻射溫度儀的組成和操作流程;吳賢振[13]等采用IRT技術實時無接觸檢測被高溫水浸透過的粉砂巖在破壞失穩過程中ITVF的變化情況,并記錄極差、峰度和突變比率的變化情況,定量分析了延性巖石破壞規律;高祥[14]等通過IRT技術監測粉砂巖在單軸壓縮作用下的紅外溫度場異常變化情況,將溫度場劃分為三個溫度區域,其中高溫區域是研究重點,揭示了紅外高溫區域異常是粉砂巖破壞失穩的前兆,并且出現在峰值應力之后。

聲發射技術(Acoustic Emission,AE)是利用聲發射儀器接收試件在變形或起紋過程中發出的彈性波信號,對試件進行無損檢測,可以有效地研究非透明材料的破裂行為。楊道學[15]通過現場試驗、理論分析和數值模擬等綜合手段,研究了巖石在水力耦合作用下微破裂演化機制及聲發射行為特征;朱星[16]等通過研究砂巖在單軸壓縮破壞試驗下的聲發射特征及變化情況,并建立時間-荷載-聲發射參數關系曲線定量分析聲發射特征的自相關系數和方差變異性,研究表明,聲發射振鈴計數隨著加載增大逐漸升高并在巖體破壞時達到最高,臨界慢化現象可作為巖石破壞前兆特征;牛心剛[17]通過對不同預制裂隙傾角巖體試件進行單軸壓縮聲發射實驗,研究得出預制裂隙傾角越小,達到峰值應力所需時間越短、破壞時軸向應變越小、聲發射累計振鈴計數上升越快。

上述實驗研究在分析巖體變形破壞規律時,普遍采用單一的特征指標,具有一定的局限性。本文在上述實驗的基礎上,將數字圖像相關技術(DIC)、紅外輻射測溫技術(IRT)和聲發射技術(AE)結合起來,建立多元分析體系,研究試件在破壞過程中應變場、紅外輻射溫度場和聲發射振鈴次數的變化規律,為之后研究預制裂隙巖體破壞規律提供理論指導。

1 試驗方案

1.1 模型介紹

本試件試驗模型中,模型長75mm,寬25mm,高150mm,由水泥砂漿類巖石材料構成。采用澆筑法制備長方體試件,試件模型如圖1所示。

圖1 成盤工具試件模型圖

在試件澆筑之前,應預先在模具相應位置固定方形薄片用來預制裂隙,薄片長度為28mm,厚度為1mm且與試件等寬,傾角為45°。然后開始澆筑至試件初凝,取出薄片,向裂隙內緩慢注入石膏,從而形成弱充填型預制裂隙。

1.2 試驗裝置

本文構建了多元集成的試驗系統,包括加載單元、DIC單元、紅外輻射單元和聲發射單元,綜合研究分析裂隙巖體試件的變形破壞規律。其中,加載單元主要包括千斤頂反力架加載裝置壓力試驗機,對試件施加軸向位移荷載;DIC單元包括采集圖像、存儲圖像、處理圖像和數值計算,其中采集圖像所使用的為兩臺分辨率為2048×2048pixels的CMOS工業相機、焦距為50mm,光圈2.8的Schneider鏡頭、以及偏振照明光源。紅外輻射單元測量使用H3在線式熱像儀,紅外分辨率為384×288像素,精度為±2℃;聲發射單元采用RAEM1聲波(聲發射)檢測儀,采集頻率響應范圍是10kHz～1000kHz,單個通道最大采樣率2MHz。在實驗開始之前,為了減小試件端部摩擦對試驗結果造成的誤差,應提前在試件受壓端均勻涂抹凡士林,再將預制裂隙巖體試件放置在試驗機上。然后把工業相機布設在試件前側,把H3在線式熱像儀布設在試件后側,將RAEM1聲波(聲發射)檢測儀布設在試件右側。確保各儀器安裝穩定且正常運行后,接入預先設計的多元試驗系統,開始實驗,實時采集各物理量同一時間的變化情況,進行分析處理。

2 試驗結果分析

在相同條件下,一共進行三組重復實驗,且每次實驗的預制裂隙巖體試件材料配比完全相同。軸向應力-軸向應變曲線如圖2所示,三組試樣曲線的演化過程基本相似。本文選取1號試樣作為研究對象進行分析,并在其曲線上標記出6個特征點(A-F),各特征點對應的裂隙延伸擴展情況如圖3所示。

圖2 軸向應力-軸向應變曲線

圖3 裂隙延伸擴展

2.1 應變場演化分析

應變場包括水平應變場、垂直應變場和剪切應變場。本文通過DIC單元測量系統共獲取7000余張試件在受載破壞過程中裂隙演化擴展圖片,從中篩選出最具代表的應變場圖片,并使用數字圖像相關軟件進行處理,得到6個特征點處應變場演化分布情況如圖4-圖6所示。

圖4 水平應變場演化分布

圖5 垂直應變場演化分布

由圖4-圖6可以看出,試件在受載初期處于孔隙壓密階段,此時應變場分布較為均勻;進一步加載,預制裂隙周圍產生應力集中,但裂隙并未擴展;隨著加載繼續增大,裂隙周圍逐漸產生應變局部化條帶,并且預制裂隙兩端開始產生新裂紋;加載至峰值應力時,應變局部化條帶貫通試件,試件產生宏觀裂隙,從而整體失穩破壞。

對比圖3和圖4-圖6可以發現,試件裂隙延伸擴展過程與應變場演化分布規律具有較好的相關性。該試件的應變場演化分布情況與對照組試件的應變場相演化分布情況對比可以明顯的得出該實驗組更為精確,誤差相對較小,應變局部變化帶更容易觀察。

為了進一步定量分析應變場演化分布規律,本文提出用標準差特征值來實時表現應變場演化分布規律。應變場標準差特征值公式為:

(1)

公式(1)中:Sσ,p為應變場中第p時刻的標準差特征值;q為應變場第q個子區,共有n個子區;σp,q為應變場第p時刻第q個子區的應變值;σp為應變場第p時刻的平均應變值。

根據公式(1)分別計算出3個應變場的標準差特征值,使用Origin制圖軟件繪制出應變場標準差特征值變化規律圖,如圖7所示。

圖7 應變場標準差特征值曲線

根據圖7可以看出,在試件加載初期,加載應力未達到峰值應力時,3個應變場標準差特征值曲線基本保持平穩,此時3個應變場的變化分布較為均勻;當加載達到峰值應力時,預制裂隙周圍的應變局部化條帶貫穿試件,產生宏觀裂隙,試件整體失穩破壞,3個應變場標準差特征值曲線驟增。由此可見,可以根據應變場標準差特征值曲線的變化來分析試件的加載變形破壞,并可以由應變場標準差特征值判斷試件是否發生破壞。

2.2 紅外輻射溫度場演化規律

本文通過H3在線式熱像儀對受載試件的溫度場演化進行監測,共收集紅外輻射熱力圖1400余張,并從中篩選出最具代表的圖片。如圖8所示為試件6個特征點處的紅外輻射溫度場熱力分布演化情況。

圖8 紅外輻射溫度場熱力圖

從圖8可以看出,在加載至峰值應力之前,試樣表面的紅外輻射溫度場并沒有分化;當加載達到峰值應力時,由于試件剪切裂紋的產生和擴展,出現了局部加熱升溫帶;當加載持續增大時,試件預制裂隙周圍會發生局部破裂釋放應力,導致相應位置溫度下降,紅外輻射溫度場分化現象不明顯;繼續加載至試件破壞,破壞瞬間紅外輻射溫度場出現高溫帶,對應于空間剪切破裂面。

通過對預制裂隙巖體試件在單軸壓縮作用下紅外輻射溫度場演化分布的分析可以看出,隨著加載的逐漸增大,試件表面的紅外輻射溫度場由均勻分布轉變為一個異常高溫區域,此區域覆蓋在試件的破裂面,導致紅外輻射溫度場分化程度增大。

本文對H3在線式熱像儀采集的紅外輻射溫度場數據進行分析處理,通過IRT-2D軟件將熱力圖劃分為網格區域,形成130×70=9100個網格子區域,從中獲取試件在受載破壞過程中最高溫的變化情況,并與試件應力-應變演化過程相結合,構建試件受載破壞過程中最高溫與軸向應變的關系,從而更加精確分析預制裂隙巖體試件紅外輻射溫度場演化分布規律。預制裂隙巖體試件的最高溫-軸向應變曲線如圖9所示。

圖9 最高溫-軸向應變曲線

根據圖9可以看出,在加載至峰值應力之前,曲線走勢分為兩個階段:當試件處于孔隙壓密階段和彈性變形階段時,預制裂隙并未擴展,紅外輻射溫度場最高溫呈現穩定增大趨勢;當試件處于非彈性變形階段時,預制裂隙兩端產生新裂紋,紅外輻射溫度場最高溫呈現緩慢增長趨勢。在加載至峰值應力時,試件產生宏觀裂隙發生脆性破壞,紅外輻射溫度場最高溫大幅度增大。由此可見,紅外輻射溫度場變化與試件預制裂隙延伸擴展密切相關,在試件宏觀裂隙生成前,溫度場變化不敏感;在宏觀裂隙生成時,溫度場變化非常敏感。

為了進一步定量分析紅外輻射溫度場演化規律,本文提出用標準差特征值來實時表現紅外輻射溫度場演化分布規律。紅外輻射溫度場標準差特征值公式為:

(2)

公式(2)中:ST,k為紅外輻射溫度場中第k時刻的標準差特征值;i為紅外輻射溫度場第i個子區,共有n個子區;Tk,i為紅外輻射溫度場第k時刻第i個子區的平均溫度值;Tk為應變場第k時刻的平均溫度值。

根據公式(2)計算出紅外輻射溫度場的標準差特征值,并使用Origin制圖軟件繪制出紅外輻射溫度場標準差特征值變化規律圖,如圖10所示。根據圖10可以看出,在試件加載初期,紅外輻射溫度場標準差特征值穩定增大;當加載達到峰值應力時,預制裂隙試件產生宏觀裂紋,紅外輻射溫度場標準差特征值驟然增大,試件發生破壞。由此可見,可以根據紅外輻射溫度場標準差特征值的增幅來分析試件的變形破壞規律。

圖10 紅外輻射溫度場標準差特征值曲線

2.3 紅外輻射溫度場演化規律

本文通過RAEM1聲波(聲發射)檢測儀對受載試件的聲發射單元進行實時監測,記錄試件各時段的振鈴次數,如圖11所示為試件振鈴次數與時間關系曲線圖。

圖11 振鈴次數-時間關系曲線

根據圖11可以看出,聲發射振鈴次數隨著時間的增加都明顯的階段化特性。在試件受載0～120s內,此時段加載應力未達到峰值應力,當試件處于孔隙壓密階段(0～40s)和彈性變形階段(40～100s)時,加載應力較小、預制裂隙并未擴展,試件產生的彈性波較少,聲發射累計振鈴次數在較低水平上下波動;當試件處于非彈性變形階段(100～120s)時,預制裂隙兩端產生新裂紋,加載應力轉化為彈性能并儲存在試件中,聲發射累計振鈴次數仍在較低水平上下波動。在試件受載120s時,此時加載應力達到峰值應力,試件表面產生宏觀裂隙,試件內部儲存的彈性能從宏觀裂隙薄弱面大量釋放,并伴隨爆鳴聲,聲發射累計振鈴次數呈現突變式增長,隨后,試件發生脆性破壞。由此可見,聲發射累計振鈴次數與試件預制裂隙延伸擴展密切相關,在試件宏觀裂隙生成前,聲發射累計振鈴次數在較低水平上下波動;在宏觀裂隙生成時,聲發射累計振鈴次數呈現突變式增長。

3 多元檢測技術融合分析

從對試件加載破壞過程中應變場、紅外輻射溫度場和聲發射單元振鈴次數的分析來看,5個多元監測信息與預制裂隙試件單軸壓縮破壞規律有一致性,因此可以對5個多元監測信息進行融合分析。

3.1 構造多元信息函數

考慮到本實驗共包含了5個監測信息,等同于多元信息函數含有5個變量,故采用主元構造函數法來構造一個多元函數。

多元信息函數表達式為:

(3)

(4)

表達式中Sx為多元信息函數;Sx1為水平應變場融合函數;Sx2為垂直應變場融合函數;Sx3為剪切應變場融合函數;Sx4為紅外輻射溫度場融合函數;Sx5為聲發射振鈴次數融合函數;aij為融合函數系數;S1為水平應變場標準差特征值函數;S2為垂直應變場標準差特征值函數;S3為剪切應變場標準差特征值函數;S4為紅外輻射溫度場標準差特征值函數;S5為聲發射振鈴次數函數。

根據應變場標準差特征值曲線、紅外輻射溫度場標準差特征值曲線和振鈴次數-時間關系曲線中各節點的數據,算出融合函數系數aij分別為0.477、0.465、0.469、0.444、0.373。最終得到了多元信息函數:

Sx=0.477S1+0.465S2+0.469S3+

0.444S4+0.373S5

3.2 分析多元信息函數

多元信息函數Sx中共有5個變量S1、S2、S3、S4、S5,可以根據各變量前的融合函數系數判斷各變量影響試件加載破壞過程的強弱效果,即水平應變場標準差特征值函數>剪切應變場標準差特征值函>垂直應變場標準差特征值函數>紅外輻射溫度場標準差特征值函數>聲發射振鈴次數函數。

圖12 多元信息分析函數與其導數曲線

4 結論

應變場演化分布與試件預制裂隙延伸擴展密切相關:試件在受載初期,應變場分布較為均勻;進一步加載,預制裂隙周圍產生應力集中,但裂隙并未擴展;隨著加載繼續增大,裂隙周圍逐漸產生應變局部化條帶,并且預制裂隙兩端開始產生新裂紋;加載至峰值應力時,應變局部化條帶貫通試件,試件產生宏觀裂隙,應變場標準差特征值達到破壞值,從而整體失穩破壞。

紅外輻射溫度場變化與試件預制裂隙延伸擴展密切相關:在加載至峰值應力之前,當試件處于孔隙壓密階段和彈性變形階段時,預制裂隙并未擴展,紅外輻射溫度場最高溫呈現穩定增大趨勢;當試件處于非彈性變形階段時,預制裂隙兩端產生新裂紋,紅外輻射溫度場最高溫呈現緩慢增長趨勢。在加載至峰值應力時,試件產生宏觀裂隙發生脆性破壞,紅外輻射溫度場標準差特征值達到破壞值,紅外輻射溫度場最高溫大幅度增大。

聲發射累計振鈴次數與試件預制裂隙延伸擴展密切相關:在加載應力未達到峰值時,預制裂隙并未擴展,試件產生的彈性波較少,聲發射累計振鈴次數在較低水平上下波動;在加載應力達到峰值應力時,試件表面產生宏觀裂隙,試件內部儲存的彈性能從宏觀裂隙薄弱面大量釋放,并伴隨爆鳴聲,聲發射累計振鈴次數呈現突變式增長,隨后,試件發生脆性破壞。

根據多元信息函數Sx的駐點和拐點將試件破壞階段進行劃分為四個階段:穩定階段(0～28s)、發展階段(28～80s)、破壞階段(80～96s)、峰后階段(96～116s)。