花岗岩破裂渗水过程红外辐射与声发射特征研究*

张艳博 陈宾宾 景广辉

(1.河北联合大学矿业工程学院;2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室)

随着经济的快速发展，我国在公路、铁路、城市市政工程等基础设施方面加大了投入，隧道与地下工程也得到了前所未有的发展。在隧道建设过程中，透水问题也日益严重，尤其是近几年，隧道透水事故频繁发生，给人民生命财产造成重大损失，严重影响和制约着工程建设的发展［1-3］。本研究为探索花岗岩在破裂与渗水过程中的声发射及红外辐射特征，对花岗岩试样进行了有水压条件下的单轴加载实验，重点研究花岗岩破裂与渗水时的红外辐射及声发射异常前兆信息，为隧道透水预警的遥感监测奠定实验基础。

1 研究方案

1.1 实验设备

声发射设备为美国声学物理公司生产的PCI－2型声发射系统，其中心频率为50 kHz，采集速率为1 MHz，增益40 dB，带宽10 ～2 000 kHz。采用美国Therma CAM SC3000高性能量子阱红外热像仪采集红外数据，波长范围7.5～13μm，测温范围 －40～+500℃，其温度灵敏度为0.02℃，图像分辨率为640×480像素。压力机采用WAW－2000微机控制电液伺服万能试验机。水压由具有自动补压功能的3D－SY型电动试压泵控制，

1.2 试样制备

花岗岩试样取自邯郸某铁矿，经切割、打磨，花岗岩被制成110 mm的立方体试件。先用专用钻孔机在某个表面的中心钻 32 m的圆孔，圆孔留下约30 mm厚度不钻透，然后在与其相对的表面中心钻同样直径的圆孔，作为观测孔，该孔的深度为20 mm左右。在受载的2个端面进行精细打磨，保证试件两端面平整，并且不平行度控制在0.1 mm以内，避免在加载过程中，因受到偏压形成局部应力集中而产生不正常声发射信号与红外辐射特征影响实验结果。

1.3 实验步骤

为便于实验数据的整理与分析，实验前对所有实验设备的时间进行同步校正。实验时先将水压加至0.2 MPa并保持水压不变，然后压力机、热像仪和声发射同时开始实验。其中压力机以0.3 mm/min加载速率等位移加载，声发射采样率为1 MHz。红外辐射极易受到外界干扰，实验中主要采取以下措施避免:①用聚四氟乙烯薄片制作加载头绝热垫块，以防止加载头对样品的传热作用;②实验时将窗帘拉上或在晚上进行实验，以防止太阳辐射的不确定性影响;③制作试样遮蔽箱，以减少周围环境对试样进行的红外辐射和反射，使样品在加载期间处于环境辐射恒定状态;④实验过程中，为防止人体辐射的不确定性干扰，所有人员禁止走动。此外，为防止实验时试样破裂飞溅或突水造成人员伤害和仪器损坏，应做好相应的防护措施及应急措施。

2 实验结果分析

2.1 应力分析

从图1中的载荷－时间曲线可以发现，0A段载荷曲线变化平稳;之后AB段，载荷曲线开始上升，岩石处于微裂隙加密阶段;BC段内，载荷曲线上升变陡，岩石内部微观裂隙开始发育，岩石处于线弹性变形阶段;C点之后，载荷曲线上升加速，表明进入了微观裂隙扩展阶段;D点时载荷达到最大值，之后急剧下降。

图1 试样载荷和辐射温度－时间变化曲线

2.2 红外辐射特征分析

2.2.1 红外辐射的时间序列分析

在热像仪拍摄的热像中，试样的每个像素分别对应试样某部分的辐射温度。红外辐射温度又是红外辐射强度的重要指标之一，以辐射温度定量地反映试样在加载过程的红外辐射的变化情况。本研究以热像仪观测的试样表面的平均红外辐射温度(AIRT)分析总体辐射变化。对最早出现渗水的位置进行重点研究，绘制该区域的辐射温度时间变化曲线，研究渗水点在整个加载过程中的辐射温度变化情况，其结果如图1所示。

通过对渗水点整个加载过程辐射温度－时间曲线的研究，主要发现以下几个特征:①在加载至渗水前，岩石表面的红外辐射温度会经历几次比较明显的升温过程，上升幅度在0.1℃以上，这是由岩石表面的微裂隙相互摩擦生热产生的;②温度下降发生在极限应力的40%～60%，温度下降表明岩石表面开始渗水;③渗水点表面的红外辐射温度在整个渗水过程中表现为“先降后升”的现象。降温是由于岩石表面渗水所致。升温现象是因为随着岩石的继续加载，裂隙闭合过程中摩擦生热导致温度上升。

2.2.2 红外辐射的空间序列分析

花岗岩试件表面红外辐射温度场变化可由红外热像仪获得的红外热像图反映。它是红外辐射强度在试样观测表面的分布，其辐射温度随时间变化的空间分布特征也是定性分析岩石破裂的红外前兆规律的基础。利用其可以获得试件表面辐射温度场的动态变化信息，从而了解岩石试件在加载过程中表面热场分布及其迁移特征。

为了减少试件因各部位辐射率差异以及环境因素造成的辐射场不均所带来的影响，在实验结果的数据处理中，对加载过程中获得的热像做差值处理，即把每幅图像和采样开始前的第1幅图像相减。通过对得到的差值图像的辐射温度场的空间变化分析，得到岩石加载过程中红外辐射温度场的时空变化特征，见图2。

图2 花岗岩试样加载过程的红外热像时空序列

对图2分析发现，在50 s(对应图1中的A点)之前，试样观测孔的温度基本没有变化。50 s之后，试样观测孔整体辐射温度逐步升高。在158 s时其表面的红外辐射温度增幅达到0.15℃，在160 s时观测孔的在中部靠下的位置出现一低温异常条带，之后温度继续下降，162 s(对应图1中的C点)时试样的左上角出现一个低温异常点，随着加载的持续进行低温区不断增大，表面辐射温度也越来越低，在171 s时辐射温度达到最低点。实验后研究证明降温点与渗水点的位置一致，即降温点就是渗水点，也表明辐射温度的降低是由于渗水造成的。在达到最低点后，降温点的温度又逐步回升一直持续到197 s，在这之后又转为下降，直到加载结束。

分析整个加载过程的热像变化信息，发现以下几个方面的特征:①加载前期，观测孔表面的红外辐射温度整体均匀性上升;②渗水前夕，观测孔表面会出现局部高温异常点，随着加载的进行温度持续升高;③渗水时，渗水点会出现低温异常现象，异常区域范围会随着载荷的增加扩大并迁移直至其辐射温度达到最低点。在整个过程中，红外辐射高温场始终包围低温场。

2.3 声发射小波包能谱分析

由采样定理可得，当声发射系统的声发射采样频率设定为1 024 kHz，其奈奎斯特(Nyquist)频率应为512 kHz。在分析中将信号分解为4层，则信号可分解成24=16小波包，每个小波包对应1个频段，则由512/16可以得到每个小波包所对应的频段带宽为32 kHz。这样得到的小波包系数是按照自然顺序排列的，但是按4层小波包分解的频率分布不是严格按照自然数的递增排列的。为保证主要频率单调递增的性质需对小波包分解后的系数重新排序以满足要求。前人研究表明岩石声发射信号采用db3小波基进行分析比较适宜［4-7］，据此并按频率大小顺序重新排序，结果如表1。

表1 db3小波4层分解后重新排序

声发射信号的能量是信号检波包络线下的面积，其与信号的幅度、持续时间等参数相关。其反应的并不是声发射信号源的真实的物理能量，只是声发射信号的相对能量或强度，是数学意义的程度大小的反应。虽然声发射能量并不是物理意义上的能量，但是其与实际能量具有对应关系，一样具有衡量和评价材料的断裂以及损伤程度的意义。

研究中将声发射信号的能量定义为信号的幅度的平方。将得到的声发射信号分解为4层，假设S4，j对应的能量为 E4，j，则有

式中，xj，k(j=0，1，2，…，24－ 1;k=1，2，…，m;m为信号的离散采样点数)为重构信号S4，j的离散点的幅值。

设声发射信号的总能量为E0，则有

各频带的能量占信号总能量的比例为

式中，j=0，1，2，…，24－1。

利用上述处理就能得到各个频段在总能量中的比例，从而得到某个信号频段能量的分布规律［8-10］。实验中用MATLABR2011b编程实现上述信号数据的处理过程，通过计算发现花岗岩试件的声发射信号在db3小波基分解成4层情况下，其信号主频主要分布在32～128 kHz之间。图3为该频段能量比随时间的变化曲线。从中可以看出150 s后该频段能量百分比开始下降并降至最低点，此时段刚好为试件开始渗水的时刻。

图3 试件信号主频在32～128 k Hz能量百分比分布曲线

3 结论

(1)在加载过程中，随着应力的增加，试样表面辐射温度前期整体逐步升高，中期表面因摩擦形成局部高温异常，后期由渗水而产生局部低温异常。

(2)花岗岩材料破裂－渗水的红外异常前兆表现为渗水点的辐射温度的“先升后降”现象。

(3)整个破裂及渗水过程中，红外辐射温度表现为高温场包围低温场的温度场特征。

(4)花岗岩破裂渗水过程中声发射信号主要信息的特征频带为32～128 kHz，且在渗水前夕该频带能量百分比呈下降趋势，并在渗水发生时降至最低。

［1］ 王 飞．隧道不透水层确定方法模型试验研究［D］.成都:西南交通大学，2006.

［2］ 王 超．隧道工程水害防治研究［J］.山西建筑，2008，34(2):310.

［3］ 姚旭朋，等．高水压作用下隧道结构监测措施研究［J］.长江科学学院院报，2008，25(5):153-156.

［4］ 杨建国．小波分析及其工程应用［M］．北京:机械工业出版社，2005.

［5］ 董长虹．MATLAB小波分析工具箱原理与应用［M］．北京:国防工业出版社，2004.

［6］ 飞思科技产品研发中心.小波分析理论与MATLAB7实验［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［7］ 王 祥.岩石及混凝土声发射技术室内试验研究［D］.武汉:长江科学院，2009．

［8］ 杨 杰.声发射信号处理与分析技术的研究［D］.长春:吉林大学，2005．

［9］ 张德丰．MATLAB小波分析［M］．北京:机械工业出版社，2009.

［10］ 景振毅，等．MATLAB7.0实用宝典［M］．北京:中国铁道出版社，2009.