开放性裂隙岩石三轴加载破坏前兆信息

张志婷, 潘元贵, 蒋 炳, 陈礼仪*

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 成都 610059； 2.四川省华地建设工程有限责任公司, 成都 610081； 3.中国地质科学院探矿工艺研究所, 成都 611734)

岩质边坡开挖卸荷状态下经常发生突发性垮塌失稳,当岩质边坡内部含有众多节理裂隙时,突发性垮塌将更为明显。部分边坡的节理裂隙隐藏于坡体内,开挖卸荷面上无法观察到裂隙露出,发生突发性垮塌前,卸荷面上并无异常现象,从而难以预测失稳垮塌的发生。因此,对这种隐蔽性节理裂隙边坡开挖卸荷前兆提取研究较为重要。

目前,中外学者对岩石破坏的前兆信息提取作了大量研究,利用先进试验仪器(高速摄像机、声发射、红外热像仪等)对岩石破坏演化过程和前兆提取展开研究,获得丰硕研究成果。刘善军等[1-2]对岩石加载过程中红外辐射温度场演化进行定量研究,发现利用熵来反映岩石加载变化过程较好；潮湿岩石受力过程红外辐射变化特征研究发现:试件破裂时,潮湿岩石的热像特征变化不明显,干燥岩石的热像较明显,这表明水对岩石受力时的红外辐射具有削弱作用。张艳博等[3-7]基于热红外辐射演化特征对巷道岩爆预警加以研究,发现巷道岩爆过程与热红外辐射时空演化存在对应关系；研究巷道围岩红外温度场的特征粗糙度变化特征,发现温度场的特征粗糙度存在较明显的阶段性演化特征,时序上与巷道围岩破坏特征较好对应；水对粉砂岩受力破裂时,其表面红外辐射温度敏感性特征,研究表明,粉砂岩受力破坏过程中热红外辐射敏感度存在临界转折点,此转折点为含水质量分数1.464%；研究巷道岩爆热红外辐射前兆特征发现:岩爆发生的热红外前兆存在两种演化规律,即为突然升温和略降再升两种类型。吴立新等[8]对煤岩单轴加载过程热红外特征进行研究,发现煤岩屈服过程中存在3种热红外特征,分别对应3种屈服前兆。梁鹏等[9]对岩石破裂过程中热红外辐射特性和相关性的研究发现，岩石破裂过程中的声发射与热红外辐射具有阶段性特征。崔承禹等[10]研究了岩石在不同压力状态下表面光谱辐射特征变化。陈智强等[11]研究了开挖诱发隧道围岩变形时热红外变化特征,发现开挖速度越快,隧道围岩表面热红外辐射温度升高越迅速。在地震前震源地区热红外异常研究中,宁亚灵等[12]对文安地震前卫星热红外亮温变化特征展开研究,发现地震前,透热指数和异常比值同时出现高值异常。张铁宝等[13]研究芦山和岷县地震前卫星红外变化特征,发现强震前经常性升温区域的分布受2级地块控制明显。

综上所述,众多学者对完整岩石和含孔洞裂隙岩石加载破坏过程中的热红外辐射演化特征做了较全面研究,获得大量研究成果,为隧道开挖和岩石破坏预警提供大量理论参考。受科学前辈们在岩石热红外辐射特征方面的研究启发,引入温度特征粗糙度来反映含节理裂隙岩石试件三轴加载过程中临空面上热红外辐射温度场变化特征。

1 试样制备和试验方案

1.1 试样制备

试验材料为花岗岩,试验试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体。试样分3组不同岩桥长度,每组3个岩样,一共9个岩样。试样预制2条节理裂隙,如图1所示,每个岩样节理裂隙垂直长度相同,3组试件节理裂隙长度分别为35、28、20 mm,所形成岩桥长度分别为30、44、60 mm。

图1 岩桥试件预制节理示意图Fig.1 Schematic diagram of prefabricated joints of rock bridge specimens

1.2 试验方案

首先对试件施加初始应力,初始应力场为:最大主应力为20 MPa,最小主应力为10 MPa,中间主应力为15 MPa。

试验加载过程采用位移控制和荷载控制。如图2所示，先采用位移控制将σ1加载到0.5 MPa,再采用荷载控制加载到2 MPa；位移控制方式下将σ2加载至0.5 MPa,再采用荷载控制将σ2加载至15 MPa；最后在位移控制下将σ3加载至0.5 MPa,然后在荷载控制下将σ3加载至10 MPa。荷载加载速度均为2 kN/s,此时试件整体达到设定应力状态,在此应力状态下快速卸载σ3,再在荷载控制方式下加载σ1,直到试件破坏。

图2 加载时试件受力状态Fig.2 Stress state of test piece during loading

三向五面加卸载试验过程中,采用菲利尔红外热像仪(图3)对试件临空面温度变化进行全程监控,采用声发射记录岩石内部声音事件数变化特征。

图3 FLIR红外热像仪Fig.3 FLIR thermal imaging camera

2 试件破坏形态及声发射特征

2.1 试件破坏形态

表1分析了不同中间主应力下,岩石试件破坏形态特征。岩石预制裂隙方向与中间主应力方向一致,预制裂隙被中间主应力包裹,观测面为完整面,观测面上,岩石试件破坏前无裂纹出现,仅在岩样上下边缘上有碎屑弹射。

表1 不同岩桥长度试件破坏特征分析Table 1 Analysis of failure characteristics of specimens with different lengths of rock bridges

30 mm岩桥试件整个加载过程中,岩石临空面上无任何裂纹开展,即将破坏前,临空面上缘有少量碎屑崩落,达到峰值应力时,岩样失稳破坏,临空面整体弹出,破裂面较为光滑,弹出的临空面较完整,无次生碎屑崩落,破坏过程不剧烈。

44 mm岩桥试件破坏剧烈程度较30 mm岩桥强,试件临破前夕,碎屑由临空面上下缝隙崩落,峰值强度时,岩样临空面折断弹出,形成破裂面较粗糙,岩块弹出后在破裂面上有少许碎岩崩落,岩桥断裂面摩擦痕迹较明显,岩桥由剪切裂纹贯通。

60 mm岩桥试件破坏过程最为激烈,失稳破坏前,岩石内部出现大量裂纹,发出较大声音,破坏时临空面弹出,随后有大量碎岩块弹出,形成的破裂面上摩擦痕迹明显,破坏所崩落的岩屑较其他两种岩桥多。

比较3种不同岩桥长度下岩样破坏模式,得出以下结论:①长岩桥试件破坏过程最为剧烈,破坏所产生的碎岩块最多；②随着岩桥长度变长,试件破裂面光滑程度降低,剪切摩擦痕迹变得逐渐明显；③随着岩桥长度增加,试件完整性也逐渐提高,试件失稳破坏所需峰值应力增大,破坏面也开始偏离岩桥剖面,当岩桥为60 mm时,破裂面与岩桥剖面之间的差异达到最大。

2.2 声发射特征

图4所示为岩样破坏过程声发射变化特征与应力应变曲线之间关系。3种不同岩桥长度试件的声发射整体变化特征大致相同,在施加应力初期,岩石内部原始微裂隙受压闭合,有少量声发射事件出现,微裂隙闭合后,声发射进入平静期,计数率变化较小,整个期间声发射事件数较少,临近岩石破裂前,岩样内部微裂纹发育,声发射事件增多,待试件内部裂纹贯通,试件失稳破坏,声发射计数率达到峰值后跌落,试验后期声发射出现多个峰值,这是由于岩石内部有多条裂纹贯通,每一条裂纹贯通都是消耗能量的一条通道,所以会导致声发射达到峰值后又跌落。

图4 声发射与应力-应变曲线变化特征Fig.4 Acoustic emission and stress-strain curve variation characteristics

根据应力-应变(σ-ε)曲线变化特征,加载初期,岩石处于弹性变形阶段,应力-应变曲线处于直线变化,应力与应变之间存在线性关系,加载至中期,岩石处于弹塑性变化阶段,此时应力-应变曲线处于非线性变化,加载后期,应力-应变曲线斜率减小,应力增加较小,但应变增加却很大,岩石进入屈服阶段,岩石内部裂纹发育丰富,岩石即将发生失稳破坏。

分析岩石破坏前声发射变化特征,在临近破坏前,声发射会出现计数率增大,声发射事件数增多,可将这种现象定义为一种前兆信息,预示试件破裂即将来临。分析不同岩桥长度下声发射前兆信息,发现短岩桥试件的声发射前兆信息比长岩桥的弱,随着岩桥长度增加,声发射前兆信息逐渐增强。

结合声发射与应力-应变曲线分析,应力-应变曲线线弹性变化阶段,原始裂隙受压闭合,此时声发射有少量试件数；弹塑性变化阶段,声发射计数率增加,岩石内部有微裂纹发育；岩石内部裂纹增多,进入屈服阶段,此时声发射计数率增加明显,裂纹贯通时声发射计数率陡增后即刻回落。结合声发射与应力-应变曲线分析,发现两者有较好对应性,声发射在试件破坏前会出现计数率增加,应力-应变曲线斜率降低进入屈服阶段,这些信息都可作为预示试件破坏的一种前兆信息。对比这两种前兆信息,发现声发射前兆信息在时间上略优于应力-应变曲线前兆,应力-应变曲线对岩石破坏的阶段性刻画优于声发射,将两者结合分析岩石的破坏过程,声发射倾向于前兆信息获取,应力-应变曲线倾向于刻画岩石试验的阶段性。

3 临空面温度特征粗糙度变化特征

试件采用三轴加载方式,试件含节理裂隙的面被加载面板包裹,试件的临空面(图2)可供观测,试验始末临空面均未出现裂纹,临空面上温度随试件受力变化而变化,分析临空面温度场演化特征,结合声发射变化特征和应力-应变曲线。研究试件在此应力状态下的破坏前兆信息变化特征。刘善军等[1]采用不同定量指标定量分析岩石破坏过程中温度变化特征,其中利用温度特征粗糙度来刻画岩石破坏过程效果较好。现采用温度特征粗糙度来分析岩石破坏的前兆信息。

3.1 试件临空面温度特征粗糙度变化特征

图5所示为试件临空面温度特征粗糙度变化特征。葛世荣[14]、朱华等[15]结合分形维数D和比例系数k,提出了特征粗糙度的概念,其计算公式为

Ra=k1/D

(1)

式(1)中:Ra为特征粗糙度,可表示辐射温度场的粗糙度；k是比例系数；D是分形维数。

红外辐射温度场中温度分布越均匀,Ra就越小,当温度场中的温度分布越粗糙,各区域温差较大,此时Ra就越大。因此,可运用温度特征粗糙度来表达临空面温度场演化特征。

由图5可知,各种岩桥试件临空面上的温度粗糙度变化呈现三阶段特性。

第Ⅰ阶段变化特征:温度特征粗糙度低变化阶段,起初试件施加应力较小,试件内部几乎无能量传递到临空面上,临空面上热红外辐射温度变化微小且分布均匀,无空间分异现象,温度特征粗糙度变化较小,曲线总体变化趋势偏向水平。

第Ⅱ阶段变化特征:温度特征粗糙度平稳上升阶段,试件所施加应力达到一定值后,试件内部能量增加较快且分布不均匀,传递到临空面上使其红外辐射温度场出现空间分异现象,温度特征粗糙度变化较明显,总体变化趋势较为稳定。

第Ⅲ阶段变化特征:温度特征粗糙度快速上升阶段,此时试件处于高应力状态,内部能量聚集较高且分布不均,临空面上红外辐射温度场分异现象加剧,温度特征粗糙度变化加快。第Ⅲ阶段初期,温度特征粗糙度出现突跳现象(图5中蓝色箭头所指位置),突跳现象后温度特征粗糙度开始加速上升直至试件破坏,试件破坏后温度特征粗糙度略有下降。突跳现象后试件即将破坏,可将突跳现象作为试件破坏的前兆信息。

图5 不同岩桥长度特征粗糙度变化曲线Fig.5 Roughness variation curve of different rock bridge length characteristics

图5中将温度特征粗糙度和声发射计数率以及应力-应变曲线三者做对比分析。由图5中三者变化趋势可以看出,温度特征粗糙度与声发射计数率和应力-应变曲线的一致性较好,温度特征粗糙度第Ⅰ阶段中,声发射计数率较低,应力-应变曲线发育较为平缓；第Ⅱ阶段时,声发射计数率有所增加,应力-应变曲线上升平稳；第Ⅲ阶段初期,温度特征粗糙度出现突跳现象,此时的声发射和应力-应变曲线尚未出现异常变化,温度特征粗糙度快速上升时,声发射计数率开始陡增,温度特征粗糙度达到峰值时,声发射计数率相继达到最大值,同时试件破坏。

不同岩桥长度下,应力-应变曲线和声发射计数率变化不同。试件破裂时,声发射计数率陡增,此时短岩桥试件的振铃计数率相对于长岩桥低,因为岩桥越短,破坏时所释放能量越小,振铃计数率就越低；随着岩桥长度增加,试件破坏所需施加应力增大,30 mm岩桥试件最大主应力峰值为112.56 MPa,44 mm岩桥试件最大主应力峰值为145.32 MPa,60 mm岩桥试件最大主应力峰值为249.56 MPa；不同岩桥长度下,温度特征粗糙度变化趋势较为一致,各个阶段变化特点相似,第Ⅲ阶段初期均有突跳现象,以温度特征粗糙度作为研究试件在三向五面加载方式下的破坏机制及演化过程较好。

3.2 3种前兆信息对比分析

表2所示为3种前兆信息特征及提前时间对比分析3种前兆信息出现时间以及可识别程度。温度特征粗糙度在前兆性以及可识别程度上都是最好的,声发射次之,应力-应变曲线最差。温度特征粗糙度前兆提前时间一般为应力-应变曲线的两倍,温度特征粗糙度前兆信息形式是以曲线突跳呈现,识别程度高,作为前兆信息最可靠。

表2 3种前兆信息提前时间对比分析Table 2 Contrastive analysis of three kinds of precursory information advance time

对比分析3种信息,可以得出以下结论:①应力-应变曲线对岩石加载破坏过程刻画最好,阶段性明显,可将其作为度量岩石受压所处的应力阶段；②声发射前兆性稍优于应力-应变曲线,其阶段性不如应力-应变曲线,声发射刻画的是岩石内部裂纹开展情况,声发射可用于岩石内部裂纹开展前兆信息获取；③温度特征粗糙度前兆性最好,表现形式易于观察,提前出现时间早,作为签好信息最可靠；④声发射注重岩石内部裂纹开展情况,是定义岩石内部信息的手段,温度特征粗糙度主要观测岩石表现温度变化情况,两者结合分析,从岩石内外共同研究岩石破坏前兆信息。

4 机理分析

4.1 应力-应变曲线

岩石试件加载后期,试件内部裂纹发育丰富,试件进入屈服阶段,应力增加很小值,应变却增加明显,应力-应变曲线斜率出现变化,由此可将这种变化作为试件失稳破坏的一种前兆信息,但由于这类前兆信息是曲线斜率变化,部分岩石屈服阶段曲线变化不明显,观察较为困难,所以将应力-应变曲线作为前兆信息稍有牵强。但他能刻画岩石加载过程各个阶段应力-应变之间的关系,可以较好地确定岩石试件所处应力阶段。

图6所示为不同岩桥长度下应力-应变曲线变化特征,根据前文分析可知,应力-应变曲线异常出现时间随岩桥长度增大而增加,分别为11、17、23 s,曲线前兆信息变化不明显。对于岩石加载破坏过程的刻画却很明显,岩石初始受力阶段,岩石内部原始微裂纹被压闭合,应力-应变曲线出现短暂非线性变化,原始裂纹闭合后,应力-应变曲线开始呈线性变化,加载到一定数值后,岩石开始出现新裂纹,岩石开始出现塑性变化,临近试件破坏前,岩石内部微裂纹贯通,塑性变化明显,应力-应变曲线开始出现异常,随后试件破坏。

图6 不同岩桥长度应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of different rock bridge lengths

4.2 声发射计数率

岩石内部微裂纹发育,有声信号出现。加载初期岩石内部原始微裂隙被压闭合,此时会出现少量声发射事件,加载至试件破裂前,试件内部裂纹发育较多,声发射事件开始增多,当裂纹贯通声信号达到最大,声发射出现陡增,每一条裂纹都是能量耗散的一条通道,裂纹贯通后声发射会出现徒增又即刻回落现象。随着岩桥长度增加,岩石完整性变强,破坏所需应力增大,破坏时所释放能量变多,引起声发射计数率增大。

图7所示为不同岩桥长度声发射振铃计数率变化特征。岩石破坏前,岩石内部声学信号出现异常反应,不同岩桥长度试件,声发射频繁期持续时间不同,岩桥越长,频繁期持续时间越长,声发射突增信号值越高,30、44、60 mm岩桥试件声发射频繁期持续时间分别为18、27、31 s,破坏时振铃计数率峰值分别为11.3×103、13.73×103、16.13×103s-1。岩石加载初期,声发射振铃计数率一致维持在一个相对较低的水平稳定变化,临近试件破坏前,声发射振铃计数率突然上升到一个相对较高的水平,并持续一段时间后,开始出现突增现象,这段时期内,岩石内部裂纹发育并开始贯通,声发射振铃计数率增高。

图7 不同岩桥长度声发射振铃计数率变化特征Fig.7 Variation characteristics of acoustic emission ringing count rate in different rocket bridge lengths

4.3 温度特征粗糙度

根据刘善军等[1]提出用温度特征粗糙度来定量刻画岩石表面温度场变化特征,试件加载初期,岩石表面出现热弹效应,临空面各处温度变化较小,温度粗糙度变化量低；岩石加载中期,临空面表面温度逐渐提高,各处温度变化开始活跃,整个临空面上的温度粗糙度开始增加；岩石试件破裂前夕,临空面上温度差异性变大,各处温度差值明显,温度粗糙度增大明显,此刻会出现温度粗糙度曲线突跳现象。

图8所示为不同岩桥长度温度特征粗糙度变化特征。岩石加载破坏过程中,观测面上温度粗糙度一般分为平静期、稳定上升阶段、突跳阶段、陡增阶段、衰落阶段。加载初期,观测面上各处温度变化较小,温度分布均匀,温度粗糙度变化微小,曲线总体呈水平变化；应力加载到达一定程度,观测面上温度开始变大,各处温度起伏程度开始增大,温度粗糙度开始升高；临近试件破坏,观测面上温度上升明显,观测区内各处温度值差异性明显,温度粗糙度出现突跳现象,随着岩石的破坏,温度粗糙度出现突增,达到峰值后,随即回落,进入衰落阶段。温度粗糙度的突跳现象很好地预示了岩石破坏,不同岩桥长度下,突跳出现时刻距岩石破坏时刻的时间不同,岩桥越长,突跳现象距岩石破坏瞬间越长,分别为34、39、41 s。究其原因:岩桥越长,岩样强度越高,破坏前岩石内部积蓄能量越高,观测面上温度上升越高,突跳现象出现时间越早。

图8 不同岩桥长度温度粗糙度变化特征Fig.8 Variation characteristics of temperature roughness in different rock bridge lengths

5 结论

含开放性裂隙试件三轴加载方式下,对应力-应变曲线特征、声发射计数率变化特征、温度特征粗糙度变化特征做出分析,得到以下结论。

(1)温度特征粗糙度能较好表达试件在三轴加载过程中临空面上热红外辐射温度场分异特性及演化特征。对于不同岩桥长度试件,其温度特征粗糙度总体变化趋势是一致的。温度特征粗糙度在第III阶段初期出现突跳现象,可将此作为岩石试件破坏的一种前兆信息。

(2)应力-应变曲线前兆性较差,但其阶段性较好,可将其作为确定试件所处应力阶段。

(3)声发射主要捕获岩石内部裂纹扩展所产生的声音试件,是刻画岩石内部裂纹开展特征的手段,温度特征粗糙度主要刻画试件表面温度变化特征。