单轴加载下花岗岩温度响应规律实验研究

张 超,谢子超,杨莉娜,杨 涛,刘法政

(1. 华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 065201;2.华北科技学院 煤矿安全人机工程重点实验室,北京 东燕郊 065201)

0 引言

在矿山开采和岩土工程中,岩石的力学性质是理论研究的基础,也是工程应用的奠基石[1]。通常情况下,岩体是非均匀性、非连续性和各向异性的,其导致的工程失稳是一个相当复杂的过程,常伴有大位移和非线性等特点,是一个非线性科学问题[2-4]。为了研究岩石特性与相关电磁现象之间的关系,国内外学者对煤岩因受载破坏而产生的电磁辐射进行了大量研究[5],但受到实验条件、技术手段以及研究者专业知识水平等方面的限制,还有一些基础问题有待解决。监测岩石破裂过程的技术方法除了应力—应变检测、电磁辐射探测,还有声发射测试等。张冉等[6]探究煤样在卸荷条件下失稳破坏的有效前兆信息,卸荷条件下含瓦斯煤 AE 时间序列具有临界慢化特征,方差与自相关系数在煤样破坏前的突然增大可以作为表征试样破裂失稳的前兆信息;季明等[7]对单轴加载下砂岩破坏过程中的声发射特征进行了阶段分析,建立了基于声发射振铃和理想弹塑性模型的岩石损伤表达;郭军杰等[8]研究煤样在疲劳破坏过程中应力水平对裂隙演化的影响,发现在等幅循环载荷下,煤样裂隙演化过程可分为初始损伤、微裂纹稳定发展、裂纹贯通破坏阶段,并且随应力水平的增高,单次循环中煤样裂纹的萌生和扩展发育越快。但是,声发射会受到传播路径的限制[9],且会出现大量无效点的现象[10],导致声发射技术也存在一定问题需要改进。

近年来,有些学者另辟蹊径,研究岩石在破裂过程中的温度变化规律及特征,如崔承禹等[11-13]通过一系列实验发现在单轴加载过程中,岩石的热红外辐射温度、红外光谱辐射强度、微波辐射亮温随其应力状态的变化而变化;在试验中发现,几乎所有的岩石在加载过程中都会出现温度的升高。马立强等[14]首次利用红外测温仪实时测量煤岩体孔内的温度来得到其内部的温度变化特征,发现煤岩样内部温度与时间、载荷都是正相关的,煤岩试样中出现破裂前兆是突然升温型。陈顺云等[15]根据热力学原理,弹性理论以及理想材料和岩石样本力学实验,对应力应变与温度响应之间的规律进行研究,发现温度响应与应变变化成正比,静水压增加,体积变小,试样处于挤压状态,温度上升;静水压减小,体积增加,试样处于拉张状态,温度下降;纯剪变形不引起温度变化。总之,大多数学者研究主要集中于探究单轴压缩下岩石单一的辐射温度或者真实温度变化规律,而本文将从室内力学模拟实验中,将红外热成像技术和表面温度监测结合起来,探究岩石试件的温度与应力应变变化规律及特征,建立温度与应力、应变的定量关系,通过监测岩石温度变化来预测预报岩体动力灾害。

1 实验过程

1.1 试样制备

根据相关标准和实验要求[16-17],我们将本次实验所用花岗岩样本制备成直径为75mm,高为150mm的圆柱体试件。实验中,花岗岩试件共有11个,分别编号HG-1、HG-2、…… HG-11。选取的花岗岩试件的特征见表1。

表1 花岗岩试件的物理特征参数

续表

岩石试件单向受压时应力应变并非严格的线性关系,特别在临近破坏时,更是趋于非线性,由于实验需要对应变数据进行分析,即通过应变片来实测应变[18]。每块试件在1/2高度的三等分线位置分别布置一组应变片,共布置三组,制备并筛选完毕的部分试件及应变片布置接线如图1所示。

图1 制备并筛选完毕的部分试件应变片布置

1.2 实验设计

为了研究单轴加载下花岗岩试件的温度变化特征及损伤破裂时温度前兆信息,实验设备采用TAW-2000电液伺服岩石三轴压力机,Sat IR D300 型红外热像仪,XL2101B5G程控静态电阻应变仪,T1010铂电阻温度测温仪进行实验,实验布置如图2所示。

图2 实验示意图

戴上手套将贴好应变片的花岗岩试件放置于压力机平台上,每块试件在1/2高度的三等分线位置处,即三组应变片附近分别布置一个温度探头,共布置三个,测得三组数据后取平均值,并设置参考试件监测环境温度,并架设好红外测温仪,校对各计算机显示时间,使得压力机、测温仪、应变仪能够同步采集数据,控制压力机以2kN/s的加载速率进行加压,并观测破裂产生及演化过程。实验中,为减小环境因素的影响,关闭门窗并拉上窗帘,禁止人员走动,同时控制室内温差变化尽量小。实验现场如图3所示。

图3 实验现场图

2 结果分析

2.1 岩石表面温度与应力的关系

根据表2数据对HG-5和HG-11作表面实测温度—应力曲线,如图4所示。实验结果表明,单轴压缩下岩石应力状态发生改变,引起岩石温度发生改变,具体表现为岩石应力增加,温度随之同步增加,即岩石表面温度与应力的变化呈线性关系,实验再一次证实了岩石在单轴加载下的应力变化与温度变化呈显著正相关,对花岗岩试件表面实测温度和应力进行线性拟合,则可建立温度与应力之间的定量关系。

表2 花岗岩试件的表面实测温度—应力数据汇总

图4 花岗岩试件表面实测温度—应力曲线

花岗岩试件表面实测温度和应力线性拟合表达式为

T=T0+b*σ

(1)

式中,T为任意加载时刻的岩石表面实测温度,℃;T0为加载开始时岩石表面实测温度,℃;b为拟合直线的斜率,℃/MPa;σ为轴向应力,MPa。

从图4可以看出,花岗岩试件表面实测温度和应力的相关系数均大于0.98,二者有很强的相关性。

2.2 岩石表面温度与应变的关系

根据表3数据对岩石试件作表面实测温度-应变曲线,如图5所示,岩石试件在单轴加载过程中表面实测温度变化随应变表现出四个阶段：

(1) 在初始(裂纹闭合)加载阶段(OA),将弹性能量储存在岩石试件内,这会导致温度升高。内部孤立的孔隙以及裂纹闭合,一些摩擦也会导致温度的升高。另外,对岩石试件内部空气的压缩,空气排出后会带走一些热量,试件温度会有所下降,预期的温度升高应该是相当均匀的。此时,岩石处于低应变状态,岩石表面温度变化较为平缓。

(2) 弹性阶段(AB)。曲线呈近似直线形,此阶段岩石主要受热弹效应,温度随应变变化呈近似线性关系。

(3) 塑性破裂阶段(BC)。通过微裂纹压密起始阶段后,部分储存的弹性能量被用于裂纹传播、扩展,岩石处于高应变状态,内部结构逐步遭到破坏,此阶段也表现出摩擦热;另外,由于岩石的内部微观结构复杂,温度的变化难以界定具体来源。

(4) 破裂温度前兆(C之后)。此过程继塑性破裂阶段后,微裂隙的发展出现质的变化且大量贯通,最终形成宏观的破裂面,此阶段温度迅速上升,变化率最大。

表3 花岗岩试件的表面实测温度—应变数据汇总

图5 花岗岩试件表面实测温度—应变曲线

花岗岩试件表面实测温度和应变非线性拟合得到的关系表达式为

T=T0+ceε

(2)

式中,c为拟合计算后的一个常量;e为自然对数的底;ε为应变。

从图5中可以看出,花岗岩试件表面实测温度和应变的相关系数均大于0.99,二者有很强的相关性。

2.3 破裂温度前兆

图6为花岗岩试件(编号为 HG-5、HG-11)加载过程中的红外热像图,121s和445s之后对应图5(C之后)的阶段。

为了便于分析,需要提取HG-5和HG-11红外热像图的数据,提取点位如图7所示,C1为破裂区,C2为非破裂区,实测温度探头点位布置如C3;并对红外辐射温度和实测温度作温度-时间曲线如图8和图9所示。

图6 花岗岩试件红外图像

图7 红外热成像特征信息提取点位图

图9 花岗岩试件表面实测温度曲线

由图8可知,HG-5和HG-11分别在121s和445s时温度发生突然升高的现象,花岗岩试件的应变也相应增加到高应变状态,说明试件即将破裂,如图6(a)121s和(b)445s。在图6(a)121s-149s和(b)445s-449s阶段,最初岩石试件在微观上发生晶格错动以及分子键、原子键断裂,产生较小微裂纹(温度异常区);随后分子键、原子键大量断裂,微裂纹持续发育、扩展、贯通,形成宏观破裂带,如图10所示。

图10 加载后岩石试件破裂图

大量的实践表明,不仅仅是室内岩石力学实验模拟实际矿山开采和岩土工程中岩石会出现破裂温度前兆,在地震前也会出现类似的温度异常现象,地震局通过红外卫星遥感技术,监测到地震前震源附近地表岩石温度出现突然升高,形成一个红外辐射条带,随之发生一些地质活动(如地震)。考虑到岩石破裂前温度突升这一典型特征,建立岩石温度监测系统,以便在矿山开采、岩土工程的安全问题和地质灾害的预防方面提前预警,并及时做好防范措施,这十分有意义。

2.4 温度变化规律的探讨

岩体在受压过程中产生的温度变化主要因素是热弹效应以及摩擦热效应。热弹效应是弹性材料在伸长或缩短时会放热或吸热,而且其熵变大小与形变量有关的现象[21-22],存在三种热源：相变过程中晶格振动引起的熵变、电子态引起的熵变化以及磁态引起的熵变化。除了驱动力从磁场变为应力场之外,热弹性效应与磁热效应相似。热弹效应在弹性阶段占主导地位,此阶段的温度变化主要受热弹效应影响。摩擦热效应是两个物体表面发生摩擦时产生的热效应,它与摩擦面正应力的大小、摩擦速度和摩擦系数成正比关系[23-24]。在塑性破裂阶段摩擦热效应占主导地位,此效应是影响塑性破裂阶段温度变化的主要因素。

岩石是含有微缺陷(微裂纹、微孔洞等)、具有初始损伤的材料,岩石经过加载,逐渐被压密,进入弹性阶段,塑性降低,在此阶段花岗岩产生弹性变形,微观现象为晶格振动以及离子键、原子键、分子键的断裂,从而导致熵升高[25]。如果处于绝热条件下(快速加载、卸载),其温度将升高。在此过程中,电子熵的贡献很小,通常可以忽略不计;磁熵变和晶格振动熵起主要作用。在加载后期,岩石试件在即将破裂时,内部微裂隙大量地发育扩展,破裂部位发生相互错动和摩擦,岩样将获得的机械能转换成热能,其产生的热量明显大于热弹效应产生的热量,因此岩石试件的内部温度会出现突然升高的现象。

3 结论

(1) 依据花岗岩单轴加载破裂过程中试样表面实测温度变化规律,得出了岩石表面温度-应力的一次线性函数表达式、表面温度-应变的指数型函数表达式。研究发现岩石表面温度随应变呈现出‘平缓-缓慢上升-快速上升-突增’四个阶段,使用温度无损伤监测技术可以定量地反映岩石的受载破裂信息,具有工程应用前景。

(2) 本文将传统岩体安全监测的“点”式探头测温法与“面”式红外热成像非接触式测温法相结合,揭示了岩石加载破裂过程温度变化特征,确定了岩石破裂温度前兆信息,为矿山开采和岩土工程安全管理提供了保障。