结合应变场和温度场裂隙砂岩破坏规律及灾变预警研究

康志强 冯江江 王治磊 张 晨

(1.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063200;2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山 063210;3.河北省矿山绿色智能开采技术创新中心,河北 唐山 063200)

许多岩土、边坡工程的失稳破坏问题是由岩体内部的节理裂隙在外力作用下扩展、贯通所引起[1-2]。现有研究成果表明岩体在加载过程中外缘表层红外辐射随试样破坏程度增加而逐渐强烈,因此从红外辐射信号中提取表征岩石不同状态下的特征信息可以实现对岩体工程灾变演化及预警的有效监控。国内外学者已经将红外辐射技术广泛应用于非接触式岩体全局温度检测研究,Freund[3]进行了脆性花岗岩破裂过程中的红外辐射观测试验,发现花岗岩试样外缘表面的红外辐射温度随着加载过程中加载路径的变化而改变;He M C[4]利用红外辐射技术模拟了岩层分层开挖过程中造成的破坏,研究表明红外辐射温度场能够反映出岩层应力分布的变化,而红外热像能够反映岩层的开挖破坏过程;刘善军、张艳博等[5-7]引入熵值、统计学和分形等理论,定量描述了岩石加载破坏过程中红外辐射温度场的变化;吴贤振等[8]通过监测岩石破坏温度场演化特征,发现温度场与应力场之间存在着较好的相关关系,可利用红外温度场所表现出的异常现象预警岩石破坏;刘善军等[9]结合“遥感—岩石力学”,实现对地震活动带及矿爆、岩爆等自然灾害进行监测预报。

数字图像相关技术是近些年来岩石力学领域新兴的一种非接触式全场应变观测手段,通过追踪岩石表面人工散斑图像,精确获取加载过程中岩石表面全场应变、位移的信息,具有较强的应用可靠性。大久保诚介等[10]通过对比应变片和3D-DIC系统在单轴压缩过程岩石中全场应变结果,证明3D-DIC系统可以满足岩石全场可视化测量的要求;Shirole等[11]利用全场应变信息监测裂隙岩石破坏过程中的损伤类型,发现产生尖端裂纹时主要以张拉裂纹和剪切力裂纹为主;宋义敏等[12]通过DIC系统监测了岩石破坏变形过程中的局部位移量,并通过位移演化得出其全过程能量耗散规律;范杰等[13]将3D-DIC系统应用于探究含不同倾角裂隙砂岩的裂纹扩展及损伤机理。

目前研究成果大多通过对岩石加载变形、破坏过程进行上述单领域手段监测,缺乏应变场和红外辐射温度场双领域联合分析观测,以及对其相关性、差异程度缺少理论验证。岩石在局部破坏或整体失稳过程中由于内部矿物结构发生改变造成矿物成分中的分子、原子发生能级跃迁,导致岩石表面红外辐射发生变化。因此,基于应变场和温度场两种非接触式监测手段作用下裂隙岩石破坏的协同演化过程,能够全面揭示裂隙岩石破坏规律并对不同破坏形式表现出的异常信息分别作出灾变预警。

1 试验设计

1.1 试件制备

本次试验研究对象为条带状沉积黄砂岩,取自河北省唐山市某矿顶板,鉴定其主要矿物成分为石英、长石、云母及部分氧化物。将同一岩层取出的黄砂岩制成尺寸为50 mm×100 mm×150 mm的矩形板状试样,并利用高速水枪切割出2条宽2 mm、长50 mm、倾角为45°的贯穿型平行裂隙,如图1(a)所示。之后对试样进行波速测定,挑选波速相近试样以降低试验数据离散性。为获得数字图像相关技术系统所需的随机散斑图案,采用白色哑光喷漆对岩石表面进行喷绘,然后用哑光黑漆在白色底漆上随机喷绘非规则黑色散斑,如图1(b)所示。图1(c)为黄砂岩试样最终破坏形态。

图1 试样示意Fig.1 Schematic of sample

1.2 试验方案

试验系统如图2所示,加载系统为RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机,对砂岩试样进行双轴加载,将围压强度分别设定为5 MPa,轴向压力设置为2 kN,以0.12 mm/min的加载速率同步将轴压、围压提升至设定值,之后转化为轴向位移控制模式,以0.2 mm/min的加载速率直至试件破坏。加载过程使用高速摄像机对喷绘人工散斑场的试样进行数字散斑场图像收集,高速摄像机分辨率为2 048×1 536,采集频率为50 Hz。同时使用Therma CAM SC3000红外热像仪收集试样破坏过程的红外热像,监测温度场的变化,采集频率为15帧/s。

图2 试验系统Fig.2 Test system

在试样端部涂抹凡士林以消除加载过程中试样端部效应,为保证试验过程中协同记录图像在时间上的一致性,在加载之前对试验系统进行时间统一,最终选取3组试样。编号约定为:围压+试样编号,如“5-1”表示为围压为5 MPa的1号试样。

2 加载过程中应变场演化规律

双轴加载过程得到裂隙砂岩试样应力—应变曲线如图3所示,使用Vic-3D型数字图像计算系统对加载过程中获取的数字散斑图像进行信息处理,得到试样加载过程中的水平应变场、垂直应变场、剪切应变场。研究结果表明,相同围压下3组试样加载过程中的应变场演化规律基本相似,因此选取试样5-2应力—应变曲线中的8个特征时刻进行标识。图4为加载过程中特征点的裂纹扩展情况及裂纹类型。图5～图7为特征点所对应的3种应变场图像。

图3 应力—应变曲线Fig.3 Stress-strain curves

图4 裂纹扩展路径Fig.4 Crack growth paths

图5 水平应变场Fig.5 Horizontal strain field

由图3可以看出,裂隙砂岩在双轴加载过程应力—应变曲线中可以大致分为4个阶段:

(1)微裂隙压密阶段(特征点1～3)。此阶段应力—应变曲线上升缓慢,且呈现上凹型,这是由于双轴加载初期围压与轴向应力的共同作用下,砂岩内部微裂隙压密,使得砂岩试样强度增加,且对应3种应变场分布均匀。如图5(a)～图5(c)、图6(a)～图6(c)、图7(a)～图7(c)所示。

图6 垂直应变场Fig.6 Vertical strain field

图7 剪切应变场Fig.7 Shear strain field

(2)弹性变形阶段(特征点3～5)。随着轴向应力继续增加,此时砂岩试样处于弹性压缩状态,应力—应变曲线在此阶段大致呈线性关系增长。裂隙砂岩试样预制裂隙尖端处并未萌生出明显的裂纹,但对应3种应变场均已出现应变集中区,说明此时试样表面已经开始出现微滑移面。如图5(d)～图5(e)、图6(d)～图6(e)、图7(d)～图7(e)所示。

(3)裂纹扩展阶段(特征点5～7)。此阶段砂岩试样预制裂隙尖端处形成局部破坏核,张拉型翼裂纹产生,此时轴向应力为试样峰值荷载的75.6%。随后与岩样端部扩展产生的剪切裂纹连接、贯通,形成局部破坏面。该阶段对应的3种应变场出现明显应变集中区,如图5(e)～图5(g)、图6(e)～图6(g)、图7(e)～图7(g)所示。

(4)峰后破坏阶段(特征点7～8)。轴向应力达到峰值后,试样两个端部产生的剪切裂纹加速扩展,最终岩桥贯通,出现宏观破坏面。应变场出现应变区域连接,如图5(g)～图5(h)、图6(g)～图6(h)、图7(g)～图7(h)所示。

根据上述裂隙砂岩试样双轴加载过程中应力—应变曲线各个阶段所对应的应变场演化趋势可知,应变场由均匀分布到出现应变集中区,并扩展、延伸的过程是岩体出现裂纹到逐渐失稳破坏的重要表征。在统计学中标准差是将离散程度量化的一项重要指标,岩体加载过程中应变集中区演化会引起应变场分异程度增大,因此引入标准差这一指标,定量表征应变场的演化特征。

应变场标准差为

式中,Sε,i为样本第i时刻的应变场标准差;l为应变场子区总数;εij为样本第i时刻时第j个子区的应变值;为第i时刻时m个样本子区应变场的均值。

通过计算可得出图8所示编号为5-2试样裂隙砂岩试样双轴加载过程中的3种应变场标准差曲线。

图8 应变场标准差—应变曲线Fig.8 Standard deviation of strain field-strain curves

由图8可知3种应变场标准差曲线可大致分为3个阶段:

阶段Ⅰ:初始分异阶段。此阶段对应加载过程中微裂隙压密阶段,试样整体强度增加,形变较小,应变场分布较为均匀,因此3种应变场标准差数值处于0～1%,离散程度较小。

阶段Ⅱ:稳定分异阶段对应试样弹性变形阶段。此阶段3种应变场标准差逐步增长,这是由于试样表面应变场出现应变集中区,预制裂隙尖端存在应力集中现象,并伴随轻微滑移面,因此产生分异现象。

阶段Ⅲ:加速分异阶段对应加载过程中试样裂纹扩展和峰后破坏阶段。这一阶段前期预制裂隙尖端出现明显翼型张拉裂纹,随后张拉裂纹快速扩展,同时端部生出剪切裂纹,与张拉裂纹连接贯通,最终岩桥失稳破坏,使得各应变场分异程度突增,应变场标准差曲线在峰值荷载附近陡增。

3 加载过程中红外辐射温度场演化过程

图9为编号5-1试样8个特征时刻所对应的红外辐射图像。

图9 红外辐射温度场Fig.9 Infrared radiation temperature field

由图9可知,加载初期(特征点1～4)试样红外辐射温度场除平均温度升高外,并无异常分异现象,如图9(a)～图9(d);随着轴向应力的增加试样预制裂隙尖端出现翼型张拉裂纹(特征点5～6),其温度场对应位置处略微出现局部升温带,如图9(e)～图9(f),说明岩体发生张拉破坏过程中,红外温度场分异现象并不明显;试样到达峰值应力附近时剪切裂纹开始萌生(特征点7～8),此时试样温度场出现高温条带,如图9(g)～图9(h),同时温度达到最高值,说明岩体发生剪切破坏时,破坏面在正应力与剪应力作用下产生摩擦生热现象,导致温度场分异程度增大。

以上温度场演化规律可知,剪切裂纹的出现会导致试样表面温度场的分化程度发生较大改变。为定量描述加载过程中试样表面温度场演化特征,引入温度场标准差定量描述其演化规律。

温度场标准差为

式中,ST,i为i时刻温度场标准差;l为温度场子区总数;Ti,m为第i时刻时第m个子区的温度值;为第i时刻时m个样本子区温度值的均值。

通过计算可得出图10所示编号为5-2试样的裂隙砂岩试样双轴加载过程中红外辐射温度场标准差曲线。

图10 温度场标准差—应变曲线Fig.10 Standard deviation of temperature field-strain curves

分析图10可将温度场标准差曲线分为2个阶段:

阶段Ⅰ,稳定分异阶段。该阶段出现在剪切裂纹萌生之前,此时试样表面没有出现破裂面之间挤压、摩擦而产生的放热效应,因此温度场标准差曲线较为平缓,离散程度较小。

阶段Ⅱ,加速分异阶段。温度场标准差曲线基本呈直线大幅增加,这是由于试样在此阶段剪切裂纹开始扩展,在剪应力与正应力作用下破裂面产生摩擦生热效应,温度急剧升高导致离散程度增大,随后试样发生失稳现象。

4 应变场与温度场相关关系验证

宋义敏等[14]发现:岩石类材料加载过程中其应变值与表面温度之间存在一定对应关系,为探究裂隙砂岩双轴加载过程应变场与温度场之间的相关性,引入皮尔逊相关系数定量描述两个领域之间的密切程度,计算公式为

式中,m为时步总数;,为3种应变场和温度场标准差的平均值。

表1为相关系数绝对值与两个领域相关关系的密切程度。

表1 相关系数与相关程度Table 1 Correlation coefficient and correlation degree

通过计算得出本次试验3组试样温度场与各应变场标准差所对应的皮尔逊相关系数均在0.6～0.91之间,计算结果如表2所示。结果表明:2个领域信息之间呈现显著与高度相关关系。

5 应变场与温度场信息演化灾变预警

通过分析双轴加载过程中裂隙砂岩应变场与温度场标准差曲线可知其分异程度具有明显阶段性,利用差分法对两个领域标准差曲线对轴向应变进行求导计算,得到定量描述全场信息的分异速率,计算公式为

式中,vε、vT分别表示应变场分异速率和温度场分异速率,计算结果表明3种应变场分异速率曲线演化趋势相似,限于篇幅,选取试样5-1试样剪切应变场分异速率曲线进行分析,如图11所示。

图11 剪切应变场分异速率曲线Fig.11 Shear strain field differential rate curve

图11表明:剪切应变场分异速率曲线图中出现2个明显尖端点P1、P2。分别对应特征点5和特征点7,即张拉裂纹、剪切裂纹萌生点。这是由于随着裂纹的萌生,周围岩石出现应力重分布现象,导致其应变场出现不同程度的分异现象,且分异程度取决于裂纹类型及扩展程度,反映在分异速率曲线上表现为预警点的出现。3组试样应变场预警点P1、P2点所对应的前兆应力、前兆时间及与峰值应力、时间比如表3、表4所示。

表3 应变场演化预警点P1Table 3 Early warning point P1 of strain field evolution

表4 应变场演化预警点P2Table 4 Early warning point P2 of strain field evolution

图12为试样温度场分异速率曲线,表明加载过程中试样温度场分异速率呈震荡上升趋势,直至特征点7处(剪切裂纹出现)时分异速率突增,到达峰值应力之后下降至正常水平,并出现明显尖端点,对应上文说明此时剪切裂纹迅速扩展,试样即将发生岩桥贯通的失稳破坏。因此可将其尖端点记作剪切裂纹预警点P。表5为3组试样温度场预警点P所对应的前兆应力、前兆时间及与峰值应力、时间比。

表5 温度场演化预警点PTable 5 Temperature field evolution early warning point P

图12 温度场分异速率曲线Fig.12 Temperature field differential rate curves

综上所述,当预警点P1出现时,前兆应力与峰值应力比值区间为73.71%～76.43%,前兆时间与峰值时间比值区间为63.43%～70.91%;当预警点P2出现时,前兆应力与峰值应力比值区间为89.16%～93.42%,前兆时间与峰值时间比值区间为92.44%～95.31%;当预警点P出现时,前兆应力与峰值应力比值区间为93.92%～94.37%,前兆时间与峰值时间比值区间为87.62%～94.74%。综合考虑3个预警点均对应裂隙岩体加载过程中发生整体结构破坏的关键信息,尤其P2、P出现时表明岩体已经接近宏观失稳破坏。因此可将P1视作张拉裂纹预警点,P2、P视作剪切裂纹2个领域联合预警点。

6 结 论

(1)裂隙岩体在双轴加载过程中轴向应力达到峰值应力75.4%时,裂隙尖端出现翼型张拉裂纹,加载至峰值应力附近时端部出现剪切裂纹并迅速扩展使得岩桥贯通,随后岩体发生失稳破坏。不同种类裂纹萌生时,应变场和温度场均出现不同特征信息演化。

(2)裂隙砂岩应变场标准差曲线划分为初始分异、稳定分异、加速分异3个阶段,温度场标准差曲线演化划分为稳定分异和加速分异2个阶段,2个领域皮尔逊相关系数为0.6～0.91之间,呈现为显著及高度相关关系。

(3)应变场分异速率曲线在张拉裂纹和剪切裂纹萌生的同时出现预警点P1、P2,温度场分异速率曲线在剪切裂纹出现时出现预警点P。3个预警点均可作为岩体灾变预警信号。采用2个领域信息融合方法确定的预警点可以准确捕捉岩体加载过程中关键破裂特征,为裂隙岩体预警破坏提供新的思路和观点。