裂隙岩体多元技术下单轴压缩试验破坏规律

王佳威,夏红兵

(安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

岩体作为常见的脆性材料,在各种应力作用下会产生大量的裂隙、断层等不连续结构面。这类不连续结构面受到外力作用时极易导致岩体结构失稳、破坏[1-4],引发工程事故,危害国家和人民的财产与安全。近年来,国内外诸多学者对含裂隙岩体的破坏规律开展了一系列实验研究。李庶林等[5]从声发射事件数与应力、时间的关系中得到了岩石在受压破坏全过程中裂纹扩展的声发射特征,揭示了含裂纹岩石压剪断裂破坏的内在机制。冯少杰等[6]对边坡开采时上覆岩体的变形破坏规律进行数值模拟分析,得到了保证边坡岩体稳定性的最优方案,即先减载后加固。S.Q.Yang等[7-8]采用高速摄影技术,研究了单裂隙及两条平行非共面裂隙砂岩的破裂失稳过程,分析了裂隙倾角、长度等对裂纹扩展贯通及力学特性的影响。

数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)是一种非接触式全场变形观测方法。徐丽海[9]等采用3D-DIC技术分析了预制单裂隙岩体在单轴压缩下的破坏过程,首次提出用散斑损伤变量来定量分析岩体破坏程度,肯定了岩体破坏过程中应变场的演化分布能更好地反应岩体内部裂纹的变化情况;朱权洁[10]等详细介绍了DIC测量系统的设备、操作流程以及注意事项,并结合实验得到了岩石试件破坏失稳规律;吉卓礼[11]等采用DIC技术分析泥质白云岩试件在单轴压缩破坏试验下的损伤演化规律,并与传统岩石测试技术相比较,证实DIC技术所得的数据更加精准,操作更加方便。

红外辐射测温技术(Infrared Radiation Temperature,IRT)是通过信号转换将所测的物体表面辐射能量转换为物体的表面温度。吕思斌[12]详细说明了红外辐射测温技术的概念,解释了红外辐射测温技术与传统测温技术的区别,并介绍了红外辐射温度仪的组成和操作流程;吴贤振[13]等采用IRT技术实时无接触检测被高温水浸透过的粉砂岩在破坏失稳过程中ITVF的变化情况,并记录极差、峰度和突变比率的变化情况,定量分析了延性岩石破坏规律;高祥[14]等通过IRT技术监测粉砂岩在单轴压缩作用下的红外温度场异常变化情况,将温度场划分为三个温度区域,其中高温区域是研究重点,揭示了红外高温区域异常是粉砂岩破坏失稳的前兆,并且出现在峰值应力之后。

声发射技术(Acoustic Emission,AE)是利用声发射仪器接收试件在变形或起纹过程中发出的弹性波信号,对试件进行无损检测,可以有效地研究非透明材料的破裂行为。杨道学[15]通过现场试验、理论分析和数值模拟等综合手段,研究了岩石在水力耦合作用下微破裂演化机制及声发射行为特征;朱星[16]等通过研究砂岩在单轴压缩破坏试验下的声发射特征及变化情况,并建立时间-荷载-声发射参数关系曲线定量分析声发射特征的自相关系数和方差变异性,研究表明,声发射振铃计数随着加载增大逐渐升高并在岩体破坏时达到最高,临界慢化现象可作为岩石破坏前兆特征;牛心刚[17]通过对不同预制裂隙倾角岩体试件进行单轴压缩声发射实验,研究得出预制裂隙倾角越小,达到峰值应力所需时间越短、破坏时轴向应变越小、声发射累计振铃计数上升越快。

上述实验研究在分析岩体变形破坏规律时,普遍采用单一的特征指标,具有一定的局限性。本文在上述实验的基础上,将数字图像相关技术(DIC)、红外辐射测温技术(IRT)和声发射技术(AE)结合起来,建立多元分析体系,研究试件在破坏过程中应变场、红外辐射温度场和声发射振铃次数的变化规律,为之后研究预制裂隙岩体破坏规律提供理论指导。

1 试验方案

1.1 模型介绍

本试件试验模型中,模型长75mm,宽25mm,高150mm,由水泥砂浆类岩石材料构成。采用浇筑法制备长方体试件,试件模型如图1所示。

图1 成盘工具试件模型图

在试件浇筑之前,应预先在模具相应位置固定方形薄片用来预制裂隙,薄片长度为28mm,厚度为1mm且与试件等宽,倾角为45°。然后开始浇筑至试件初凝,取出薄片,向裂隙内缓慢注入石膏,从而形成弱充填型预制裂隙。

1.2 试验装置

本文构建了多元集成的试验系统,包括加载单元、DIC单元、红外辐射单元和声发射单元,综合研究分析裂隙岩体试件的变形破坏规律。其中,加载单元主要包括千斤顶反力架加载装置压力试验机,对试件施加轴向位移荷载;DIC单元包括采集图像、存储图像、处理图像和数值计算,其中采集图像所使用的为两台分辨率为2048×2048pixels的CMOS工业相机、焦距为50mm,光圈2.8的Schneider镜头、以及偏振照明光源。红外辐射单元测量使用H3在线式热像仪,红外分辨率为384×288像素,精度为±2℃;声发射单元采用RAEM1声波(声发射)检测仪,采集频率响应范围是10kHz～1000kHz,单个通道最大采样率2MHz。在实验开始之前,为了减小试件端部摩擦对试验结果造成的误差,应提前在试件受压端均匀涂抹凡士林,再将预制裂隙岩体试件放置在试验机上。然后把工业相机布设在试件前侧,把H3在线式热像仪布设在试件后侧,将RAEM1声波(声发射)检测仪布设在试件右侧。确保各仪器安装稳定且正常运行后,接入预先设计的多元试验系统,开始实验,实时采集各物理量同一时间的变化情况,进行分析处理。

2 试验结果分析

在相同条件下,一共进行三组重复实验,且每次实验的预制裂隙岩体试件材料配比完全相同。轴向应力-轴向应变曲线如图2所示,三组试样曲线的演化过程基本相似。本文选取1号试样作为研究对象进行分析,并在其曲线上标记出6个特征点(A-F),各特征点对应的裂隙延伸扩展情况如图3所示。

图2 轴向应力-轴向应变曲线

图3 裂隙延伸扩展

2.1 应变场演化分析

应变场包括水平应变场、垂直应变场和剪切应变场。本文通过DIC单元测量系统共获取7000余张试件在受载破坏过程中裂隙演化扩展图片,从中筛选出最具代表的应变场图片,并使用数字图像相关软件进行处理,得到6个特征点处应变场演化分布情况如图4-图6所示。

图4 水平应变场演化分布

图5 垂直应变场演化分布

由图4-图6可以看出,试件在受载初期处于孔隙压密阶段,此时应变场分布较为均匀;进一步加载,预制裂隙周围产生应力集中,但裂隙并未扩展;随着加载继续增大,裂隙周围逐渐产生应变局部化条带,并且预制裂隙两端开始产生新裂纹;加载至峰值应力时,应变局部化条带贯通试件,试件产生宏观裂隙,从而整体失稳破坏。

对比图3和图4-图6可以发现,试件裂隙延伸扩展过程与应变场演化分布规律具有较好的相关性。该试件的应变场演化分布情况与对照组试件的应变场相演化分布情况对比可以明显的得出该实验组更为精确,误差相对较小,应变局部变化带更容易观察。

为了进一步定量分析应变场演化分布规律,本文提出用标准差特征值来实时表现应变场演化分布规律。应变场标准差特征值公式为:

(1)

公式(1)中:Sσ,p为应变场中第p时刻的标准差特征值;q为应变场第q个子区,共有n个子区;σp,q为应变场第p时刻第q个子区的应变值;σp为应变场第p时刻的平均应变值。

根据公式(1)分别计算出3个应变场的标准差特征值,使用Origin制图软件绘制出应变场标准差特征值变化规律图,如图7所示。

图7 应变场标准差特征值曲线

根据图7可以看出,在试件加载初期,加载应力未达到峰值应力时,3个应变场标准差特征值曲线基本保持平稳,此时3个应变场的变化分布较为均匀;当加载达到峰值应力时,预制裂隙周围的应变局部化条带贯穿试件,产生宏观裂隙,试件整体失稳破坏,3个应变场标准差特征值曲线骤增。由此可见,可以根据应变场标准差特征值曲线的变化来分析试件的加载变形破坏,并可以由应变场标准差特征值判断试件是否发生破坏。

2.2 红外辐射温度场演化规律

本文通过H3在线式热像仪对受载试件的温度场演化进行监测,共收集红外辐射热力图1400余张,并从中筛选出最具代表的图片。如图8所示为试件6个特征点处的红外辐射温度场热力分布演化情况。

图8 红外辐射温度场热力图

从图8可以看出,在加载至峰值应力之前,试样表面的红外辐射温度场并没有分化;当加载达到峰值应力时,由于试件剪切裂纹的产生和扩展,出现了局部加热升温带;当加载持续增大时,试件预制裂隙周围会发生局部破裂释放应力,导致相应位置温度下降,红外辐射温度场分化现象不明显;继续加载至试件破坏,破坏瞬间红外辐射温度场出现高温带,对应于空间剪切破裂面。

通过对预制裂隙岩体试件在单轴压缩作用下红外辐射温度场演化分布的分析可以看出,随着加载的逐渐增大,试件表面的红外辐射温度场由均匀分布转变为一个异常高温区域,此区域覆盖在试件的破裂面,导致红外辐射温度场分化程度增大。

本文对H3在线式热像仪采集的红外辐射温度场数据进行分析处理,通过IRT-2D软件将热力图划分为网格区域,形成130×70=9100个网格子区域,从中获取试件在受载破坏过程中最高温的变化情况,并与试件应力-应变演化过程相结合,构建试件受载破坏过程中最高温与轴向应变的关系,从而更加精确分析预制裂隙岩体试件红外辐射温度场演化分布规律。预制裂隙岩体试件的最高温-轴向应变曲线如图9所示。

图9 最高温-轴向应变曲线

根据图9可以看出,在加载至峰值应力之前,曲线走势分为两个阶段:当试件处于孔隙压密阶段和弹性变形阶段时,预制裂隙并未扩展,红外辐射温度场最高温呈现稳定增大趋势;当试件处于非弹性变形阶段时,预制裂隙两端产生新裂纹,红外辐射温度场最高温呈现缓慢增长趋势。在加载至峰值应力时,试件产生宏观裂隙发生脆性破坏,红外辐射温度场最高温大幅度增大。由此可见,红外辐射温度场变化与试件预制裂隙延伸扩展密切相关,在试件宏观裂隙生成前,温度场变化不敏感;在宏观裂隙生成时,温度场变化非常敏感。

为了进一步定量分析红外辐射温度场演化规律,本文提出用标准差特征值来实时表现红外辐射温度场演化分布规律。红外辐射温度场标准差特征值公式为:

(2)

公式(2)中:ST,k为红外辐射温度场中第k时刻的标准差特征值;i为红外辐射温度场第i个子区,共有n个子区;Tk,i为红外辐射温度场第k时刻第i个子区的平均温度值;Tk为应变场第k时刻的平均温度值。

根据公式(2)计算出红外辐射温度场的标准差特征值,并使用Origin制图软件绘制出红外辐射温度场标准差特征值变化规律图,如图10所示。根据图10可以看出,在试件加载初期,红外辐射温度场标准差特征值稳定增大;当加载达到峰值应力时,预制裂隙试件产生宏观裂纹,红外辐射温度场标准差特征值骤然增大,试件发生破坏。由此可见,可以根据红外辐射温度场标准差特征值的增幅来分析试件的变形破坏规律。

图10 红外辐射温度场标准差特征值曲线

2.3 红外辐射温度场演化规律

本文通过RAEM1声波(声发射)检测仪对受载试件的声发射单元进行实时监测,记录试件各时段的振铃次数,如图11所示为试件振铃次数与时间关系曲线图。

图11 振铃次数-时间关系曲线

根据图11可以看出,声发射振铃次数随着时间的增加都明显的阶段化特性。在试件受载0～120s内,此时段加载应力未达到峰值应力,当试件处于孔隙压密阶段(0～40s)和弹性变形阶段(40～100s)时,加载应力较小、预制裂隙并未扩展,试件产生的弹性波较少,声发射累计振铃次数在较低水平上下波动;当试件处于非弹性变形阶段(100～120s)时,预制裂隙两端产生新裂纹,加载应力转化为弹性能并储存在试件中,声发射累计振铃次数仍在较低水平上下波动。在试件受载120s时,此时加载应力达到峰值应力,试件表面产生宏观裂隙,试件内部储存的弹性能从宏观裂隙薄弱面大量释放,并伴随爆鸣声,声发射累计振铃次数呈现突变式增长,随后,试件发生脆性破坏。由此可见,声发射累计振铃次数与试件预制裂隙延伸扩展密切相关,在试件宏观裂隙生成前,声发射累计振铃次数在较低水平上下波动;在宏观裂隙生成时,声发射累计振铃次数呈现突变式增长。

3 多元检测技术融合分析

从对试件加载破坏过程中应变场、红外辐射温度场和声发射单元振铃次数的分析来看,5个多元监测信息与预制裂隙试件单轴压缩破坏规律有一致性,因此可以对5个多元监测信息进行融合分析。

3.1 构造多元信息函数

考虑到本实验共包含了5个监测信息,等同于多元信息函数含有5个变量,故采用主元构造函数法来构造一个多元函数。

多元信息函数表达式为:

(3)

(4)

表达式中Sx为多元信息函数;Sx1为水平应变场融合函数;Sx2为垂直应变场融合函数;Sx3为剪切应变场融合函数;Sx4为红外辐射温度场融合函数;Sx5为声发射振铃次数融合函数;aij为融合函数系数;S1为水平应变场标准差特征值函数;S2为垂直应变场标准差特征值函数;S3为剪切应变场标准差特征值函数;S4为红外辐射温度场标准差特征值函数;S5为声发射振铃次数函数。

根据应变场标准差特征值曲线、红外辐射温度场标准差特征值曲线和振铃次数-时间关系曲线中各节点的数据,算出融合函数系数aij分别为0.477、0.465、0.469、0.444、0.373。最终得到了多元信息函数:

Sx=0.477S1+0.465S2+0.469S3+

0.444S4+0.373S5

3.2 分析多元信息函数

多元信息函数Sx中共有5个变量S1、S2、S3、S4、S5,可以根据各变量前的融合函数系数判断各变量影响试件加载破坏过程的强弱效果,即水平应变场标准差特征值函数>剪切应变场标准差特征值函>垂直应变场标准差特征值函数>红外辐射温度场标准差特征值函数>声发射振铃次数函数。

图12 多元信息分析函数与其导数曲线

4 结论

应变场演化分布与试件预制裂隙延伸扩展密切相关:试件在受载初期,应变场分布较为均匀;进一步加载,预制裂隙周围产生应力集中,但裂隙并未扩展;随着加载继续增大,裂隙周围逐渐产生应变局部化条带,并且预制裂隙两端开始产生新裂纹;加载至峰值应力时,应变局部化条带贯通试件,试件产生宏观裂隙,应变场标准差特征值达到破坏值,从而整体失稳破坏。

红外辐射温度场变化与试件预制裂隙延伸扩展密切相关:在加载至峰值应力之前,当试件处于孔隙压密阶段和弹性变形阶段时,预制裂隙并未扩展,红外辐射温度场最高温呈现稳定增大趋势;当试件处于非弹性变形阶段时,预制裂隙两端产生新裂纹,红外辐射温度场最高温呈现缓慢增长趋势。在加载至峰值应力时,试件产生宏观裂隙发生脆性破坏,红外辐射温度场标准差特征值达到破坏值,红外辐射温度场最高温大幅度增大。

声发射累计振铃次数与试件预制裂隙延伸扩展密切相关:在加载应力未达到峰值时,预制裂隙并未扩展,试件产生的弹性波较少,声发射累计振铃次数在较低水平上下波动;在加载应力达到峰值应力时,试件表面产生宏观裂隙,试件内部储存的弹性能从宏观裂隙薄弱面大量释放,并伴随爆鸣声,声发射累计振铃次数呈现突变式增长,随后,试件发生脆性破坏。

根据多元信息函数Sx的驻点和拐点将试件破坏阶段进行划分为四个阶段:稳定阶段(0～28s)、发展阶段(28～80s)、破坏阶段(80～96s)、峰后阶段(96～116s)。