花崗巖破裂滲水過程紅外輻射與聲發射特征研究*

張艷博 陳賓賓 景廣輝

(1.河北聯合大學礦業工程學院;2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室)

隨著經濟的快速發展，我國在公路、鐵路、城市市政工程等基礎設施方面加大了投入，隧道與地下工程也得到了前所未有的發展。在隧道建設過程中，透水問題也日益嚴重，尤其是近幾年，隧道透水事故頻繁發生，給人民生命財產造成重大損失，嚴重影響和制約著工程建設的發展［1-3］。本研究為探索花崗巖在破裂與滲水過程中的聲發射及紅外輻射特征，對花崗巖試樣進行了有水壓條件下的單軸加載實驗，重點研究花崗巖破裂與滲水時的紅外輻射及聲發射異常前兆信息，為隧道透水預警的遙感監測奠定實驗基礎。

1 研究方案

1.1 實驗設備

聲發射設備為美國聲學物理公司生產的PCI－2型聲發射系統，其中心頻率為50 kHz，采集速率為1 MHz，增益40 dB，帶寬10 ～2 000 kHz。采用美國Therma CAM SC3000高性能量子阱紅外熱像儀采集紅外數據，波長范圍7.5～13μm，測溫范圍 －40～+500℃，其溫度靈敏度為0.02℃，圖像分辨率為640×480像素。壓力機采用WAW－2000微機控制電液伺服萬能試驗機。水壓由具有自動補壓功能的3D－SY型電動試壓泵控制，

1.2 試樣制備

花崗巖試樣取自邯鄲某鐵礦，經切割、打磨，花崗巖被制成110 mm的立方體試件。先用專用鉆孔機在某個表面的中心鉆 32 m的圓孔，圓孔留下約30 mm厚度不鉆透，然后在與其相對的表面中心鉆同樣直徑的圓孔，作為觀測孔，該孔的深度為20 mm左右。在受載的2個端面進行精細打磨，保證試件兩端面平整，并且不平行度控制在0.1 mm以內，避免在加載過程中，因受到偏壓形成局部應力集中而產生不正常聲發射信號與紅外輻射特征影響實驗結果。

1.3 實驗步驟

為便于實驗數據的整理與分析，實驗前對所有實驗設備的時間進行同步校正。實驗時先將水壓加至0.2 MPa并保持水壓不變，然后壓力機、熱像儀和聲發射同時開始實驗。其中壓力機以0.3 mm/min加載速率等位移加載，聲發射采樣率為1 MHz。紅外輻射極易受到外界干擾，實驗中主要采取以下措施避免:①用聚四氟乙烯薄片制作加載頭絕熱墊塊，以防止加載頭對樣品的傳熱作用;②實驗時將窗簾拉上或在晚上進行實驗，以防止太陽輻射的不確定性影響;③制作試樣遮蔽箱，以減少周圍環境對試樣進行的紅外輻射和反射，使樣品在加載期間處于環境輻射恒定狀態;④實驗過程中，為防止人體輻射的不確定性干擾，所有人員禁止走動。此外，為防止實驗時試樣破裂飛濺或突水造成人員傷害和儀器損壞，應做好相應的防護措施及應急措施。

2 實驗結果分析

2.1 應力分析

從圖1中的載荷－時間曲線可以發現，0A段載荷曲線變化平穩;之后AB段，載荷曲線開始上升，巖石處于微裂隙加密階段;BC段內，載荷曲線上升變陡，巖石內部微觀裂隙開始發育，巖石處于線彈性變形階段;C點之后，載荷曲線上升加速，表明進入了微觀裂隙擴展階段;D點時載荷達到最大值，之后急劇下降。

圖1 試樣載荷和輻射溫度－時間變化曲線

2.2 紅外輻射特征分析

2.2.1 紅外輻射的時間序列分析

在熱像儀拍攝的熱像中，試樣的每個像素分別對應試樣某部分的輻射溫度。紅外輻射溫度又是紅外輻射強度的重要指標之一，以輻射溫度定量地反映試樣在加載過程的紅外輻射的變化情況。本研究以熱像儀觀測的試樣表面的平均紅外輻射溫度(AIRT)分析總體輻射變化。對最早出現滲水的位置進行重點研究，繪制該區域的輻射溫度時間變化曲線，研究滲水點在整個加載過程中的輻射溫度變化情況，其結果如圖1所示。

通過對滲水點整個加載過程輻射溫度－時間曲線的研究，主要發現以下幾個特征:①在加載至滲水前，巖石表面的紅外輻射溫度會經歷幾次比較明顯的升溫過程，上升幅度在0.1℃以上，這是由巖石表面的微裂隙相互摩擦生熱產生的;②溫度下降發生在極限應力的40%～60%，溫度下降表明巖石表面開始滲水;③滲水點表面的紅外輻射溫度在整個滲水過程中表現為“先降后升”的現象。降溫是由于巖石表面滲水所致。升溫現象是因為隨著巖石的繼續加載，裂隙閉合過程中摩擦生熱導致溫度上升。

2.2.2 紅外輻射的空間序列分析

花崗巖試件表面紅外輻射溫度場變化可由紅外熱像儀獲得的紅外熱像圖反映。它是紅外輻射強度在試樣觀測表面的分布，其輻射溫度隨時間變化的空間分布特征也是定性分析巖石破裂的紅外前兆規律的基礎。利用其可以獲得試件表面輻射溫度場的動態變化信息，從而了解巖石試件在加載過程中表面熱場分布及其遷移特征。

為了減少試件因各部位輻射率差異以及環境因素造成的輻射場不均所帶來的影響，在實驗結果的數據處理中，對加載過程中獲得的熱像做差值處理，即把每幅圖像和采樣開始前的第1幅圖像相減。通過對得到的差值圖像的輻射溫度場的空間變化分析，得到巖石加載過程中紅外輻射溫度場的時空變化特征，見圖2。

圖2 花崗巖試樣加載過程的紅外熱像時空序列

對圖2分析發現，在50 s(對應圖1中的A點)之前，試樣觀測孔的溫度基本沒有變化。50 s之后，試樣觀測孔整體輻射溫度逐步升高。在158 s時其表面的紅外輻射溫度增幅達到0.15℃，在160 s時觀測孔的在中部靠下的位置出現一低溫異常條帶，之后溫度繼續下降，162 s(對應圖1中的C點)時試樣的左上角出現一個低溫異常點，隨著加載的持續進行低溫區不斷增大，表面輻射溫度也越來越低，在171 s時輻射溫度達到最低點。實驗后研究證明降溫點與滲水點的位置一致，即降溫點就是滲水點，也表明輻射溫度的降低是由于滲水造成的。在達到最低點后，降溫點的溫度又逐步回升一直持續到197 s，在這之后又轉為下降，直到加載結束。

分析整個加載過程的熱像變化信息，發現以下幾個方面的特征:①加載前期，觀測孔表面的紅外輻射溫度整體均勻性上升;②滲水前夕，觀測孔表面會出現局部高溫異常點，隨著加載的進行溫度持續升高;③滲水時，滲水點會出現低溫異常現象，異常區域范圍會隨著載荷的增加擴大并遷移直至其輻射溫度達到最低點。在整個過程中，紅外輻射高溫場始終包圍低溫場。

2.3 聲發射小波包能譜分析

由采樣定理可得，當聲發射系統的聲發射采樣頻率設定為1 024 kHz，其奈奎斯特(Nyquist)頻率應為512 kHz。在分析中將信號分解為4層，則信號可分解成24=16小波包，每個小波包對應1個頻段，則由512/16可以得到每個小波包所對應的頻段帶寬為32 kHz。這樣得到的小波包系數是按照自然順序排列的，但是按4層小波包分解的頻率分布不是嚴格按照自然數的遞增排列的。為保證主要頻率單調遞增的性質需對小波包分解后的系數重新排序以滿足要求。前人研究表明巖石聲發射信號采用db3小波基進行分析比較適宜［4-7］，據此并按頻率大小順序重新排序，結果如表1。

表1 db3小波4層分解后重新排序

聲發射信號的能量是信號檢波包絡線下的面積，其與信號的幅度、持續時間等參數相關。其反應的并不是聲發射信號源的真實的物理能量，只是聲發射信號的相對能量或強度，是數學意義的程度大小的反應。雖然聲發射能量并不是物理意義上的能量，但是其與實際能量具有對應關系，一樣具有衡量和評價材料的斷裂以及損傷程度的意義。

研究中將聲發射信號的能量定義為信號的幅度的平方。將得到的聲發射信號分解為4層，假設S4，j對應的能量為 E4，j，則有

式中，xj，k(j=0，1，2，…，24－ 1;k=1，2，…，m;m為信號的離散采樣點數)為重構信號S4，j的離散點的幅值。

設聲發射信號的總能量為E0，則有

各頻帶的能量占信號總能量的比例為

式中，j=0，1，2，…，24－1。

利用上述處理就能得到各個頻段在總能量中的比例，從而得到某個信號頻段能量的分布規律［8-10］。實驗中用MATLABR2011b編程實現上述信號數據的處理過程，通過計算發現花崗巖試件的聲發射信號在db3小波基分解成4層情況下，其信號主頻主要分布在32～128 kHz之間。圖3為該頻段能量比隨時間的變化曲線。從中可以看出150 s后該頻段能量百分比開始下降并降至最低點，此時段剛好為試件開始滲水的時刻。

圖3 試件信號主頻在32～128 k Hz能量百分比分布曲線

3 結論

(1)在加載過程中，隨著應力的增加，試樣表面輻射溫度前期整體逐步升高，中期表面因摩擦形成局部高溫異常，后期由滲水而產生局部低溫異常。

(2)花崗巖材料破裂－滲水的紅外異常前兆表現為滲水點的輻射溫度的“先升后降”現象。

(3)整個破裂及滲水過程中，紅外輻射溫度表現為高溫場包圍低溫場的溫度場特征。

(4)花崗巖破裂滲水過程中聲發射信號主要信息的特征頻帶為32～128 kHz，且在滲水前夕該頻帶能量百分比呈下降趨勢，并在滲水發生時降至最低。

［1］ 王 飛．隧道不透水層確定方法模型試驗研究［D］.成都:西南交通大學，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．高水壓作用下隧道結構監測措施研究［J］.長江科學學院院報，2008，25(5):153-156.

［4］ 楊建國．小波分析及其工程應用［M］．北京:機械工業出版社，2005.

［5］ 董長虹．MATLAB小波分析工具箱原理與應用［M］．北京:國防工業出版社，2004.

［6］ 飛思科技產品研發中心.小波分析理論與MATLAB7實驗［M］.北京:電子工業出版社，2005.

［7］ 王 祥.巖石及混凝土聲發射技術室內試驗研究［D］.武漢:長江科學院，2009．

［8］ 楊 杰.聲發射信號處理與分析技術的研究［D］.長春:吉林大學，2005．

［9］ 張德豐．MATLAB小波分析［M］．北京:機械工業出版社，2009.

［10］ 景振毅，等．MATLAB7.0實用寶典［M］．北京:中國鐵道出版社，2009.