開放性裂隙巖石三軸加載破壞前兆信息

張志婷, 潘元貴, 蔣 炳, 陳禮儀*

(1.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室, 成都 610059； 2.四川省華地建設工程有限責任公司, 成都 610081； 3.中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所, 成都 611734)

巖質(zhì)邊坡開挖卸荷狀態(tài)下經(jīng)常發(fā)生突發(fā)性垮塌失穩(wěn),當巖質(zhì)邊坡內(nèi)部含有眾多節(jié)理裂隙時,突發(fā)性垮塌將更為明顯。部分邊坡的節(jié)理裂隙隱藏于坡體內(nèi),開挖卸荷面上無法觀察到裂隙露出,發(fā)生突發(fā)性垮塌前,卸荷面上并無異常現(xiàn)象,從而難以預測失穩(wěn)垮塌的發(fā)生。因此,對這種隱蔽性節(jié)理裂隙邊坡開挖卸荷前兆提取研究較為重要。

目前,中外學者對巖石破壞的前兆信息提取作了大量研究,利用先進試驗儀器(高速攝像機、聲發(fā)射、紅外熱像儀等)對巖石破壞演化過程和前兆提取展開研究,獲得豐碩研究成果。劉善軍等[1-2]對巖石加載過程中紅外輻射溫度場演化進行定量研究,發(fā)現(xiàn)利用熵來反映巖石加載變化過程較好；潮濕巖石受力過程紅外輻射變化特征研究發(fā)現(xiàn):試件破裂時,潮濕巖石的熱像特征變化不明顯,干燥巖石的熱像較明顯,這表明水對巖石受力時的紅外輻射具有削弱作用。張艷博等[3-7]基于熱紅外輻射演化特征對巷道巖爆預警加以研究,發(fā)現(xiàn)巷道巖爆過程與熱紅外輻射時空演化存在對應關系；研究巷道圍巖紅外溫度場的特征粗糙度變化特征,發(fā)現(xiàn)溫度場的特征粗糙度存在較明顯的階段性演化特征,時序上與巷道圍巖破壞特征較好對應；水對粉砂巖受力破裂時,其表面紅外輻射溫度敏感性特征,研究表明,粉砂巖受力破壞過程中熱紅外輻射敏感度存在臨界轉(zhuǎn)折點,此轉(zhuǎn)折點為含水質(zhì)量分數(shù)1.464%；研究巷道巖爆熱紅外輻射前兆特征發(fā)現(xiàn):巖爆發(fā)生的熱紅外前兆存在兩種演化規(guī)律,即為突然升溫和略降再升兩種類型。吳立新等[8]對煤巖單軸加載過程熱紅外特征進行研究,發(fā)現(xiàn)煤巖屈服過程中存在3種熱紅外特征,分別對應3種屈服前兆。梁鵬等[9]對巖石破裂過程中熱紅外輻射特性和相關性的研究發(fā)現(xiàn)，巖石破裂過程中的聲發(fā)射與熱紅外輻射具有階段性特征。崔承禹等[10]研究了巖石在不同壓力狀態(tài)下表面光譜輻射特征變化。陳智強等[11]研究了開挖誘發(fā)隧道圍巖變形時熱紅外變化特征,發(fā)現(xiàn)開挖速度越快,隧道圍巖表面熱紅外輻射溫度升高越迅速。在地震前震源地區(qū)熱紅外異常研究中,寧亞靈等[12]對文安地震前衛(wèi)星熱紅外亮溫變化特征展開研究,發(fā)現(xiàn)地震前,透熱指數(shù)和異常比值同時出現(xiàn)高值異常。張鐵寶等[13]研究蘆山和岷縣地震前衛(wèi)星紅外變化特征,發(fā)現(xiàn)強震前經(jīng)常性升溫區(qū)域的分布受2級地塊控制明顯。

綜上所述,眾多學者對完整巖石和含孔洞裂隙巖石加載破壞過程中的熱紅外輻射演化特征做了較全面研究,獲得大量研究成果,為隧道開挖和巖石破壞預警提供大量理論參考。受科學前輩們在巖石熱紅外輻射特征方面的研究啟發(fā),引入溫度特征粗糙度來反映含節(jié)理裂隙巖石試件三軸加載過程中臨空面上熱紅外輻射溫度場變化特征。

1 試樣制備和試驗方案

1.1 試樣制備

試驗材料為花崗巖,試驗試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。試樣分3組不同巖橋長度,每組3個巖樣,一共9個巖樣。試樣預制2條節(jié)理裂隙,如圖1所示,每個巖樣節(jié)理裂隙垂直長度相同,3組試件節(jié)理裂隙長度分別為35、28、20 mm,所形成巖橋長度分別為30、44、60 mm。

圖1 巖橋試件預制節(jié)理示意圖Fig.1 Schematic diagram of prefabricated joints of rock bridge specimens

1.2 試驗方案

首先對試件施加初始應力,初始應力場為:最大主應力為20 MPa,最小主應力為10 MPa,中間主應力為15 MPa。

試驗加載過程采用位移控制和荷載控制。如圖2所示，先采用位移控制將σ1加載到0.5 MPa,再采用荷載控制加載到2 MPa；位移控制方式下將σ2加載至0.5 MPa,再采用荷載控制將σ2加載至15 MPa；最后在位移控制下將σ3加載至0.5 MPa,然后在荷載控制下將σ3加載至10 MPa。荷載加載速度均為2 kN/s,此時試件整體達到設定應力狀態(tài),在此應力狀態(tài)下快速卸載σ3,再在荷載控制方式下加載σ1,直到試件破壞。

圖2 加載時試件受力狀態(tài)Fig.2 Stress state of test piece during loading

三向五面加卸載試驗過程中,采用菲利爾紅外熱像儀(圖3)對試件臨空面溫度變化進行全程監(jiān)控,采用聲發(fā)射記錄巖石內(nèi)部聲音事件數(shù)變化特征。

圖3 FLIR紅外熱像儀Fig.3 FLIR thermal imaging camera

2 試件破壞形態(tài)及聲發(fā)射特征

2.1 試件破壞形態(tài)

表1分析了不同中間主應力下,巖石試件破壞形態(tài)特征。巖石預制裂隙方向與中間主應力方向一致,預制裂隙被中間主應力包裹,觀測面為完整面,觀測面上,巖石試件破壞前無裂紋出現(xiàn),僅在巖樣上下邊緣上有碎屑彈射。

表1 不同巖橋長度試件破壞特征分析Table 1 Analysis of failure characteristics of specimens with different lengths of rock bridges

30 mm巖橋試件整個加載過程中,巖石臨空面上無任何裂紋開展,即將破壞前,臨空面上緣有少量碎屑崩落,達到峰值應力時,巖樣失穩(wěn)破壞,臨空面整體彈出,破裂面較為光滑,彈出的臨空面較完整,無次生碎屑崩落,破壞過程不劇烈。

44 mm巖橋試件破壞劇烈程度較30 mm巖橋強,試件臨破前夕,碎屑由臨空面上下縫隙崩落,峰值強度時,巖樣臨空面折斷彈出,形成破裂面較粗糙,巖塊彈出后在破裂面上有少許碎巖崩落,巖橋斷裂面摩擦痕跡較明顯,巖橋由剪切裂紋貫通。

60 mm巖橋試件破壞過程最為激烈,失穩(wěn)破壞前,巖石內(nèi)部出現(xiàn)大量裂紋,發(fā)出較大聲音,破壞時臨空面彈出,隨后有大量碎巖塊彈出,形成的破裂面上摩擦痕跡明顯,破壞所崩落的巖屑較其他兩種巖橋多。

比較3種不同巖橋長度下巖樣破壞模式,得出以下結(jié)論:①長巖橋試件破壞過程最為劇烈,破壞所產(chǎn)生的碎巖塊最多；②隨著巖橋長度變長,試件破裂面光滑程度降低,剪切摩擦痕跡變得逐漸明顯；③隨著巖橋長度增加,試件完整性也逐漸提高,試件失穩(wěn)破壞所需峰值應力增大,破壞面也開始偏離巖橋剖面,當巖橋為60 mm時,破裂面與巖橋剖面之間的差異達到最大。

2.2 聲發(fā)射特征

圖4所示為巖樣破壞過程聲發(fā)射變化特征與應力應變曲線之間關系。3種不同巖橋長度試件的聲發(fā)射整體變化特征大致相同,在施加應力初期,巖石內(nèi)部原始微裂隙受壓閉合,有少量聲發(fā)射事件出現(xiàn),微裂隙閉合后,聲發(fā)射進入平靜期,計數(shù)率變化較小,整個期間聲發(fā)射事件數(shù)較少,臨近巖石破裂前,巖樣內(nèi)部微裂紋發(fā)育,聲發(fā)射事件增多,待試件內(nèi)部裂紋貫通,試件失穩(wěn)破壞,聲發(fā)射計數(shù)率達到峰值后跌落,試驗后期聲發(fā)射出現(xiàn)多個峰值,這是由于巖石內(nèi)部有多條裂紋貫通,每一條裂紋貫通都是消耗能量的一條通道,所以會導致聲發(fā)射達到峰值后又跌落。

圖4 聲發(fā)射與應力-應變曲線變化特征Fig.4 Acoustic emission and stress-strain curve variation characteristics

根據(jù)應力-應變(σ-ε)曲線變化特征,加載初期,巖石處于彈性變形階段,應力-應變曲線處于直線變化,應力與應變之間存在線性關系,加載至中期,巖石處于彈塑性變化階段,此時應力-應變曲線處于非線性變化,加載后期,應力-應變曲線斜率減小,應力增加較小,但應變增加卻很大,巖石進入屈服階段,巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育豐富,巖石即將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

分析巖石破壞前聲發(fā)射變化特征,在臨近破壞前,聲發(fā)射會出現(xiàn)計數(shù)率增大,聲發(fā)射事件數(shù)增多,可將這種現(xiàn)象定義為一種前兆信息,預示試件破裂即將來臨。分析不同巖橋長度下聲發(fā)射前兆信息,發(fā)現(xiàn)短巖橋試件的聲發(fā)射前兆信息比長巖橋的弱,隨著巖橋長度增加,聲發(fā)射前兆信息逐漸增強。

結(jié)合聲發(fā)射與應力-應變曲線分析,應力-應變曲線線彈性變化階段,原始裂隙受壓閉合,此時聲發(fā)射有少量試件數(shù)；彈塑性變化階段,聲發(fā)射計數(shù)率增加,巖石內(nèi)部有微裂紋發(fā)育；巖石內(nèi)部裂紋增多,進入屈服階段,此時聲發(fā)射計數(shù)率增加明顯,裂紋貫通時聲發(fā)射計數(shù)率陡增后即刻回落。結(jié)合聲發(fā)射與應力-應變曲線分析,發(fā)現(xiàn)兩者有較好對應性,聲發(fā)射在試件破壞前會出現(xiàn)計數(shù)率增加,應力-應變曲線斜率降低進入屈服階段,這些信息都可作為預示試件破壞的一種前兆信息。對比這兩種前兆信息,發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射前兆信息在時間上略優(yōu)于應力-應變曲線前兆,應力-應變曲線對巖石破壞的階段性刻畫優(yōu)于聲發(fā)射,將兩者結(jié)合分析巖石的破壞過程,聲發(fā)射傾向于前兆信息獲取,應力-應變曲線傾向于刻畫巖石試驗的階段性。

3 臨空面溫度特征粗糙度變化特征

試件采用三軸加載方式,試件含節(jié)理裂隙的面被加載面板包裹,試件的臨空面(圖2)可供觀測,試驗始末臨空面均未出現(xiàn)裂紋,臨空面上溫度隨試件受力變化而變化,分析臨空面溫度場演化特征,結(jié)合聲發(fā)射變化特征和應力-應變曲線。研究試件在此應力狀態(tài)下的破壞前兆信息變化特征。劉善軍等[1]采用不同定量指標定量分析巖石破壞過程中溫度變化特征,其中利用溫度特征粗糙度來刻畫巖石破壞過程效果較好。現(xiàn)采用溫度特征粗糙度來分析巖石破壞的前兆信息。

3.1 試件臨空面溫度特征粗糙度變化特征

圖5所示為試件臨空面溫度特征粗糙度變化特征。葛世榮[14]、朱華等[15]結(jié)合分形維數(shù)D和比例系數(shù)k,提出了特征粗糙度的概念,其計算公式為

Ra=k1/D

(1)

式(1)中:Ra為特征粗糙度,可表示輻射溫度場的粗糙度；k是比例系數(shù)；D是分形維數(shù)。

紅外輻射溫度場中溫度分布越均勻,Ra就越小,當溫度場中的溫度分布越粗糙,各區(qū)域溫差較大,此時Ra就越大。因此,可運用溫度特征粗糙度來表達臨空面溫度場演化特征。

由圖5可知,各種巖橋試件臨空面上的溫度粗糙度變化呈現(xiàn)三階段特性。

第Ⅰ階段變化特征:溫度特征粗糙度低變化階段,起初試件施加應力較小,試件內(nèi)部幾乎無能量傳遞到臨空面上,臨空面上熱紅外輻射溫度變化微小且分布均勻,無空間分異現(xiàn)象,溫度特征粗糙度變化較小,曲線總體變化趨勢偏向水平。

第Ⅱ階段變化特征:溫度特征粗糙度平穩(wěn)上升階段,試件所施加應力達到一定值后,試件內(nèi)部能量增加較快且分布不均勻,傳遞到臨空面上使其紅外輻射溫度場出現(xiàn)空間分異現(xiàn)象,溫度特征粗糙度變化較明顯,總體變化趨勢較為穩(wěn)定。

第Ⅲ階段變化特征:溫度特征粗糙度快速上升階段,此時試件處于高應力狀態(tài),內(nèi)部能量聚集較高且分布不均,臨空面上紅外輻射溫度場分異現(xiàn)象加劇,溫度特征粗糙度變化加快。第Ⅲ階段初期,溫度特征粗糙度出現(xiàn)突跳現(xiàn)象(圖5中藍色箭頭所指位置),突跳現(xiàn)象后溫度特征粗糙度開始加速上升直至試件破壞,試件破壞后溫度特征粗糙度略有下降。突跳現(xiàn)象后試件即將破壞,可將突跳現(xiàn)象作為試件破壞的前兆信息。

圖5 不同巖橋長度特征粗糙度變化曲線Fig.5 Roughness variation curve of different rock bridge length characteristics

圖5中將溫度特征粗糙度和聲發(fā)射計數(shù)率以及應力-應變曲線三者做對比分析。由圖5中三者變化趨勢可以看出,溫度特征粗糙度與聲發(fā)射計數(shù)率和應力-應變曲線的一致性較好,溫度特征粗糙度第Ⅰ階段中,聲發(fā)射計數(shù)率較低,應力-應變曲線發(fā)育較為平緩；第Ⅱ階段時,聲發(fā)射計數(shù)率有所增加,應力-應變曲線上升平穩(wěn)；第Ⅲ階段初期,溫度特征粗糙度出現(xiàn)突跳現(xiàn)象,此時的聲發(fā)射和應力-應變曲線尚未出現(xiàn)異常變化,溫度特征粗糙度快速上升時,聲發(fā)射計數(shù)率開始陡增,溫度特征粗糙度達到峰值時,聲發(fā)射計數(shù)率相繼達到最大值,同時試件破壞。

不同巖橋長度下,應力-應變曲線和聲發(fā)射計數(shù)率變化不同。試件破裂時,聲發(fā)射計數(shù)率陡增,此時短巖橋試件的振鈴計數(shù)率相對于長巖橋低,因為巖橋越短,破壞時所釋放能量越小,振鈴計數(shù)率就越低；隨著巖橋長度增加,試件破壞所需施加應力增大,30 mm巖橋試件最大主應力峰值為112.56 MPa,44 mm巖橋試件最大主應力峰值為145.32 MPa,60 mm巖橋試件最大主應力峰值為249.56 MPa；不同巖橋長度下,溫度特征粗糙度變化趨勢較為一致,各個階段變化特點相似,第Ⅲ階段初期均有突跳現(xiàn)象,以溫度特征粗糙度作為研究試件在三向五面加載方式下的破壞機制及演化過程較好。

3.2 3種前兆信息對比分析

表2所示為3種前兆信息特征及提前時間對比分析3種前兆信息出現(xiàn)時間以及可識別程度。溫度特征粗糙度在前兆性以及可識別程度上都是最好的,聲發(fā)射次之,應力-應變曲線最差。溫度特征粗糙度前兆提前時間一般為應力-應變曲線的兩倍,溫度特征粗糙度前兆信息形式是以曲線突跳呈現(xiàn),識別程度高,作為前兆信息最可靠。

表2 3種前兆信息提前時間對比分析Table 2 Contrastive analysis of three kinds of precursory information advance time

對比分析3種信息,可以得出以下結(jié)論:①應力-應變曲線對巖石加載破壞過程刻畫最好,階段性明顯,可將其作為度量巖石受壓所處的應力階段；②聲發(fā)射前兆性稍優(yōu)于應力-應變曲線,其階段性不如應力-應變曲線,聲發(fā)射刻畫的是巖石內(nèi)部裂紋開展情況,聲發(fā)射可用于巖石內(nèi)部裂紋開展前兆信息獲取；③溫度特征粗糙度前兆性最好,表現(xiàn)形式易于觀察,提前出現(xiàn)時間早,作為簽好信息最可靠；④聲發(fā)射注重巖石內(nèi)部裂紋開展情況,是定義巖石內(nèi)部信息的手段,溫度特征粗糙度主要觀測巖石表現(xiàn)溫度變化情況,兩者結(jié)合分析,從巖石內(nèi)外共同研究巖石破壞前兆信息。

4 機理分析

4.1 應力-應變曲線

巖石試件加載后期,試件內(nèi)部裂紋發(fā)育豐富,試件進入屈服階段,應力增加很小值,應變卻增加明顯,應力-應變曲線斜率出現(xiàn)變化,由此可將這種變化作為試件失穩(wěn)破壞的一種前兆信息,但由于這類前兆信息是曲線斜率變化,部分巖石屈服階段曲線變化不明顯,觀察較為困難,所以將應力-應變曲線作為前兆信息稍有牽強。但他能刻畫巖石加載過程各個階段應力-應變之間的關系,可以較好地確定巖石試件所處應力階段。

圖6所示為不同巖橋長度下應力-應變曲線變化特征,根據(jù)前文分析可知,應力-應變曲線異常出現(xiàn)時間隨巖橋長度增大而增加,分別為11、17、23 s,曲線前兆信息變化不明顯。對于巖石加載破壞過程的刻畫卻很明顯,巖石初始受力階段,巖石內(nèi)部原始微裂紋被壓閉合,應力-應變曲線出現(xiàn)短暫非線性變化,原始裂紋閉合后,應力-應變曲線開始呈線性變化,加載到一定數(shù)值后,巖石開始出現(xiàn)新裂紋,巖石開始出現(xiàn)塑性變化,臨近試件破壞前,巖石內(nèi)部微裂紋貫通,塑性變化明顯,應力-應變曲線開始出現(xiàn)異常,隨后試件破壞。

圖6 不同巖橋長度應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of different rock bridge lengths

4.2 聲發(fā)射計數(shù)率

巖石內(nèi)部微裂紋發(fā)育,有聲信號出現(xiàn)。加載初期巖石內(nèi)部原始微裂隙被壓閉合,此時會出現(xiàn)少量聲發(fā)射事件,加載至試件破裂前,試件內(nèi)部裂紋發(fā)育較多,聲發(fā)射事件開始增多,當裂紋貫通聲信號達到最大,聲發(fā)射出現(xiàn)陡增,每一條裂紋都是能量耗散的一條通道,裂紋貫通后聲發(fā)射會出現(xiàn)徒增又即刻回落現(xiàn)象。隨著巖橋長度增加,巖石完整性變強,破壞所需應力增大,破壞時所釋放能量變多,引起聲發(fā)射計數(shù)率增大。

圖7所示為不同巖橋長度聲發(fā)射振鈴計數(shù)率變化特征。巖石破壞前,巖石內(nèi)部聲學信號出現(xiàn)異常反應,不同巖橋長度試件,聲發(fā)射頻繁期持續(xù)時間不同,巖橋越長,頻繁期持續(xù)時間越長,聲發(fā)射突增信號值越高,30、44、60 mm巖橋試件聲發(fā)射頻繁期持續(xù)時間分別為18、27、31 s,破壞時振鈴計數(shù)率峰值分別為11.3×103、13.73×103、16.13×103s-1。巖石加載初期,聲發(fā)射振鈴計數(shù)率一致維持在一個相對較低的水平穩(wěn)定變化,臨近試件破壞前,聲發(fā)射振鈴計數(shù)率突然上升到一個相對較高的水平,并持續(xù)一段時間后,開始出現(xiàn)突增現(xiàn)象,這段時期內(nèi),巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育并開始貫通,聲發(fā)射振鈴計數(shù)率增高。

圖7 不同巖橋長度聲發(fā)射振鈴計數(shù)率變化特征Fig.7 Variation characteristics of acoustic emission ringing count rate in different rocket bridge lengths

4.3 溫度特征粗糙度

根據(jù)劉善軍等[1]提出用溫度特征粗糙度來定量刻畫巖石表面溫度場變化特征,試件加載初期,巖石表面出現(xiàn)熱彈效應,臨空面各處溫度變化較小,溫度粗糙度變化量低；巖石加載中期,臨空面表面溫度逐漸提高,各處溫度變化開始活躍,整個臨空面上的溫度粗糙度開始增加；巖石試件破裂前夕,臨空面上溫度差異性變大,各處溫度差值明顯,溫度粗糙度增大明顯,此刻會出現(xiàn)溫度粗糙度曲線突跳現(xiàn)象。

圖8所示為不同巖橋長度溫度特征粗糙度變化特征。巖石加載破壞過程中,觀測面上溫度粗糙度一般分為平靜期、穩(wěn)定上升階段、突跳階段、陡增階段、衰落階段。加載初期,觀測面上各處溫度變化較小,溫度分布均勻,溫度粗糙度變化微小,曲線總體呈水平變化；應力加載到達一定程度,觀測面上溫度開始變大,各處溫度起伏程度開始增大,溫度粗糙度開始升高；臨近試件破壞,觀測面上溫度上升明顯,觀測區(qū)內(nèi)各處溫度值差異性明顯,溫度粗糙度出現(xiàn)突跳現(xiàn)象,隨著巖石的破壞,溫度粗糙度出現(xiàn)突增,達到峰值后,隨即回落,進入衰落階段。溫度粗糙度的突跳現(xiàn)象很好地預示了巖石破壞,不同巖橋長度下,突跳出現(xiàn)時刻距巖石破壞時刻的時間不同,巖橋越長,突跳現(xiàn)象距巖石破壞瞬間越長,分別為34、39、41 s。究其原因:巖橋越長,巖樣強度越高,破壞前巖石內(nèi)部積蓄能量越高,觀測面上溫度上升越高,突跳現(xiàn)象出現(xiàn)時間越早。

圖8 不同巖橋長度溫度粗糙度變化特征Fig.8 Variation characteristics of temperature roughness in different rock bridge lengths

5 結(jié)論

含開放性裂隙試件三軸加載方式下,對應力-應變曲線特征、聲發(fā)射計數(shù)率變化特征、溫度特征粗糙度變化特征做出分析,得到以下結(jié)論。

(1)溫度特征粗糙度能較好表達試件在三軸加載過程中臨空面上熱紅外輻射溫度場分異特性及演化特征。對于不同巖橋長度試件,其溫度特征粗糙度總體變化趨勢是一致的。溫度特征粗糙度在第III階段初期出現(xiàn)突跳現(xiàn)象,可將此作為巖石試件破壞的一種前兆信息。

(2)應力-應變曲線前兆性較差,但其階段性較好,可將其作為確定試件所處應力階段。

(3)聲發(fā)射主要捕獲巖石內(nèi)部裂紋擴展所產(chǎn)生的聲音試件,是刻畫巖石內(nèi)部裂紋開展特征的手段,溫度特征粗糙度主要刻畫試件表面溫度變化特征。