花崗巖真三軸加載破壞前兆信息

潘元貴，杜春陽，謝小國，伍中庚，李 維，魏良帥，李欣澤

(1.四川省華地建設工程有限責任公司，成都 610081；2.四川省地質礦產勘查開發局成都水文地質工程地質中心，成都 610081；3.核工業二八○研究所，廣漢 618300；4.中國地質科學院探礦工藝研究所，成都 611734)

巖體開挖卸荷后，巖體內部受到擾動且應力重新分布，巖體在這種狀態下易發生突發性失穩破壞。部分巖體結構完整，內部節理裂隙較少，在發生突發性失穩破壞前，巖體卸荷面上無異常現象發生，極易對現場施工人員的生命造成威脅。因此，對于完整性巖體在開挖卸荷后的突發性失穩破壞前兆信息的研究就顯得格外重要。

目前，中外學者對巖石失穩破壞前兆信息的識別和提取作出了大量研究，采用先進的試驗儀器(高速攝像機提取巖石破壞過程中表面裂紋演化過程、聲發射系統提取巖石內部聲學信號、紅外熱像儀記錄巖石表面溫度場演化過程)對巖石破壞過程中的裂紋發育、內部聲學信號、巖石表面溫度場變化開展研究，獲得了大量研究成果。其中，紅外熱像研究領域，Luong等[1-3]探究巖石在疲勞破壞過程中紅外熱輻射特征，揭示巖石在不同加載過程中均伴隨有不同程度的熱輻射，分析巖石表面熱像特征，可對巖石的破壞程度進行判定。Martelli等[4]對巖石破壞過程中巖石表面電磁輻射研究中，提出“摩擦致熱發光效應”和“等離子效應”假說。劉善軍等[5-7]研究巖石破壞過程中熱紅外前兆形式及類型；針對巖石加載過程中熱紅外輻射溫度場的演化特征展開定量研究，發現采用熵來反映巖石加載破壞過程更好；研究潮濕巖石加載過程中熱紅外輻射變化特征時發現:巖石破壞過程中，潮濕巖石的熱像異常現象較差，干燥巖石的熱像異常現象較好，水對巖石加載破壞過程中的熱紅外輻射具有降低作用。張鐵寶等[8]針對蘆山和岷縣地震前該地區的衛星熱紅外影像變化特征展開研究，發現強震前溫度升高區域的分布受二級地塊控制。張璇等[9]和邵楠清等[10]研究地震前熱像亮溫異常的時空演變特征，發現熱像異常區域與未來地震區域相一致。寧亞靈等[11]在研究文安地震前衛星熱像變化特征中發現，震前熱像中的透熱指數和異常比值同時出現異常高值。郭幫杰等[12]運用熱紅外光譜遙感來定量反演巖石中的石英含量，發現熱紅外光譜的發射峰凸顯程度與石英含量呈正相關關系。

聲發射研究領域中，蘇承東等[13]聲發射事件數隨應變呈現階段性變化特征，聲發射參數能反映巖石應力水平和破裂階段，具有穩定的前兆特性。蘇國韶等[14-15]研究巖爆過程中聲發射頻譜特征，發現在巖爆發生前，聲發射幅值出現平靜期，巖爆過程中聲發射主頻由高向低過渡。朱振飛等[16]研究拉伸條件下聲發射主頻和雙頻特征，研究發現聲發射頻譜對裂紋開展有較強的敏感性。陳國慶等[17]研究節理裂隙花崗巖單軸壓縮破壞過程中熱紅外前兆信息特征，發現熱紅外前兆性優于聲發射前兆，通過熱像走勢可以預測未來裂紋擴展趨勢。張志婷等[18]對開放性節理裂隙巖石三軸加載破壞的前兆信息展開研究，研究發現巖石破壞前臨空面上的溫度特征粗糙度會出現異常變化，這種變化預示著巖石破壞即將來臨。趙建軍等[19]對不同應力路徑下英安巖聲發射b值特征開展研究，研究結果表明當巖樣峰值強度后存在明顯的應力跌落，此時聲發射b值的快速下降。

綜上所述，中外眾多學者對巖石破壞過程中紅外熱像和溫度場以及聲發射信號展開較為全面研究，獲得豐碩的研究成果，為巖體失穩預警提供了重要參考。基于科研前輩們的研究思路，將熱紅外與聲發射引入巖石真三軸加載過程中，分析研究巖石在真三軸加載破壞過程中聲發射和熱紅外變化特征，著重研究巖石破壞前各項指標的異常變化，為巖石破壞提供前兆預警。

1 試樣制備和試驗方案

1.1 試樣制備

巖石試樣材料為花崗巖，巖樣結構致密，完整性好。巖樣尺寸為長寬高均是100 mm的標準立方體，巖樣端面平整度±0.05 mm，垂直度誤差±0.25°。真三軸加載試驗一共準備9個巖樣，分為3組，每組3個巖樣，試件照片如圖1所示。

圖1 花崗巖試件照片

1.2 試驗方案

真三軸加載試驗研究背景為巖體開挖卸荷后，卸荷面附近應力集中導致巖體失穩破壞。

設置初始應力:σ1為最大主應力方向，σ2為中間主應力方向，σ3為最小主應力方向，最小主應力方向為卸荷方向。

真三軸試驗加載方案為:試驗加載采用位移控制和荷載控制兩種方式，先用位移控制方式對σ1施加0.5 MPa力，使試件端面與傳力柱面接觸，再轉換荷載控制方式，以0.2 MPa/s加荷速率加載至最大主應力設計值；保持最大主應力不變，運用同樣加載方式將σ2加載至設計值；保持中間主應力不變，對σ3方向保持單面臨空，對立面采用以上方式施加應力至設計值。試件在此應力狀態下受力保持10 s，試件應力狀態如圖2所示，之后保持σ2和σ3應力不變，以2 kN/s的加載速度增加σ1直至試件破壞。在此過程中聲發射、高速攝像機、紅外熱像儀同步采集數據。為消除試驗隨機性，每種中間主應力下做3個試樣，試驗應力加載詳細信息如表1所示。

圖2 真三軸加載應力狀態及應力路徑

表1 真三軸加載試驗詳細信息

1.3 試驗儀器

加載設備:真三軸加載試驗采用的試驗機是新型高壓伺服動真三軸剛性試驗機(TAW1-5000/3000)如圖3所示。水平加載系統可輸出最大壓力3 000 kN，豎直加載系統可輸出最大壓力5 000 kN，加卸載過程運用全數字伺服測控技術，保證試驗加載準確性。

圖3 高壓伺服動真三軸試驗系統

觀測設備:聲發射采集系統、紅外熱像儀、高速攝像機。紅外熱像儀為FLIRSC305紅外熱像儀，如圖4所示，熱像儀探測最大距離10 m，溫度測量范圍為-20～350 ℃，測量精度為2%，紅外圖像分辨率320×240像素，圖像采集幀頻9 Hz。

圖4 FLIRSC305紅外熱像儀

聲發射監測儀器是由美國PAC公司研發的Micro-II Digital AE System聲發射采集系統，如圖5所示。

圖5 Micro-II Digital AE System聲發射采集系統

試驗采用美國SVSI公司研制的高速數字攝像機對巖石破壞過程進行觀察，高速攝像機如圖6所示。高速攝像機相關參數:攝像機最大分辨率為1 280×1 024像素，最大幀速率532 f/s。

圖6 SVSI高速攝像機

試驗采用紅外熱像儀實時記錄巖石加載過程中表面溫度和熱像變化情況；高速攝像機用以記錄巖石加載破壞過程，觀察巖石破壞過程中表面裂紋發育擴展情況；聲發射儀用來捕捉巖石內部聲學信號，根據聲發射信號變化來反映巖石內部裂紋發育情況。

2 熱紅外前兆信息

2.1 熱像演化與巖石破壞過程

觀察巖石破裂過程中紅外熱像演化特征，對比分析巖石破壞過程中試件臨空面上紅外熱像變化特征，探究巖石破裂與熱像異常之間的關系。

圖7為σ2=15 MPa時巖石破壞過程與熱像演化過程對應關系圖。當軸向荷載加載至142.25 MPa時，試件上部的紅外熱像開始出現異常斑塊，斑塊呈長條狀，與未來裂紋出現位置相一致，此時試件臨空面上無裂紋出現；荷載為145.13 MPa時，熱像異常變成一條明亮條帶，此時試件臨空面上端開始出現裂紋；荷載為145.85 MPa時達到峰值，試件內裂紋貫通，臨空面折斷崩落，紅外熱像在崩落處出現高溫異常斑塊；隨后應力逐漸回落，熱像高溫異常斑塊也開始消散。

圖7 σ2=15 MPa時巖石破壞與熱像演化過程

圖8為σ2=30 MPa時巖石破壞過程與熱像演化過程圖。軸向荷載219.98 MPa時熱像首次初選異常斑塊，出現位置為未來裂紋出現區域，荷載上升至222.47 MPa時，試件臨空面上開始出現裂紋，此刻熱像異常斑塊變大；荷載增至峰值荷載225.68 MPa時，試件臨空面崩落，崩落區的熱像出現大面積高溫斑塊；應力回落至192.33 MPa時，試件在崩落區發生次生破壞。

圖8 σ2=30 MPa時巖石破壞與熱像演化過程

圖9為σ2=45 MPa時巖石破壞過程與熱像演化過程圖。軸向荷載加至282.21 MPa時，臨空面上熱像出現大面積異常斑塊，此刻試件臨空面上無裂紋出現；荷載增至288.89 MPa時，試件右側開始出現一條貫穿裂縫，該處熱像出現一塊亮溫斑塊；荷載增長至290.01 MPa時，試件破壞，試件右上側出現一團高溫斑塊，隨后臨空面脫落，破壞面內熱像異常斑塊明顯。

圖9 σ2=45 MPa時巖石破壞與熱像演化過程

根據以上對比分析可知，熱像演化與巖石表面裂紋發育有較好的對應性。三種中間主應力條件下，試件臨空面出現裂紋之前都有熱像異常現象發生，且熱像異常出現位置與未來裂紋出現位置相對應，受壓摩擦區域熱像呈升溫狀態，張拉區域熱像呈降溫狀態。其中，σ2=15、30、45 MPa時熱像首次出現距試件破壞依次為18、32、39 s，臨空面上裂紋首次出現距離試件破壞3.6、5.6、7.8 s。

2.2 熱紅外溫度變化特征

熱像演化從空間上反映了巖石破壞過程及破壞特征，溫度曲線可從時間上反映巖石加載破壞過程。圖10(a)為σ2=15 MPa時溫度時間曲線圖。將試件整個破壞過程劃分為5個階段，第Ⅰ階段為初始階段，溫度變化幅度微小，應力應變曲線呈線性變化；第Ⅱ階段為發展階段，溫度變化小，應力應變曲線上升加快；第Ⅲ階段為異常階段，溫度曲線開始初選異常變化，主要表現為變化幅度明顯增大，應力應變曲線依舊呈上升趨勢，第Ⅲ階段末期溫度曲線陡然上升，此刻試件破壞；第Ⅳ階段為初始衰減期，該時期內溫度曲線從峰值開始回落，曲線變化幅度大，應力跌落至120 MPa水平；第Ⅴ階段為衰落期，溫度曲線下落至一定溫度后保持不變，應力應變曲線跌落。

圖10(b)為σ2=30 MPa時溫度時間曲線圖。第Ⅰ階段內應力應變曲線斜率較小，溫度保持在20.53～20.71 ℃變化；第Ⅱ階段內溫度曲線變化幅度依舊較小，應力應變曲線斜率增大；第Ⅲ階段內溫度曲線出現轉折性變化，變化形態呈先下降后上升，下降至K點后迅速回升，第Ⅲ階段末期溫度陡增至峰值，應力應變曲線在此期間斜率逐漸降低；第Ⅳ階段，溫度回落至20.85 ℃水平，溫度曲線呈震蕩變化，應力回落至190 MPa水平，應力應變曲線呈斷崖式跌落；第Ⅴ階段，破裂面上的溫度逐漸降低至常溫，溫度曲線跌落，應力跌落至50 MPa水平。

圖10(c)為σ2=45 MPa時溫度時間曲線圖。第Ⅰ階段內溫度曲線呈先升后降的變化趨勢，變化范圍為22.28～22.21 ℃，應力應變曲線呈線性上升；第Ⅱ階段中溫度曲線呈先降后升變化形態，應力應變曲線斜率上升；第Ⅲ階段內，溫度波動幅度增大，出現兩次轉折性變化，曲線變化形態呈“W”形，階段末期溫度驟然上升至22.37 ℃，此刻試件破壞，應力達到峰值；第Ⅳ階段內溫度曲線有所下降，但仍保持在高水平變化，這是因為破壞面上發生的次生破壞使得溫度繼續維持在高水平，應力應變曲線出現回落后上升的現象；第Ⅴ階段內，溫度曲線逐漸下跌，應力降低至154 MPa水平。

圖10 溫度變化曲線

根據以上分析可知，巖石破壞時表面峰值溫度隨中間主應力增加而增大，這是因為中間主應力增大使得試件強度增加，破壞前能集聚更多能量，破壞時能量釋放更多，巖石破裂時溫度升高。溫度曲線第Ⅲ階段中的異常轉折變化預示著試件進入潛在破壞階段，這種異常現象表明試件隨時可能發生失穩破壞。

不同中間主應力下，溫度曲線第Ⅲ階段持續時間不同，15 MPa時為153 s，30 MPa時為189 s，45 MPa時為247 s。由此可見，中間主應力越大，溫度異常變化出現越早，分析其原因在于:根據熱彈效應理論[7]，巖石受力時表面溫度升高，所受的荷載越大，溫度升高越高。中間主應力增加使得巖樣強度增大，使得巖石溫度異常的荷載門檻值是一定的，所以高強度的巖石試件所表現出的溫度異常要早于低強度的試件。

3 聲發射變化特征

觀察聲發射振鈴計數率變化過程，發現聲發射振鈴計數率變化過程存在階段性，根據不同時段內聲發射變化特征，分別定義為A平穩階段、B上升階段、C雙峰值階段、D衰減階段。

圖11(a)為σ2=15 MPa時聲發射振鈴計數率。平穩階段占全過程的62.9%，聲發射振鈴計數率變化范圍0～180；上升階段占6.1%，振鈴計數率上升至260～750變化水平，振鈴計數率事件數也明顯增多，該階段末期，聲發射振鈴計數率出現首次突增，突增至1 890，此刻試件內部主裂紋貫通；雙峰值階段占23.3%，該階段內聲發射振鈴計數率出現兩次突增，第二次突增值為1 680，表明巖石內部又一條裂紋貫通，兩次突增之間聲發射計數率跌落至平穩階段水平；第二次突增后聲發射振鈴計數率逐漸回落，降至平穩階段水平，衰減階段占7.7%。

圖11 聲發射振鈴計數率

圖11(b)為σ2=30 MPa時聲發射振鈴計數率。平穩階段占71.0%，振鈴計數率變化范圍為0～280，整體上變化平穩；上升階段占7.1%，該階段內振鈴計數率變化范圍上升至310～450，階段末期試件主裂紋貫通，聲發射振鈴計數率陡增至2 088；衰減期占21.9%，振鈴計數率跌落至0～45變化范圍。該試件聲發射兩次振鈴陡增相隔較近，兩條主裂紋貫通時間相差較短。

圖11(c)為σ2=45 MPa時聲發射振鈴計數率。平穩階段占62.7%，振鈴計數率變化范圍為0～450，整體變化幅度較小；上升階段占3.5%，振鈴計數率由0～450增長至800～900，且振鈴事件數明顯增多，階段末期出現首次突增，增長至2 312，這預示著試件內部裂紋首次貫通；雙峰值階段占6.3%，振鈴第二次陡增至2 472，兩次陡增之間振鈴計數率變化范圍300～920，變化幅度明顯增大；衰減期占27.5%，振鈴計數率變化范圍跌落至50～320。

通過分析不同中間主應力下聲發射振鈴計數率變化特征發現:①試件破壞時振鈴計數率峰值隨中間主應力增大而增加；②聲發射振鈴計數率首次上升距巖石破壞時間隨中間主應力增大而增長，分別為62、81、102 s；③振鈴計數率雙峰值之間，振鈴計數率跌落明顯。分析這些現象的原因:①中間主應力上升使得試件強度增大，加載過程中內部能量積蓄增多，破壞時釋放能量大，致使振鈴計數率上升；②使得聲發射振鈴計數率上升的應力門檻值是一定的，試件強度增大，加載過程中應力能在試件破壞前更早到達門檻值；③振鈴計數率每一次突增都是巖石內部一條裂紋貫通，裂紋貫通后試件內部能量釋放，在以后一小段時間內，巖石內部處于平靜狀態。

4 各類前兆信息對比

根據以上研究分析，巖石真三軸加載破壞前，熱紅外存在兩類前兆，分別是熱像異常前兆和溫度異常前兆；巖石破壞前，聲發射振鈴計數率異常上升。三種前兆信息對比分析，比較各類前兆的時序特征。

表2是熱像前兆、溫度前兆、聲發射前兆、臨空面裂紋出現的時序特征，根據表中信息可知，最早出現的是溫度前兆信息，其次是聲發射振鈴計數率前兆，隨后是紅外熱像異常前兆，臨空面裂紋出現距巖石失穩破壞最近。導致這些前兆信息出現時序差異的原因如下。

表2 各類前兆信息首次出現距巖石破壞時間

(1)巖石表面溫度變化要達到門檻值時所表現出的熱像異常才能被肉眼識別，而溫度曲線卻能更加細微的反映巖石表面溫度變化，所以溫度曲線異常前兆比紅外熱像異常更早出現。

(2)巖石試件內部微裂紋出現致使聲發射振鈴計數率上升，相比于巖石表面溫度變化要稍有延遲，但比熱像異常前兆出現時間早。

(3)巖石表面裂紋出現預示著巖石主裂紋即將貫通，試件即將破壞。

通過研究巖石表面溫度變化和巖石內部聲學信號變化特征來反映巖石破壞過程。通過熱像異常從巖石外部研究巖石受載破壞情況，通過聲發射從巖石內部反映巖石破壞過程，用這兩種前兆信息共同來捕獲巖石破壞。

5 結論

花崗巖真三軸加載破壞過程中，對巖樣臨空面溫度變化特征和熱像演化特征以及聲發射振鈴計數率變化特征進行研究分析，得出以下結論。

(1)熱像演化過程對巖石臨空面破裂有指導作用；溫度曲線在巖石破壞前會出現異常變化；聲發射振鈴計數率在破壞前會明顯升高且計數率事件數也會明顯增多。

(2)巖石破壞前出現的各類前兆信息具有現時序特征，時序順序為:熱紅外溫度前兆>聲發射前兆>熱像異常前兆>裂紋首次出現。

(3)空間上熱像演化對巖石臨空面的未來破壞位置有指導意義；時間上溫度曲線能更早預警巖石破壞；從巖石內部角度上，聲發射振鈴計數率反映巖石內部裂紋發育情況，從巖石內部預警巖石破壞。