结合应变场和温度场裂隙砂岩破坏规律及灾变预警研究.pdf

Series No.568October 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第568 期2023 年第 10 期收稿日期 2023-04-07基金项目 国家自然科学基金项目(编号:51904105)。作者简介 康志强(1974),男,教授,博士,硕士研究生导师。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1,2,3 冯江江1,2,3 王治磊1,2,3 张 晨1,2,3(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)摘 要 为探究裂隙砂岩变形破坏过程及破坏前兆特点,融合数字图像相关技术和红外辐射技术对双轴压缩含平行双裂隙砂岩试样进行非接触式全场观测,引入标准差指标定量描述其破坏过程中表面应变场和红外辐射 2 个领域信息演化过程、分异程度和破坏前兆异常点,并验证了 2 个领域全场信息的相关性。研究结果表明:双轴加载过程中,轴向荷载为峰值荷载 75.4%时预制裂隙尖端出现翼型张拉裂纹,随后与端部出现的剪切裂纹连接产生宏观滑移面,试样失稳破坏;根据应变场标准差曲线特征,可划分为初始分异、稳定分异、加速分异 3 个阶段,而温度场标准差曲线演化可划分为稳定分异和加速分异 2 个阶段;应变场标准差和温度场标准差的皮尔逊相关系数均在 0.60.91 之间,呈现显著及高度相关关系;张拉裂纹与剪切裂纹出现之前,应变场分异速率曲线显现 2 个明显尖端点,温度场分异速率曲线在剪切裂纹处突增,可将其异常点视作预警信号。研究成果可为裂隙岩体预警破坏提供新的思路和观点。关键词 裂隙岩体 数字图像技术 应变场 红外温度场 预警前兆 中图分类号TD315 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-10-037-08DOI 10.19614/ki.jsks.202310006Failure Law and Disaster Warning of Fractured Sandstone Combinating Strain Field and Temperature FieldKANG Zhiqiang1,2,3 FENG Jiangjiang1,2,3 WANG Zhilei1,2,3 ZHANG Chen1,2,3(1.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063200,China;2.Hebei Mining Development and Safety Technology Laboratory,Tangshan 063210,China;3.Hebei Province Mine Green Intelligent Mining Technology Innovation Center,Tangshan 063200,China)Abstract In order to explore the deformation and failure process and precursor characteristics of fractured sandstone,digital image related technology and infrared radiation technology were integrated to conduct non-contact full-field observation on the samples of biaxial compression sandstone containing parallel double-fractured sandstone.Standard deviation index was introduced to quantitatively describe the evolution process of surface strain field and infrared radiation information in the failure process,the degree of differentiation and the abnormal points of failure precursor.The correlation of two fields full field informa-tion is verified.The results show that in the biaxial loading process,when the axial load is 75.4%of the peak load,the airfoil tension crack appears at the prefabricated crack tip,and then the macro-slip plane is connected with the shear crack at the end,and the sample becomes unstable and fails.According to the characteristic of standard deviation curve of strain field,it can be divided into initial differentiation,stable differentiation and accelerated differentiation,while the evolution of standard devia-tion curve of temperature field can be divided into stable differentiation and accelerated differentiation.The Pearson correlation coefficients of standard deviation of strain field and temperature field are between 0.6 and 0.91,showing a significant and highly correlated relationship.Before the tensile crack and shear crack appear,the strain field differentiation rate curve shows two obvious tip points,and the temperature field differentiation rate curve spikes at the beginning of the shear crack,which can be regarded as an early warning signal.The research results can provide new ideas and viewpoints for warning failure of frac-tured rock mass.Keywords fractured rock mass,digital image technology,strain field,infrared temperature field,early warning precursor73 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,Freund3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 C4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 mm100 mm150 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 sample1.2 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 0481 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。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83总第 568 期 金 属 矿 山 2023 年第 10 期图 2 试验系统Fig.2 Test system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 13)。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。(2)弹性变形阶段(特征点 35)。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 57)。此阶段砂岩93 康志强等:结合应变场和温度场裂隙砂岩破坏规律及灾变预警研究 2023 年第 10 期图 6 垂直应变场Fig.6 Vertical strain field图 7 剪切应变场Fig.7 Shear strain field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 78)。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S,i=1l-1mi=1(ij-i)2,(1)i=1lmi=1ij,(2)式中,S,i为样本第 i 时刻的应变场标准差;l 为应变场子区总数;ij为样本第 i 时刻时第 j 个子区的应变值;i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。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: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04总第 568 期 金 属 矿 山 2023 年第 10 期图 8 应变场标准差应变曲线Fig.8 Standard deviation of strain field-strain curves场分布较为均匀,因此 3 种应变场标准差数值处于 01%,离散程度较小。阶段: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: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。由图9 可知,加载初期(特征点14)试样红外图 9 红外辐射温度场Fig.9 Infrared radiation temperature field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 56),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 78),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ST,i=1l-1mi=1(Ti,m-Ti)2,(3)Ti=1lmi=1Ti,m,(4)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;Ti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。分析图 10 可将温度场标准差曲线分为 2 个阶段:阶段,稳定分异阶段。该阶段出现在剪切裂纹14 康志强等:结合应变场和温度场裂隙砂岩破坏规律及灾变预警研究 2023 年第 10 期图 10 温度场标准差应变曲线Fig.10 Standard deviation of temperature field-strain curves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,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r,T=mi=1(S,i-S)(ST,i-ST)mi=1(S,i-S)2mi=1(ST,i-ST)2,(5)S=1mmi=1S,i,(6)ST=1mmi=1ST,i,(7)式中,m 为时步总数;S,ST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。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 0.60.91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,计算公表 1 相关系数与相关程度Table 1 Correlation coefficient and correlation degree相关系数相关程度0不相关00.3微弱相关0.30.5低度相关0.50.8显著相关0.81高度相关1完全相关表 2 温度场与各应变场标准差之间的相关系数Table 2 Correlation coefficient between temperature field and standard deviation of each strain field应变场类型相关系数水平应变场0.610.84垂直应变场0.690.91剪切应变场0.650.88式为v=S=S,i+1-S,i-12,(8)vT=ST=ST,i+1-ST,i-12,(9)式中,v、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。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24总第 568 期 金 属 矿 山 2023 年第 10 期表 3 应变场演化预警点 P1Table 3 Early warning point P1 of strain field evolution试样编号前兆应力/MPa前兆时间/s前兆与峰值应力比/%前兆与峰值时间比/%5-135.267573.7163.435-238.572875.6465.825-341.879376.4370.91表 4 应变场演化预警点 P2Table 4 Early warning point P2 of strain field evolution试样编号前兆应力/MPa前兆时间/s前兆与峰值应力比/%前兆与峰值时间比/%5-141.694889.1694.145-245.298693.4292.445-351.11 06792.7795.31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。图 12 温度场分异速率曲线Fig.12 Temperature field differential rate curves表 5 温度场演化预警点 PTable 5 Temperature field evolution early warning point P试样编号前兆应力/MPa前兆时间/s前兆与峰值应力比/%前兆与峰值时间比/%5-142.396793.9294.745-243.892391.4187.625-349.71 09194.3792.52 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 0.60.91 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。参 考 文 献1 彭建宇,王浩南,吴硕,等.红砂岩受高压电脉冲击穿作用下的破裂行为试验研究J.金属矿山,2022(11):71-76.PENG Jianyu,WANG Haonan,WU Shuo,et al.Experimental study on fracture behavior of red sandstone subjected to breakdown effect of high voltage electric pulseJ.Metal Mine,2022(11):71-76.2 刘艳章,王瑾,黄诗冰,等.冻融作用下水灰比对类岩石材料物理力学特性影响研究J.金属矿山,2020(11):1-10.LIU Yanzhang,WANG Jin,HUANG Shibing,et 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近红外光谱的影响研究J.金属矿山,2022(4):158-162.LIU Shanjun,LIU Haiqi,DING Ruibo.Effect of particle size on visi-ble-near infrared spectral of high grade hematiteJ.Metal Mine,2022(4):158-162.8 吴贤振,高祥,赵奎,等.岩石破裂过程中红外温度场瞬时变化异常探究J.岩石力学与工程学报,2016,35(8):1578-1594.WU Zhenxian,GAO Xiang,ZHAO Kui,et al.Abnormality of transi-ent infrared temperature field(ITF)in the process of rock failureJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(8):1578-1594.9 刘善军,徐忠印,吴立新,等.遥感-岩石力学在矿山应用的试验研究J.金属矿山,2011(7):61-65.LIU Shanjun,XU Zhongyin,WU Lixin,et al.Application test of re-mote sensing rock mechanics in mineJ.Metal Mine,2011(7):61-65.10 大久保诚介,汤杨,许江,等.3D-DIC 系统在岩石力学试验中的应用J.岩土力学,2019,40(8):3263-3273.Seisuke OKUBO,TANG Yang,XU Jiang,et al.Application of 3D-DIC system in rock mechanic testJ.Rock and Soil Mechanics,2019,40(8):3263-3273.11 SHIROLE D,HEDAYAT A,WALTON G.Damage monitoring in rock specimens with pre-existing flaws by non-linear ultrasonic waves and digital image correlationJ.International Journal of 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