谷中元，周科平

(中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)

0 引言

岩石破裂失稳前会表现出一定的物化特征异常前兆，红外特征在其中担当了重要角色[1]。岩石受力变形破坏过程中会伴随能量释放与耗散[2]，而岩石变形破坏过程中重要的能量耗散方式为红外辐射。岩石结构体受外力作用，会引起体内或表面温度的轻微改变，伴随红外辐射信号的释放，该信号可被检测，并用以推断岩体结构表面的应力或应变的变化[3-4]。国内外专家学者对岩石破坏过程中红外辐射特征有一定研究，比如He等[5-6]在岩层开挖过程中利用红外成像仪模拟其破坏过程，发现红外辐射温度与不同岩层的应力—变化曲线特征密切相关，而红外热像能够展示岩体的破坏过程；法国的Luong[7]利用热成像技术，基于热力耦合及损伤观测与评价，实现了混凝土和岩石破坏过程的红外辐射特征及其疲劳损伤评价；刘善军等[8]引入分形、熵和统计学理论来定量描述岩石加载过程的红外辐射温度场变化特征；吴立新等[9-10]开展了固体撞击瞬态过程的红外监测试验研究，讨论岩石撞击辐射升温的物理机制；马立强等[11]首次利用红外测温仪实时测量煤岩体孔内的温度来得到其内部的温度变化特征。王者超等[12]通过花岗岩三轴循环荷载试验，系统研究花岗岩疲劳力学特性，提出花岗岩疲劳力学模型。

综上可知，较多学者基于红外成像技术多理论多角度下对岩石材料力学行为及温度场间的关联性进行了研究，但已有研究对一些重要区域涉及度有限，如单向循环加卸载下的温度场变化特征的研究。本文基于某矿地下孤立矿柱承受单向应力现状，拟开展单向循环加卸载实验，辅以红外分析研究其相关性能响应规律，并基于岩石单向循环加卸载的力学性能影响及其红外辐射特性，探究红外技术用于单向应力循环加卸载作用下岩石破坏分析的可行性及优势，同时为岩石破坏多角度评价寻找理论及技术新窗口。

1 循环加卸载试验

1.1 试验材料与设备

调研背景为矿山岩石现状，选择混合花岗岩开展试验。该花岗岩强度高，承载性能优良，能积聚较大能量，易于反映出机械能与温度场的变化，便于红外分析。按常规试验标准制备标准岩样，规格为：直径φ=50 mm，高度h=100 mm。

应用WDW-2000伺服应力试验机，进行岩石的循环加卸载预处理及压缩试验。

应用FLIR SC7000系统的红外成像仪进行红外热成像分析。该仪器适应性强，外形小巧，可同步捕捉瞬间图像，能通过即插即用接口、Camlink或GigE接口实现FLIR SC7000系统实现与电脑的高效连接。

1.2 试验方案与流程

考虑地下孤立岩矿柱的受力环境，对最不利情况进行模拟试验，施行单轴循环加卸载试验。首先测试原始岩样强度性能，基于原始强度以其12%，24%，36%，48%和60%为振幅分别进行单轴循环加卸载预处理。为降低疲劳损伤干扰，选择低循环次数，分为5次循环和10次循环[13]，压力加载速率控制为1 000 N/s。试样预处理后，静置冷却至环境温度。

架设红外检测设备。对处理过的岩样进行单轴压缩试验，并进行全程红外检测，检测距离控制1 m。检测室进行温度、噪声及光线控制，实验时进行遮光防护，试样接触时戴隔热手套进行。

进行单轴压缩试验，测取试样强度，同时检测红外数据与图像信息。岩石表面的平均红外辐射温度(AIRT)反映整个岩石试样的红外辐射能量，是表征岩石加载过程中红外辐射变化特征的一个重要指标[14]。由于循环加载过程中岩石整体表面与外界交替频繁[15]，例如岩石端面与压力机的接触会影响温度场，而岩石内部能量聚集不易与外界环境交换热能，故分别检测试样整体温度场数据(区域1)与中心位置温度场数据(区域2)。区域1为整体岩样侧面投影区域(50 mm×100 mm)平均红外辐射温度；区域2为近中央选定小范围区域(40 mm×40 mm)。试验流程及测试示意如图1和2所示。

图1 试验流程Fig.1 Test flowchart

图2 测试示意Fig.2 Test schematic diagram

2 试验结果

2.1 循环加卸载预处理

对未处理岩石试样进行单轴抗压强度测试，得强度均值为201.88 MPa，以此为基准进行单向循环加卸载预处理。未发生显著损伤破坏时不同循环加卸载参数下的岩石应力—应变曲线特征归纳示意如图3所示。

观察检测循环加卸载过程的应力-应变曲线，可知不同循环次数对岩石循环加卸载的应力—应变曲线有影响，统计归纳代表性示意如图3(a)所示，同时可知，相同循环次数时不同循环加卸载振幅下，岩石的应力-应变曲线特性亦有一定的不同，统计归纳代表性示意如图3(b)所示。

图3 单向循环荷载预处理应力-位移示意Fig.3 Schematic diagram of stress-strain under uniaxial loading and unloading

2.2 循环加卸载强度测试

单轴循环加卸载预处理结束后，对花岗岩进行单轴抗压强度测试。发现进行循环加卸载处理，并未改变岩石的宏观力学曲线特征。统计汇总在12%，24%，36%，48%和60%加卸载振幅下，循环次数分别为5次与10次预处理后的岩石单轴抗压强度，测试结果如图4所示。

图4 单向循环荷载下的强度结果Fig.4 Strength results under cyclic loading and unloading

2.3 循环加卸载红外测试

各组试样循环加卸载预处理完毕后，放置降温至环境温度。做好防护开展单轴抗压强度测试同时，进行红外检测。检测岩石表面的整体平均红外辐射温度区域1(50 mm×100 mm侧面投影区域)与中央区域2(近中央40 mm×40 mm区域)平均红外辐射温度。可知岩石破坏时伴随显著的红外辐射现象，且中央区域平均温度明显高于整体平均温度。

测试原始岩样红外辐射温度AIRT，得测试温度区域1为23.6°C，区域2为23.81°C。汇总各循环加卸载状态下的岩石单轴压缩测试时的AIRT试验结果，应用测试软件计算其平均温度，结果如图5所示。

图5 AIRT分析结果Fig.5 Results of AIRT analysis

3 结果分析与讨论

3.1 循环加卸载作用的力学特性

3.1.1 循环加卸载预处理时的力学特性

循环加卸载对岩石的强度特性有明显的影响，由图3(a)可知：进行单轴循环加卸载，会造成压缩前位移增大，原因是实现了岩石微裂隙的压缩，因而整体曲线右移。随着微裂隙压密，岩石更为均匀密实，弹性特征更为明显，应力曲线斜率略有增大。由图3(b)可知：随着振幅增加，弹性变形前的应变增加，说明压密作用更为强烈，同时斜率增加，由于压力增加岩石更为密实所致，导致弹性有所增强。

3.1.2 循环加卸载作用后的力学特性

由图4试验强度曲线可知，循环加卸载，并未改变岩石的基本习性，压缩阶段变现为：微裂隙压密阶段，弹性变形阶段及塑性变形与破坏阶段。由此可见，循环加卸载对岩石的强度影响不是单向影响。总体看循环加卸载处理对岩石强度呈现先增加后降低的干涉趋势，呈现波峰状特征。针对岩体的循环加卸载的强度效应，有较多学者进行过相关的研究，结论表明，循环加卸载对岩体的影响有双重性，存在增加或减弱可能。有资料显示脆性花岗岩，加强作用较为明显，但超过一定承载幅度，必然又会引起削弱。

由图5试验结果可知，可以认为在未超过弹性极限且未发生疲劳损伤时，低幅度的加卸载预处理有益于强度提高，在36%之间增益效果达到峰值。幅度增加与疲劳损伤次数作用下，加卸载处理会降低岩石强度。同时认为幅度24%下10次循环强度结果因离散性导致数据异常。总体结论可认为36%振幅之前加卸载起加强作用，循环10次加强效果高于5次；36%振幅之后加卸载起削弱效果，循环10次削弱效果高于5次。

对比原始岩石强度，循环加卸载还是大部分表现出削弱作用，但36%振幅下10次循环仍呈加强效应。可以认为，在未超过弹性极限且未发生疲劳损伤时，由于微裂隙压密，加卸载预处理会对整体强度发挥促进作用。但是随着加卸载振幅增加，疲劳损伤等作用下，会引发新损伤导致过早破坏，出现加卸载处理下的强度削弱效应。

3.2 循环加卸载作用下的红外测试分析

3.2.1 循环加卸载红外AIRT分析

通过图5可知：5次循环情况下损伤较低，积累能量能发挥较好的作用形成较为明显的热能转化；而10次循环损伤相应提高，在低振幅时，温度提高，而高振幅时损伤较大，能耗较高，导致温度降低。对比强度试验可知，24%振幅10次循环实验组数据因离散性导致数据异常。同时可知，强度与红外温度表现有一定的相关性，10次循环36%振幅时温度较高，与强度结果吻合。

(1)

图6 岩石压缩能量示意Fig.6 Schematic diagram of rock energy under pressure

结合式(1)及图6，由能量分析可知，外力作用会增加岩体的耗散能，一部分耗散能形成能量积聚，在能量转换中对热能造成影响。每次循环加卸载均会形成一定的能量积累，但同时会引发裂纹扩张等损伤。未超过极限时，积累能量发挥增强作用，导致最后的温度增高。当损伤作用较为显著时，会造成较大的能量耗散，导致温度降低。

红外破坏过程温度曲线如图7所示。通过图7可知，岩石在破坏前未有明显的温度变化，温度曲线平稳，但在破坏时伴随显著的温度上升。说明在破坏中发生显著的能量交换，有放热现象。破坏时有显著的温度波动，表现为：峰值前的上下波动，至破坏时的急剧上升，进而下降。同时可发现上升的幅度与检测平均温度相关性较大。故此可知，岩石破坏过程伴随着显著的温度场变化，通过温度场变化可从能量角度提供岩石破坏评价平台。破坏温度的不均匀分布，对红外热能的进行量化分析仍有较多难题需要克服。由于破坏发生在极短时间内，透过红外实现灾害预警仍有较长的路要走。

图7 岩石破坏时的AIRT曲线Fig.7 Figure of AIRT during rock failure

3.2.2 循环加卸载红外热成像分析

为分析岩石破坏瞬间的红外特性，对其破坏过程进行红外成像检测分析，如图8所示。通过图8可知，岩石破坏会引起非均匀瞬间的温度提升，破坏为个别区域应力集中诱发破坏，进而导致整体失稳破坏，破坏过程伴随显著的温度差异。破坏前，几乎无变化，破坏时，表层局部出现高温区域，破坏后内部高温区域呈现出来，显现出来的高温区域与环境发生能量交换，温度逐渐下降。可以认为部分区域应力集中首先发生破坏，进而灾害区域贯通，引发整体破坏，高温区域亦与破坏断裂形态相一致。透过红外检测，可对破坏暴露区域实现应力集中、区域集中程度及分布情况检测。

同时发现随着振幅及循环次数的增加，暴露出现的高温点呈减少趋势，推断为由于损伤增加，岩石内应力集中情况降低，破坏更趋均匀。因温度不均性，且只能检测暴露温度，距离全面的量化分析还有较长的路要走。

图8 60%振幅下单向循环荷载的热成像Fig.8 Thermal imaging under uniaxial loading and unloading with amplitude of 60%

3.2.3 循环加卸载红外温度场频数直方图分析

频数直方图能简化数据又可突出数据的统计分布及结构特征，因而考虑进行频数直方图分析岩石破坏过程的温度分布特征。选择代表性48%振幅与60%振幅岩样10次循环后的频数直方图(见图9)，针对不同时刻的区域温度场直方分布图进行分析。频数直方图可反映出频数高的对应温度为区域中心温度，同时温度范围体现了区域温度场均匀性。从图9可知，破坏前，破坏时，区域温度场总体分布较为均匀，有中心温度，而破坏后，区域温度场温度分布区域明显加宽，试样内部不均匀温度分布才能显现出来。破坏后的温度场分布区域可分为3个区域，分别为常温区，升温区与突变区。基于环境温度，可判定常温区域，而高于常温区，频数相应较高区域为升温区，最后是突变区，该区域为突变高温区，但频数少，为应力集中形成的高温区所致。同时，也可知高温区域较少即应力集中区域较为有限。故此，可评价应力集中区域的集中程度及范围比例。同时可知试样破坏后温度分布场温度范围越大，与环境热交换越多，最后的检测温度越低。从试验结果看，60%高振幅下，检测温度较低，表现出更宽的破坏后温度场区域分布，48%振幅下破坏后温度场宽度窄，检测温度稍高。可知红外检测结果与破坏形态结构有较大关联。

图9 频数直方示意Fig.9 Frequency histogram

破坏后的频数直方图，反映了温度不均匀性，能较好揭示衡量能量分布，进而衡量应力集中程度，并可实现应力集中区域定位。也能知道岩样破坏时，经历了常温—升温—降温热能变化过程，说明岩样加压破坏过程存在能量的聚集到释放过程。同时频数直方图提供了较好的评价平台，可有效实现对应高温区域分布及高温幅度的评价，对岩石的应力集中分析，有较大的借鉴意义，可日后进行深入分析。然而，红外检测仅能对表面进行红外辐射能检测分析，对于整体立体分析，还有一定的欠缺，因而有一定的局限性。

4 结论

1)循环加卸载对花岗岩有双向作用大体随着振幅呈现先增加又降低的规律，36%振幅10次循环下的强度最优。

2)循环加卸载会影响花岗岩压缩的红外结果。损伤有限时红外辐射温度提高，超过一定的损伤界限，循环加卸载反而降低红外辐射温度。花岗岩破坏时由于局部应力集中所致，表现出局部温度急剧升高的特征，且破坏前后，有显著的温度波动现象，可提供岩石破坏分析平台。

3)岩石在破坏的瞬间会释放大量热能，温度急剧上升，通过频数直方图，可将破坏后温度场分成常温、升温、突变温3个温度区域，综合反映出岩石压缩破坏伴随能量积聚到释放的过程，并发现红外技术在岩石灾变演化过程中实现破坏应力集中特性分析层面有一定的优势。