巖石加載破壞紅外溫度標準差指標分析

潘元貴，杜春陽，謝小國，伍中庚，陳彩玲，魏良帥

(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.中國地質科學院探礦工藝研究所，成都 611734)

完整巖石或含裂隙的巖石破壞均以脆性破壞為主，突發性破壞特征強，難以捕捉到巖石破壞前的預警信號。因此，研究巖石破壞的前兆信息就有重要意義。中外學者對巖石破壞預警信息已開展大量研究，通過先進監測儀器(如聲發射、紅外熱像儀)，對巖石破壞過程中內部和外部信息進行提取，獲得大量研究成果。聲發射是一種研究巖石內部聲學信號變化特征，基于巖石加載過程中內部聲學信號變化來反映巖石內部裂紋損傷情況。王創業等[1]對石灰巖破裂階段聲發射變化特征展開了研究，發現石灰巖破壞階段聲發射主頻值整體呈現先上升后下降的趨勢。姚歡迎等[2]利用聲發射來反映頁巖在單軸壓縮過程中內部損傷演化規律，研究發現頁巖單軸壓縮過程分為4個階段:壓密階段-彈性變形階段-彈塑性變形階段-峰后破壞階段，聲發射信號能夠反映頁巖內部微細觀損傷演化過程。汪果等[3]研究了英安巖在三軸壓縮試驗過程中聲發射變化特征，發現英安巖單軸壓縮和低圍壓下穩定破裂發展階段具有折線型特點。蘇國韶等[4-5]研究了花崗巖巖爆過程中聲發射頻譜特征，發現花崗巖發生巖爆現象前，聲發射幅值會出現一段平靜期，巖爆過程中聲發射主頻由高向低過渡?；趲r石表面溫度變化來反映巖石受載特性，最早由Luong等[6-8]將紅外熱輻射用于研究巖石疲勞破壞過程中紅外熱輻射變化特征，發現巖石在不同加載方式下中存在不同熱輻射特征，可通過巖石表面熱像特征來劃分巖石的破壞程度。劉善軍等[9-11]通過紅外熱輻射來研究了巖石破壞的前兆信息。還有學者運用衛星熱紅外影像來研究了地震強震區分布情況[12]。張璇等[13]、邵楠清等[14]對地震前區域內的熱像亮溫異常時空演變特征展開了研究，結果表明熱像異常區域與未來地震區域相吻合。彭波等[15]利用紅外熱像技術來探測土石壩集中側漏，研究表明在熱激勵下模型表面溫度升高，但是土石壩模型表面集中滲漏區域的溫度比正常區域要低。來興平等[16]研究了煤巖破裂過程熱紅外輻射異化特征，研究發現煤巖破裂過程中熱紅外溫度存在4個變化階段。

綜上可知，前人多利用聲發射變化特征來反映巖石內部損傷情況，運用熱紅外技術對地震預警及震后分析、巖石加載破壞、大壩側漏等方面開展研究，根據以往的研究思想啟發，現引入溫度標準差這一指標，研究溫度標準差指標在巖石加載破壞過程中的變化特征，來反映巖石破壞的階段性特征，著重研究巖石臨近破壞前臨空面上的溫度標準差變化特征，觀察巖石破壞前臨空面上溫度標準差的異?，F象。

1 試驗方案

1.1 試樣及設備

圖1為試驗巖樣。圖1(a)為真三軸加載試驗的巖樣(真三軸試驗分真三軸加載和真三軸加卸荷兩種加載方式)，巖性為紅砂巖，巖樣尺寸為：100 mm×100 mm×200 mm；圖1(b)為單軸壓縮試驗的巖樣，巖性為花崗巖，巖樣預制兩條開放性的節理裂隙，形成兩種不同巖橋長度，分別為30、44 mm。

圖1 試驗巖石試樣

圖2為試驗加載設備，一種高壓伺服動真三軸試驗機，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，可以完成單軸加載和真三軸加載試驗。圖3為紅外熱像監測儀器，紅外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，熱像儀由USB接口和網絡接口與電腦相連，將采集圖像實時傳輸至電腦采集系統，在電腦上對采集圖像數據進行處理分析。

圖2 試驗加載設備

圖3 FLIRSC305紅外熱像儀

巖石加載過程中，采用熱紅外儀全程監控，獲取巖石表面溫度變化和熱像變化。

1.2 試樣方案

圖4為真三軸加載試驗巖樣的應力狀態和應力路徑。試驗的加載方案為：σ1表示最大主應力，σ2表示中間主應力，σ3表示最小主應力，最小主應力方向為卸荷臨空面。真三軸加載試驗方案為：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中間主應力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4(a)所示，之后保持σ2和σ3不變，以2 kN/s的加載速度增加σ1直至試件破壞。

圖4 真三軸加載應力狀態及應力路徑

圖5為真三軸加卸荷試驗試件卸荷示意圖。試件施加應力至設計初始應力狀態與真三軸加載試驗一致，卸荷如下：初始應力加載完成后穩定10 s，然后快速卸載一面σ3，同時將對立面調整為位移控制，再以2 kN/s的加載速度增加σ1直至試樣失穩破壞。

圖5 真三軸卸荷應力狀態示意圖

真三軸加載試驗過程為首先施加σ1直至設計應力水平，待σ1穩定后再施加σ2至設計應力水平，待σ2穩定后單面施加σ3至設計應力水平，在該狀態下穩定10 s后以2 kN/s的加載速度增加σ1直至試件破壞。真三軸加卸荷試驗過程中，加載σ1和σ2至設計應力水平與真三軸加載試驗一樣，待σ1和σ2施加的應力穩定后開始雙面施加σ3至設計應力水平，穩定10 s后迅速撤離一面σ3(觀測面)，并持續增加σ1直到試件破壞。

圖6為節理裂隙巖樣單軸壓縮示意圖。先在位移控制方式下施加軸向荷載0.1 MPa，待試件穩定后，再采用荷載控制方式，以1 kN/s的加載速率加載直至試件破壞，試件破壞后采用位移控制，獲取峰后曲線。表1為3種加載方式的詳細信息。

圖6 節理裂隙巖樣單軸壓縮示意圖

表1 試驗加載詳細信息

2 溫度標準差指標介紹

溫度標準差指標即為試件觀測面上最大溫度、平均溫度、最小溫度三者的標準差，通過溫度標準差的變化特征來反映巖石表面溫度場變化情況。巖石試件加載初期，監測面上的平均溫度、最大溫度、最小溫度三者相差較小，從而三者的標準差值也較小，在試件臨近破壞前，巖石監測面上會出現少數高溫點和低溫點，這些高低溫點使得3種溫度差值增大，導致溫度標準差增大。通過溫度標準差來反映巖石加載過程中觀測面上溫度場變化特征，研究試件破壞前溫度標準差的變化特征，通過溫度標準差的異常變化來預警巖石破壞。

(1)原理：標準差能反映數據間的離散程度，平均數相同的兩組數據，其標準差未必相同?；跇藴什畹倪@個特點，研究監測面上平均溫度、最大溫度、最小溫度三者間的離散程度。

(2)優點：在巖石破壞前，監測面上出現少量的高溫點和低溫點，但試驗取整個觀測區域內的平均溫度作為分析對象，忽視了觀測面內這些少量的溫度變化信號，現在通過標準差將這些早期的溫度變化信號提取出來，作為巖石破壞的前兆信息。溫度標準差公式為

(1)

式(1)中：M為溫度標準差；Tmax為最大溫度；Tmin為最小溫度；Tave為平均溫度。

溫度標準差指標反映巖石破壞過程的依據：溫度標準差反映臨空面上同一時刻平均溫度、最大溫度、最小溫度三者間的離散程度，通過離散程度反映3種溫度間的差異幅度。巖石加載初期，受載應力小，巖石表面溫度分布均勻，各處溫度差異幅度??；當巖石受載增大，巖石即將破壞前，巖石表面微裂紋發育，微裂紋發育處的溫度會出現升高或者降低，此刻溫度差異幅度增大；待巖石破壞瞬間，破裂處溫度陡然上升，與其他區域的溫度形成明顯差異，此時溫度標準差達到最大。該指標的提出主要是根據數學上溫度標準差反映數據離散度的思想，通過溫度的離散度來反映同意時刻三種溫度間的差異幅度，用這巖石臨空面上溫度的差異幅度來反映巖石破壞過程。溫度標準差反映巖石破壞過程的效果：巖石加載初期，溫度標準差變化幅度維持在一個相對穩定的水平，待巖石受載應力增大到一定數值時，溫度標準差開始逐步上升，巖石破壞時溫度標準差達到峰值。溫度標準差初始上升反映巖石進入新裂紋發育階段，溫度標準差反映巖石破壞過程具有良好效果。

3 溫度標準差指標變化特征

3.1 真三軸加載破壞臨空面溫度標準差

圖7(a)是中間主應力10 MPa時溫度標準差。將溫度標準差的變化過程分成4個階段：第一階段為平靜段，該階段內溫度標準差起伏性變化較小，圖像總體呈現水平直線；第二階段為上升段，溫度標準差出現明顯升高點，升高趨勢由低到高，臨近破壞時刻，溫度標準差升高至1.5左右；第三階段為突升段，因巖石破壞導致臨空面溫度驟升，溫度標準差也隨之陡增，溫度標準差達3.6；第四階段為回落段，溫度標準差陡增后回落，臨空面上各處溫度離散度降低。

紅色曲線為巖石臨空面上的平均溫度變化

圖7(b)是中間主應力20 MPa時溫度標準差，平靜段內的溫度標準差保持在0.47～0.66變化，變化平穩且變化值較小。上升段內溫度標準差變化范圍為0.49～0.89，變化幅度增大。突升段溫度標準差峰值為1.31，隨后回落至0.72～0.86水平。

圖7(c)是中間主應力40 MPa時溫度標準差，平靜段內溫度標準差發展狀態十分平穩。在臨近破壞前134 s時，溫度標準差開始出現上升點，上升段內溫度標準差呈逐漸增大趨勢，起初上升值為0.2，臨近破壞時達1.8。巖石破壞時刻溫度標準差突增至2.6，隨后回落至0.3水平。

圖7(d)中間主應力60 MPa時溫度標準差，平靜段的溫度標準差變化水平為0.61～0.75。距離試件破壞144 s時，溫度標準差開始出現明顯上升，初始上升值達0.82，隨后上升幅度逐漸增大，破壞前溫度標準差最大值達到1.3。試件破壞，溫度標準差陡增至1.62，隨后回落至0.88水平。

圖7紅色曲線為巖石臨空面上的平均溫度變化，在巖石破壞前會出現異常轉折性變化，這種異常變化能預警巖石破壞，將平均溫度曲線與溫度標準差做對比，分析研究溫度標準差的前兆特征。

表2為真三軸加載試驗的溫度標準差前兆信息統計表，根據表中信息可知，溫度標準差前兆信息首次出現時間距試件破壞108～144 s，隨著中間主應力增大，前兆信息出現時刻提前。

表2 真三軸加載試驗溫度標準差前兆信息時序特征

3.2 真三軸加卸荷破壞臨空面溫度標準差

圖8(a)為中間主應力為10 MPa的溫度標準差變化特征圖，溫度標準差的變化過程可劃分為4個變化階段，第一階段為平靜段，溫度標準差變化范圍為0.42～0.56，卸荷后臨空面上各處溫度差異較小，溫度標準差處于平穩變化階段，無明顯增大現象。第二階段為溫度標準差上升段，溫度標準差變化范圍為0.41～0.83，距離試件破壞前61 s時，溫度標準差突然上升至0.68，試件破壞前溫度標準差最高升至0.83，上升段內溫度標準差呈現逐步增大的趨勢。第三階段為突升段，巖石破壞，溫度驟升引起溫度標準差突然升高。第四階段為回落段，巖石破壞后，臨空面上溫度逐漸下降至原始水平，各處溫度值恢復至平穩狀態，溫度標準差回落至0.41～0.46水平。

圖8(b)是中間主應力為20 MPa的溫度標準差變化特征圖，根據圖中信息可知，溫度標準差平靜段的變化范圍為0.35～0.50，整體變化平穩，主要集中在0.40水平。距離試件破壞前84 s，溫度標準差開始出現明顯的連續上升現象，初始上升值為0.49，試件破壞前最大達到0.85，整個上升段內，溫度標準差呈階梯狀上升。突升段內溫度標準差峰值達到1.6，隨后回落至0.43水平。

圖8(c)是中間主應力為40 MPa的溫度標準差變化特征圖，根據圖中信息可知，溫度標準差平靜段內變化范圍是0.22～0.38，距離試件破壞前104 s，溫度標準差開始出現明顯的連續上升趨勢，起初上升值為0.41，經過不斷增加，破壞前達到0.65。巖石試件破壞，溫度標準差達到峰值，峰值大小為1.10，隨后即刻回落至0.28～0.40水平。

圖8(d)是中間主應力為60 MPa的溫度標準差變化特征圖，根據圖中信息可知，平靜段內溫度標準差保持在0.28～0.37水平，距離巖石試件破壞前125 s，溫度標準差進入上升段，該階段內平均水平為0.56，破壞前最高達0.88。突升段峰值為1.5，回落段為0.52水平。

紅色曲線為巖石臨空面上的平均溫度變化

表3為真三軸加卸荷試驗的溫度標準差前兆信息時序特征。對真三軸加載和加卸荷兩種試驗的溫度標準差變化特征及前兆信息做了詳細分析，這兩種試驗的溫度標準差變化特征相似，在巖石試件加載破壞前，溫度標準差都會出現明顯上升現象，這種上升現象的出現預示著巖石即將發生破壞。

表3 真三軸加卸荷試驗溫度標準差前兆信息時序特征

3.3 節理巖石單軸壓縮破壞觀測面溫度標準差特征

對真三軸加載試驗試件臨空面上溫度標準差指標展開研究，分析了加載過程中溫度標準差的變化特征，發現巖石破壞前溫度標準的異常上升現象明顯。為進一步探究裂隙巖石破壞過程表面溫度標準差變化特征，開展了預制節理裂隙試樣單軸壓縮試驗。

（3）采用砂巖壓重處理后，壩體內浸潤線分布幾乎沒有變化，而加固前后上游壩坡滑裂面分布有明顯差異，加固前上游壩坡滑裂面起于下游壩坡坡頂位置，從上游壩坡坡腳位置剪出，加固后的剪出口位置上升明顯，剪出口位于砂巖頂部平面與上游壩坡坡面的交點位置。

含有預制節理裂隙的巖石在單軸壓縮破壞過程中，下部預制節理裂隙尖端處會產生應力集中，根據熱彈效應理論，物體某點處的溫度與其主應力之和成正比[17]，裂隙尖端區域應力集中，溫度變化十分明顯。圖9(a)為30 mm巖橋試件單軸壓縮破壞過程中溫度標準差變化特征圖，圖中展現了裂隙尖端區域的平均溫度和溫度標準差兩種信號隨時間的變化特征。通過對溫度標準差曲線分析可知，加載初期0～445 s時段，溫度標準差曲線呈現較明顯的振蕩變化，振蕩幅值約為0.26，曲線整體呈現上揚趨勢；445～621 s時段，溫度標準差曲線收緊，振蕩變化幅值降低，該時段內曲線變化平穩；622～976 s為溫度標準差上升時段，在距離試件破壞前354 s時，溫度標準差出現明顯上升現象，上升段內曲線斜率也較之前變大，試件破壞前溫度標準差增至2.73；977 s時，溫度標準差陡然上升至4.08，隨后逐漸回落至1.25水平。將溫度標準差曲線和溫度-時間曲線做對比分析，發現溫度標準差上升信號出現時間早于溫度-時間曲線轉折性變化，究其原因為：在試件受力過程中，預制節理裂隙尖端附近出現應力集中效應，導致該區域內的溫度變化較為顯著，試件受壓破壞前，裂隙尖端附近出現個別高溫點，高溫點引起該區域內溫度離散度增大，溫度標準差也隨之增大，在曲線上就表現出明顯上升現象，而此時溫度-時間曲線無明顯異常變化，這是由于溫度-時間曲線所采用的溫度為該區域的平均溫度，區域內的個別高溫點無法改變一個區域的平穩溫度，所以溫度-時間曲線未出現異常反應。溫度-時間曲線是反映監測面上宏觀溫度改變情況，溫度標準差是反映監測面上溫度細觀變化特征。

圖9(b)為44 mm巖橋試件單軸壓縮破壞過程中溫度標準差變化特征圖，0～582 s時間段，溫度標準差曲線呈現較明顯振蕩變化，變化幅值1.25～1.98；583～789 s時段，溫度標準差曲線收緊，振蕩變化減弱；790 s時刻標準差曲線開始出現明顯上升趨勢，約860 s時，溫度標準差上升到4.1，隨后保持在3.7左右變化，直到1 120 s時刻，溫度標準差陡然上升，升至峰值5.6，后隨即回落至2.6。溫度標準差上升時刻早于溫度-時間曲線轉折性變化171 s。

節理裂隙巖石單軸壓縮破壞過程中，下部預制節理裂隙尖端附近溫度標準差表現出明顯的階段性特征，加載初期，溫度標準差表現出明顯振蕩變化，波動幅度較大，這是因為裂隙尖端處在加載初期時出現碎巖屑剝落，導致該區域的溫度出現輕微變化。加載中前期，溫度標準差曲線出現振蕩變化減弱的收緊現象，這是由于裂隙尖端附近巖屑剝落完畢，區域內溫度處于一個平穩變化狀態，各處溫度差異十分微小。軸向應力增加到一定數值時，裂隙尖端區域內應力集中明顯，使得裂隙尖端區域內出現少量高溫點，這些高溫點引起溫度標準差突然增加。巖石試件破壞，溫度標準差陡然增加至峰值，隨后回落至低水平變化。表4為節理裂隙巖石單軸壓縮試驗溫度標準差前兆信息時序特征統計。

4 熱紅外溫度標準差敏感性分析

表5為含裂隙巖石與完整巖石的熱紅外溫度標準差敏感性對比。對比分析了溫度標準差出現時間、溫度標準差異常上升形態、溫度標準差變化量，對比分析結果為，含裂隙巖石的溫度標準差異常上升首次出現時間遠早于完整巖石溫度標準差異常出現時間，含裂隙巖石的溫度標準差異常上升值也遠高于完整巖石的異常上升值，由此可見，含裂隙巖石的溫度標準差前兆敏感性高于完整巖石的溫度標準差前兆敏感性，究其原因在于，含裂隙巖石加載過程中，溫度觀測區的應力集中現象明顯，應力集中導致觀測區內溫度異常升高明顯且出現時間較早，異常升溫引起溫度標準差變化；完整巖石試驗過程中，應力集中現象弱，臨空面上的溫度異常變化出現時間相對較晚，其溫度標準差異常變化出現時間相較于含裂隙巖石的靠后。

表5 含裂隙巖石與完整巖石的熱紅外溫度標準差敏感性對比分析

對比分析含裂隙巖石與完整巖石的溫度標準差前兆信息出現時間發現，裂隙巖石在破壞過程中溫度標準差前兆出現時間遠早于完整巖石，含裂隙的巖石在破壞前溫度標準差的敏感性更高。

5 結論

通過對真三軸加載試驗、真三軸加卸荷試驗、單軸壓縮試驗的巖樣表面溫度場變化特性研究，提出溫度標準差指標，通過溫度標準差變化特征來反映巖石表面應力集中程度，并通過溫度標準差異常上升現象來預警巖石破壞。對試驗的溫度標準差變化特征做對比分析，得出以下結論。

(2)節理裂隙巖石單軸壓縮試驗中，巖樣下部預制節理裂隙尖端區域的溫度標準差異常上升現象明顯，上升時刻比溫度曲線轉折性變化時刻提前約3 min。

(3)對比分析真三軸試驗和單軸壓縮試驗的溫度標準差變化過程，發現真三軸加載和加卸載兩種試驗的溫度標準差整體變化特征相似，單軸壓縮試驗的溫度標準差異常上升時刻早于真三軸試驗，并且單軸壓縮試驗的溫度標準差異常上升幅度也遠高于真三軸的溫度標準差異常上升幅度。

(4)含裂隙巖石的溫度標準差異常升高量高于完整巖石的溫度標準差異常上升量；含裂隙巖石的熱紅外前兆敏感性高于完整巖石的熱紅外前兆敏感性，含裂隙巖石試件中的熱紅外前兆出現時間更早且更易識別。