花岗岩单轴疲劳过程中热红外特征研究_聂磊.pdf

2023年第1期新 疆 有 色 金 属花岗岩单轴疲劳过程中热红外特征研究聂磊（成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059）摘要：利用热红外技术监测花岗岩试样单轴疲劳过程中的热红外热像演化、热红外温度变化以及温度方差随应力的响应特征。研究结果表明：（1）花岗岩试件破裂前会有明显的前兆信息，临空面有明显热像异常现象，热像异常出现位置与未来破裂处相吻合，热红外温度-时间曲线会出现异常转折性变化，热红外前兆出现先后顺序为：平均热红外温度热红外热像；（2）低周多级循环荷载作用下，应力循环造成热红外温度方差的波动变化，应力等级越高，波动响应特征越显著。关键词：疲劳荷载；热红外；温度方差；前兆DOI:10.16206/ki.65-1136/tg.2023.01.0171 引言大量学者通过传感器监测应力、应变数据，对循环荷载作用下岩石的能量演化过程及疲劳破坏特征进行了大量研究，揭示了岩石不可逆变形发展特性、周期荷载上限应力和幅值对疲劳门槛值的影响规律等开展了广泛研究。岩石破坏会发射电磁辐射，其波长范围很广，其中热红外波段具有热效应。在红外热成像相机中，用特定折射系数的锗透镜可以将热红外波从所有类别的电磁辐射中分离出来。近年来，在岩石领域，热红外技术被用于分析岩石破裂，但目前这些研究都基于岩石静力加载试验，对于循环荷载试验中的热红外监测和分析还有限。基于此，本文开展了花岗岩的低周多级循环荷载试验研究，利用热红外热像技术来监测岩石受损破裂过程，为花岗岩在循环荷载下的破坏机制提供理论依据。2 试验设计本次试验采用的花岗岩试样取自四川汶川，花岗岩试件为国际标准ISRM圆柱形试件（=50 mm，H=100 mm），试样制备按相关规范、规程进行，满足常规岩石力学试验要求，端面平整度误差为0.05，垂直度误差为0.25。单轴循环荷载试验加载采用MTS815岩石三轴试验机，可实现全曲线控制。试验中同时采用FLIR T1040红外热像仪对试件临空面的温度和热像变化进行全程监控，监测过程中，红外热像仪被放置在一个安全距离（约1.0 m），以避免破裂岩石碎片造成的损害和扰动。为尽量减少环境对热红外温度监测的影响，在测试过程中，禁止行走，关闭实验室的窗帘和窗户，关闭任何可能产生辐射的光源，样品在试验前至少放置在实验室24小时，使其与环境温度保持一致，试验装置见图1。低周多级循环加载试验中施加频率为0.5Hz的正弦波，相邻两个应力之间的上限应力差比为0.05，每个应力水平承受 30次循环。在每个应力水平后，以 1kN/s的加载速率进行静态加载。低周多级循环加载应力路径如图2所示。详细试验加载方案如表1所示。图1试验加载监测装置图图2低周多期循环加载应力路径示意图作者简介：聂磊（1998-），硕士研究生，研究方向：地质灾害风险评价及灾害预测472023年第1期新 疆 有 色 金 属表1花岗岩低周多级循环荷载试验加载值花岗岩峰值（kN）155加载等级第一级第二级第三级第四级第五级第六级第七级下限应力比0.30.30.30.30.30.30.3下限荷载（kN）46.546.546.546.546.546.546.5上限应力比0.40.450.50.550.60.650.7上限荷载（kN）6269.7577.585.2593100.75108.5循环次数303030303030303 试验结果及分析图3显示了试样在整个加载破坏过程热红外热像演化。试样加载前试样两端温度略低于中心温度（温差约 0.4），随着加载的进行，试样温度逐渐下降、高温区域逐渐缩小。前期无热像异常变化，继续加载直至813.7（882.7）s，异常亮斑出现在未来破裂区域，试件破坏前68.7s（2.4s），中部亮斑逐渐贯通，试件失稳破坏，热像异常面积达到最大，内部能量剧烈释放，温度骤升，热像上表现为高温异常区域，形成的破裂坑温度较高，热像异常明显，最终热像逐渐消散。从异常斑块出现到试件破坏期间，临空面上呈现出明显的异常斑块演化过程，破坏区域与热像异常出现区域一致，说明热像异常出现可以作为岩石破坏的前兆信息。热红外热像反映的是岩石表面温度场变化情况。岩石加载破裂前会出现不同性质的微裂纹，张性裂纹破裂鼓胀吸热，导致温度降低，产生降温热像异常，说明加载过程中花岗岩内部主要产生张拉裂纹或以张性裂纹居多引起温度降低；直至试件破坏时，表面发生宏观破坏，破裂面出现错动产生摩擦效应，摩擦生热导致温度上升，产生升温热像异常。图4反应了轴向应力、试样表面平均温度随时间的变化。试样的温度始终呈下降趋势，最终的温度降低值分别为 0.60、0.58。试件失稳破坏前，表面温度-时间曲线会出现异常转折段变化，此时温度曲线斜率由陡倾变平缓，这种变化预示着试件将要出现失稳破坏，温度前兆信息出现时刻距试件破坏240s（98.8s），出现时间早于声发射和热红外热像前兆信息。花岗岩试件濒临破裂前，热红外特征会出现热红外热像异常以及热红外温度转折性变化这些现象均可作为岩石破坏的前兆信息，各种前兆信息的时序特征为：平均热红外温度热红外热像。热红外温度方差反映的是岩石试件受压过程中表面温度场的分异和离散化程度，而不是试件温度场或能量变化，分异离散程度现象越明显，方差越大。热红外温度方差突变意味着试件表面温度发生了较明显的分异现象，而不是试件表面温度场的整体变化。热红外温度方差值与应力随时间演化如图5所示，花岗岩试件在低周循环荷载加载过程中，从整体a.试件1b.试件2图3平均热红外温度时序对比分析图a.试件1b.试件2图4疲劳荷载过程中平均热红外温度阶段性的变化特征482023年第1期新 疆 有 色 金 属上看，热红外温度方差变化幅度有限（前期略增加，后期略降低），试件破坏时，才发生明显的突变，表明试件破坏前表面温度分异现象弱，直至试件破坏表面发生宏观破坏，应力突降，热红外温度方差出现突变，表现为明显的分异现象。对循环荷载过程中红外方差进行移动平均降噪平滑处理，过滤掉时间序列中的高频扰动，保留有用的低频趋势。对比各级循环应力作用下热红外温度方差响应情况，热红外温度方差值在前四级循环过程中表现规律性较弱，随着应力等级的增加，方差值与应力具有明显的响应，方差值随应力循环表现出明显的波动特征，且应力等级越大，波动周期性越强，高应力对热红外温度方差表现出了明显的控制作用，且表现出明显的滞后性。4 结论（1）花岗岩试件破裂前会有明显的前兆信息，临空面有明显热像异常现象，热像异常出现位置与未来破裂处相吻合，热红外温度-时间曲线会出现异常转折性变化，热红外前兆出现先后顺序为：平均热红外温度热红外热像；（2）低周多级循环荷载作用下，应力循环造成热红外温度方差的波动变化，应力等级越高，波动响应特征越显著。参考文献：1葛修润.周期荷载下岩石大型三轴试件的变形和强度特性研究J.岩土力学，1987（02）:11-19.2苗胜军，刘泽京，赵星光，等.循环荷载下北山花岗岩能量耗散与损伤特征J.岩石力学与工程学报，2021，40（05）:928-938.3马立强，张垚，孙海，等.煤岩破裂过程中应力对红外辐射的控制效应试验J.煤炭学报，2017，42（01）:140-147.收稿：2022-09-21图5花岗岩试件循环荷载作用下热红外温度方差温度演化（a.加载全过程应力温度方差变化曲线，bh.7个应力等级温度方差响应图（详细）49