花崗巖破裂滲水過程紅外輻射與聲發(fā)射特征研究*

張艷博 陳賓賓 景廣輝

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國在公路、鐵路、城市市政工程等基礎(chǔ)設(shè)施方面加大了投入，隧道與地下工程也得到了前所未有的發(fā)展。在隧道建設(shè)過程中，透水問題也日益嚴(yán)重，尤其是近幾年，隧道透水事故頻繁發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失，嚴(yán)重影響和制約著工程建設(shè)的發(fā)展［1-3］。本研究為探索花崗巖在破裂與滲水過程中的聲發(fā)射及紅外輻射特征，對(duì)花崗巖試樣進(jìn)行了有水壓條件下的單軸加載實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究花崗巖破裂與滲水時(shí)的紅外輻射及聲發(fā)射異常前兆信息，為隧道透水預(yù)警的遙感監(jiān)測奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 研究方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

聲發(fā)射設(shè)備為美國聲學(xué)物理公司生產(chǎn)的PCI－2型聲發(fā)射系統(tǒng)，其中心頻率為50 kHz，采集速率為1 MHz，增益40 dB，帶寬10 ～2 000 kHz。采用美國Therma CAM SC3000高性能量子阱紅外熱像儀采集紅外數(shù)據(jù)，波長范圍7.5～13μm，測溫范圍 －40～+500℃，其溫度靈敏度為0.02℃，圖像分辨率為640×480像素。壓力機(jī)采用WAW－2000微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)。水壓由具有自動(dòng)補(bǔ)壓功能的3D－SY型電動(dòng)試壓泵控制，

1.2 試樣制備

花崗巖試樣取自邯鄲某鐵礦，經(jīng)切割、打磨，花崗巖被制成110 mm的立方體試件。先用專用鉆孔機(jī)在某個(gè)表面的中心鉆 32 m的圓孔，圓孔留下約30 mm厚度不鉆透，然后在與其相對(duì)的表面中心鉆同樣直徑的圓孔，作為觀測孔，該孔的深度為20 mm左右。在受載的2個(gè)端面進(jìn)行精細(xì)打磨，保證試件兩端面平整，并且不平行度控制在0.1 mm以內(nèi)，避免在加載過程中，因受到偏壓形成局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生不正常聲發(fā)射信號(hào)與紅外輻射特征影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

為便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析，實(shí)驗(yàn)前對(duì)所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的時(shí)間進(jìn)行同步校正。實(shí)驗(yàn)時(shí)先將水壓加至0.2 MPa并保持水壓不變，然后壓力機(jī)、熱像儀和聲發(fā)射同時(shí)開始實(shí)驗(yàn)。其中壓力機(jī)以0.3 mm/min加載速率等位移加載，聲發(fā)射采樣率為1 MHz。紅外輻射極易受到外界干擾，實(shí)驗(yàn)中主要采取以下措施避免:①用聚四氟乙烯薄片制作加載頭絕熱墊塊，以防止加載頭對(duì)樣品的傳熱作用;②實(shí)驗(yàn)時(shí)將窗簾拉上或在晚上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以防止太陽輻射的不確定性影響;③制作試樣遮蔽箱，以減少周圍環(huán)境對(duì)試樣進(jìn)行的紅外輻射和反射，使樣品在加載期間處于環(huán)境輻射恒定狀態(tài);④實(shí)驗(yàn)過程中，為防止人體輻射的不確定性干擾，所有人員禁止走動(dòng)。此外，為防止實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣破裂飛濺或突水造成人員傷害和儀器損壞，應(yīng)做好相應(yīng)的防護(hù)措施及應(yīng)急措施。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分析

從圖1中的載荷－時(shí)間曲線可以發(fā)現(xiàn)，0A段載荷曲線變化平穩(wěn);之后AB段，載荷曲線開始上升，巖石處于微裂隙加密階段;BC段內(nèi)，載荷曲線上升變陡，巖石內(nèi)部微觀裂隙開始發(fā)育，巖石處于線彈性變形階段;C點(diǎn)之后，載荷曲線上升加速，表明進(jìn)入了微觀裂隙擴(kuò)展階段;D點(diǎn)時(shí)載荷達(dá)到最大值，之后急劇下降。

圖1 試樣載荷和輻射溫度－時(shí)間變化曲線

2.2 紅外輻射特征分析

2.2.1 紅外輻射的時(shí)間序列分析

在熱像儀拍攝的熱像中，試樣的每個(gè)像素分別對(duì)應(yīng)試樣某部分的輻射溫度。紅外輻射溫度又是紅外輻射強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，以輻射溫度定量地反映試樣在加載過程的紅外輻射的變化情況。本研究以熱像儀觀測的試樣表面的平均紅外輻射溫度(AIRT)分析總體輻射變化。對(duì)最早出現(xiàn)滲水的位置進(jìn)行重點(diǎn)研究，繪制該區(qū)域的輻射溫度時(shí)間變化曲線，研究滲水點(diǎn)在整個(gè)加載過程中的輻射溫度變化情況，其結(jié)果如圖1所示。

通過對(duì)滲水點(diǎn)整個(gè)加載過程輻射溫度－時(shí)間曲線的研究，主要發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)特征:①在加載至滲水前，巖石表面的紅外輻射溫度會(huì)經(jīng)歷幾次比較明顯的升溫過程，上升幅度在0.1℃以上，這是由巖石表面的微裂隙相互摩擦生熱產(chǎn)生的;②溫度下降發(fā)生在極限應(yīng)力的40%～60%，溫度下降表明巖石表面開始滲水;③滲水點(diǎn)表面的紅外輻射溫度在整個(gè)滲水過程中表現(xiàn)為“先降后升”的現(xiàn)象。降溫是由于巖石表面滲水所致。升溫現(xiàn)象是因?yàn)殡S著巖石的繼續(xù)加載，裂隙閉合過程中摩擦生熱導(dǎo)致溫度上升。

2.2.2 紅外輻射的空間序列分析

花崗巖試件表面紅外輻射溫度場變化可由紅外熱像儀獲得的紅外熱像圖反映。它是紅外輻射強(qiáng)度在試樣觀測表面的分布，其輻射溫度隨時(shí)間變化的空間分布特征也是定性分析巖石破裂的紅外前兆規(guī)律的基礎(chǔ)。利用其可以獲得試件表面輻射溫度場的動(dòng)態(tài)變化信息，從而了解巖石試件在加載過程中表面熱場分布及其遷移特征。

為了減少試件因各部位輻射率差異以及環(huán)境因素造成的輻射場不均所帶來的影響，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理中，對(duì)加載過程中獲得的熱像做差值處理，即把每幅圖像和采樣開始前的第1幅圖像相減。通過對(duì)得到的差值圖像的輻射溫度場的空間變化分析，得到巖石加載過程中紅外輻射溫度場的時(shí)空變化特征，見圖2。

圖2 花崗巖試樣加載過程的紅外熱像時(shí)空序列

對(duì)圖2分析發(fā)現(xiàn)，在50 s(對(duì)應(yīng)圖1中的A點(diǎn))之前，試樣觀測孔的溫度基本沒有變化。50 s之后，試樣觀測孔整體輻射溫度逐步升高。在158 s時(shí)其表面的紅外輻射溫度增幅達(dá)到0.15℃，在160 s時(shí)觀測孔的在中部靠下的位置出現(xiàn)一低溫異常條帶，之后溫度繼續(xù)下降，162 s(對(duì)應(yīng)圖1中的C點(diǎn))時(shí)試樣的左上角出現(xiàn)一個(gè)低溫異常點(diǎn)，隨著加載的持續(xù)進(jìn)行低溫區(qū)不斷增大，表面輻射溫度也越來越低，在171 s時(shí)輻射溫度達(dá)到最低點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)后研究證明降溫點(diǎn)與滲水點(diǎn)的位置一致，即降溫點(diǎn)就是滲水點(diǎn)，也表明輻射溫度的降低是由于滲水造成的。在達(dá)到最低點(diǎn)后，降溫點(diǎn)的溫度又逐步回升一直持續(xù)到197 s，在這之后又轉(zhuǎn)為下降，直到加載結(jié)束。

分析整個(gè)加載過程的熱像變化信息，發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的特征:①加載前期，觀測孔表面的紅外輻射溫度整體均勻性上升;②滲水前夕，觀測孔表面會(huì)出現(xiàn)局部高溫異常點(diǎn)，隨著加載的進(jìn)行溫度持續(xù)升高;③滲水時(shí)，滲水點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)低溫異?，F(xiàn)象，異常區(qū)域范圍會(huì)隨著載荷的增加擴(kuò)大并遷移直至其輻射溫度達(dá)到最低點(diǎn)。在整個(gè)過程中，紅外輻射高溫場始終包圍低溫場。

2.3 聲發(fā)射小波包能譜分析

由采樣定理可得，當(dāng)聲發(fā)射系統(tǒng)的聲發(fā)射采樣頻率設(shè)定為1 024 kHz，其奈奎斯特(Nyquist)頻率應(yīng)為512 kHz。在分析中將信號(hào)分解為4層，則信號(hào)可分解成24=16小波包，每個(gè)小波包對(duì)應(yīng)1個(gè)頻段，則由512/16可以得到每個(gè)小波包所對(duì)應(yīng)的頻段帶寬為32 kHz。這樣得到的小波包系數(shù)是按照自然順序排列的，但是按4層小波包分解的頻率分布不是嚴(yán)格按照自然數(shù)的遞增排列的。為保證主要頻率單調(diào)遞增的性質(zhì)需對(duì)小波包分解后的系數(shù)重新排序以滿足要求。前人研究表明巖石聲發(fā)射信號(hào)采用db3小波基進(jìn)行分析比較適宜［4-7］，據(jù)此并按頻率大小順序重新排序，結(jié)果如表1。

表1 db3小波4層分解后重新排序

聲發(fā)射信號(hào)的能量是信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積，其與信號(hào)的幅度、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)相關(guān)。其反應(yīng)的并不是聲發(fā)射信號(hào)源的真實(shí)的物理能量，只是聲發(fā)射信號(hào)的相對(duì)能量或強(qiáng)度，是數(shù)學(xué)意義的程度大小的反應(yīng)。雖然聲發(fā)射能量并不是物理意義上的能量，但是其與實(shí)際能量具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，一樣具有衡量和評(píng)價(jià)材料的斷裂以及損傷程度的意義。

研究中將聲發(fā)射信號(hào)的能量定義為信號(hào)的幅度的平方。將得到的聲發(fā)射信號(hào)分解為4層，假設(shè)S4，j對(duì)應(yīng)的能量為 E4，j，則有

式中，xj，k(j=0，1，2，…，24－ 1;k=1，2，…，m;m為信號(hào)的離散采樣點(diǎn)數(shù))為重構(gòu)信號(hào)S4，j的離散點(diǎn)的幅值。

設(shè)聲發(fā)射信號(hào)的總能量為E0，則有

各頻帶的能量占信號(hào)總能量的比例為

式中，j=0，1，2，…，24－1。

利用上述處理就能得到各個(gè)頻段在總能量中的比例，從而得到某個(gè)信號(hào)頻段能量的分布規(guī)律［8-10］。實(shí)驗(yàn)中用MATLABR2011b編程實(shí)現(xiàn)上述信號(hào)數(shù)據(jù)的處理過程，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)花崗巖試件的聲發(fā)射信號(hào)在db3小波基分解成4層情況下，其信號(hào)主頻主要分布在32～128 kHz之間。圖3為該頻段能量比隨時(shí)間的變化曲線。從中可以看出150 s后該頻段能量百分比開始下降并降至最低點(diǎn)，此時(shí)段剛好為試件開始滲水的時(shí)刻。

圖3 試件信號(hào)主頻在32～128 k Hz能量百分比分布曲線

3 結(jié)論

(1)在加載過程中，隨著應(yīng)力的增加，試樣表面輻射溫度前期整體逐步升高，中期表面因摩擦形成局部高溫異常，后期由滲水而產(chǎn)生局部低溫異常。

(2)花崗巖材料破裂－滲水的紅外異常前兆表現(xiàn)為滲水點(diǎn)的輻射溫度的“先升后降”現(xiàn)象。

(3)整個(gè)破裂及滲水過程中，紅外輻射溫度表現(xiàn)為高溫場包圍低溫場的溫度場特征。

(4)花崗巖破裂滲水過程中聲發(fā)射信號(hào)主要信息的特征頻帶為32～128 kHz，且在滲水前夕該頻帶能量百分比呈下降趨勢，并在滲水發(fā)生時(shí)降至最低。

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