周子龍，劉洋，蔡鑫，常銀,2，高山

(1. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 中南大學(xué)教師教學(xué)發(fā)展中心，湖南 長(zhǎng)沙，410083；3.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧，530029)

隨著礦山、隧道等領(lǐng)域的快速發(fā)展，地下巖石工程面臨著許多嚴(yán)峻問(wèn)題。巖爆、大規(guī)模坍塌等動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)，其突發(fā)性強(qiáng)，破壞力大，已經(jīng)嚴(yán)重威脅工程安全[1-2]，如何快速識(shí)別巖體破裂失穩(wěn)前兆并進(jìn)行災(zāi)害預(yù)報(bào)是巖石工程界長(zhǎng)期存在的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。20 世紀(jì)中后期，人們發(fā)現(xiàn)巖石破裂時(shí)會(huì)引起熱輻射現(xiàn)象。近年來(lái)，隨著紅外熱像(infrared thermography)技術(shù)的發(fā)展，紅外監(jiān)測(cè)已廣泛應(yīng)用于巖石工程災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警，深入認(rèn)識(shí)巖石破裂過(guò)程中的紅外輻射特征對(duì)遙感技術(shù)在巖石工程領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。人們利用紅外熱像儀對(duì)不同加載條件下的各類(lèi)巖石的紅外輻射特征進(jìn)行了研究，如：LUONG[3]采用紅外熱像儀監(jiān)測(cè)疲勞荷載下混凝土和鹽巖的紅外輻射特征；鄧明德等[4]在等溫加載的條件下對(duì)混凝土進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)力能夠直接引起巖石的紅外輻射能量發(fā)生變化，不需要經(jīng)歷生熱的物理過(guò)程；WU等[5-6]總結(jié)了壓縮荷載、拉伸荷載和剪切荷載下，不同種類(lèi)巖石的紅外輻射特征，并將時(shí)間-溫度曲線上突變點(diǎn)和紅外熱圖中的溫度條帶視為巖石試樣的破壞前兆；馬立強(qiáng)等[7]通過(guò)測(cè)量鉆孔方式，得到了煤巖體內(nèi)部的溫度特征，并分析了煤和泥巖受壓過(guò)程中的紅外輻射溫度，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部溫度與時(shí)間、載荷呈正相關(guān)關(guān)系；劉善軍等[8]提出了特征粗糙度、熵和方差3個(gè)定量描述受載巖石紅外輻射溫度場(chǎng)演化特征的指標(biāo)，為巖石災(zāi)變過(guò)程的紅外輻射分析提供了新思路；WANG等[9]使用紅外熱像儀監(jiān)測(cè)了單軸加載的石灰?guī)r試樣在變形破壞過(guò)程中的紅外輻射特征，將tAIR從上升到下降再到上升的現(xiàn)象確定為巖石破壞的前兆；SALAMI 等[10]對(duì)巖石和砂漿試樣開(kāi)展巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，觀察其紅外輻射溫度大的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在變形和破壞過(guò)程中，巖石試樣的裂紋周邊的溫度會(huì)升高，然而，砂漿試樣的溫度沒(méi)有發(fā)生變化，這種差異是巖石礦物顆粒破碎所致[10]。周子龍等[11]開(kāi)展了不同含水率砂巖的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了含水量對(duì)紅外輻射特征的影響，發(fā)現(xiàn)含水率越高，tAIR-時(shí)間曲線的波動(dòng)越小，溫度隨應(yīng)力升高的趨勢(shì)越明顯。周子龍等[12]對(duì)花崗巖進(jìn)行了不同加載速率下的單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加載速率越高，花崗巖的升溫速率越高。來(lái)興平等[13]研究了含裂隙煤炭破裂過(guò)程的紅外輻射特征，將紅外輻射的異常區(qū)域的遷徙特征作為煤巖破裂的重要前兆信息。CAI等[14]對(duì)飽和和干燥狀態(tài)的砂巖、花崗巖和大理巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，研究了水的存在對(duì)紅外輻射的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在同等應(yīng)力下，飽和試樣的平均紅外輻射溫度高于干燥試樣的溫度，這說(shuō)明水的存在促進(jìn)了熱能的釋放[14]。

通過(guò)以上分析可見(jiàn)，上述研究的荷載都集中于準(zhǔn)靜態(tài)，而沖擊載荷下，巖石的力學(xué)特性與紅外輻射特征的關(guān)系尚不清晰，需要進(jìn)一步研究。為此，本文采用改進(jìn)的分離式霍普金森壓桿(SHPB)系統(tǒng)對(duì)砂巖進(jìn)行不同應(yīng)變率的沖擊測(cè)試試驗(yàn)，借助紅外熱像儀監(jiān)測(cè)記錄砂巖的紅外熱像圖，分析高應(yīng)變下砂巖的紅外輻射演化規(guī)律。通過(guò)計(jì)算得到不同應(yīng)變下砂巖破壞時(shí)和初始時(shí)的平均紅外輻射溫度，建立溫度增量(ΔtAIR)與應(yīng)變率的關(guān)系。通過(guò)計(jì)算砂巖吸收的能量，分析能量密度與ΔtAIR的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)選用的試樣材料為細(xì)粒紅砂巖，取自中國(guó)云南，其主要力學(xué)和物理參數(shù)見(jiàn)表1。X射線衍射分析結(jié)果表明，砂巖中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.20%，長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.48%，方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.26%，云母質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.84%，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.77%，其他物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.45%。

表1 砂巖試樣的物理和靜態(tài)力學(xué)參數(shù)Table 1 The physical and static mechanical parameters of sandstone samples

為消除曲面對(duì)紅外輻射溫度監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性的影響，將砂巖試樣制成長(zhǎng)×寬×高為40 mm×40 mm×20 mm的長(zhǎng)方體，然后，對(duì)砂巖試樣6個(gè)端面充分打磨，使其表面平整。隨后，將所有的試樣放置于烘烤箱干燥24 h，以消除水分對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1 紅外監(jiān)測(cè)設(shè)備原理

巖石試樣能發(fā)射出波長(zhǎng)范圍較寬的電磁輻射波，只有紅外輻射波段才能表現(xiàn)出熱效應(yīng)。紅外熱成像的原理如圖1所示。當(dāng)電磁輻射波傳播到紅外熱像儀時(shí)，只有紅外輻射波段可以透過(guò)鍺透鏡，并被焦平面陣列光敏傳感器檢測(cè)到。根據(jù)波爾-茲曼定律將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為溫度，從而獲得紅外熱像圖。

圖1 紅外熱像儀原理圖Fig.1 Schematic diagram of infrared thermography

在動(dòng)態(tài)測(cè)試中采用非制冷紅外攝像儀(FLIR SC7000)采集砂巖熱像。該相機(jī)的有效波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)范圍為3.7～4.8 μm、溫度靈敏度為0.01 ℃。在本實(shí)驗(yàn)中，捕捉的紅外熱像的分辨率為112 像素×110 像素，采樣頻率為450 Hz(2.2 ms/幀)。

1.2.2 SHPB裝置

本實(shí)驗(yàn)采用直徑為50 mm 的分離式霍普金森壓桿(SHPB)系統(tǒng)進(jìn)行沖擊測(cè)試。該系統(tǒng)主要由氣腔、紡錘形沖頭、入射桿、透射桿、吸收桿和緩沖器組成。其中，紡錘形沖頭和所有桿件均由密度為7 810 kg/m3的40Cr 合金鋼制成，彈性模量為240 GPa，縱波波速為5 410 m/s，屈服強(qiáng)度為800 MPa。紡錘形沖頭和所有桿件須嚴(yán)格對(duì)芯放置，以防止在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生偏心現(xiàn)象。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)中，砂巖試樣夾持于入射桿與透射桿之間。在砂巖試樣的兩側(cè)均勻涂抹凡士林，以保證入射桿和透射桿端面緊密貼合并減小端面摩擦效應(yīng)。通過(guò)調(diào)整氣腔中氮?dú)鈮毫Ω淖儧_頭的沖擊速度，以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)變率的加載。

紅外熱像儀放置在砂巖試樣正前方1 m 處位置，以免砂巖碎屑彈射造成紅外熱像儀移動(dòng)或損壞。為保證巖石試樣與環(huán)境溫度盡可能一致，需提前24 h 將樣品放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)閉門(mén)窗，拉緊窗簾，營(yíng)造封閉的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 平均紅外輻射溫度

平均紅外輻射溫度由紅外相機(jī)配套的軟件計(jì)算處理，可以得到熱圖中任意一像素點(diǎn)位置Ni的紅外輻射溫度Ti。每張熱像圖選中的區(qū)域平均紅外輻射溫度tAIR可由下式計(jì)算：

式中：N為紅外熱像選中區(qū)域的像素點(diǎn)數(shù)量。

1.4.2 能量耗散

在SHPB試驗(yàn)中，彈性應(yīng)變能可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波由下列公式計(jì)算[15]：

式中：WI，WR和WT分別為入射能、反射能和透射能；Ae，Ce和Ee分別為桿的橫截面積、波速和彈性模量；εI，εR和εT分別為入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變。

其中，反射能和透射能是沒(méi)有被利用的能量，若桿子和試樣界面之間的能量損耗不計(jì)，則試樣吸收的能量WA為

1.4.3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡驗(yàn)證

動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡驗(yàn)證是保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠的前提。根據(jù)三波法計(jì)算砂巖試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，通過(guò)對(duì)比試樣兩側(cè)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)證[16]。沖擊載荷下砂巖試樣兩側(cè)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力見(jiàn)圖2，其中，試樣左側(cè)的應(yīng)力為入射應(yīng)力和反射應(yīng)力的總和，右側(cè)的應(yīng)力為透射應(yīng)力。從圖2可以看出：在加載過(guò)程中，試樣兩側(cè)的應(yīng)力大致保持相同，說(shuō)明動(dòng)態(tài)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)了平衡。

圖2 試樣兩側(cè)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力歷史Fig.2 Dynamic stress history at both ends of sample

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

砂巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)和紅外輻射溫度見(jiàn)表2。下面從3個(gè)方面討論和分析沖擊荷載下砂巖的紅外輻射特性。

表2 沖擊載荷下砂巖試樣參數(shù)Table 2 Parameters of specimens in dynamic test

2.1 不同應(yīng)變率下的紅外熱像特征

紅外熱像可以反映受載巖石的紅外熱輻射強(qiáng)度和演變特征[5]。在不同應(yīng)變率下，砂巖試樣的紅外熱像圖如圖3所示，選取不同應(yīng)變率下的砂巖試樣的紅外熱像進(jìn)行分析。由于受紅外相機(jī)采樣頻率限制，每組試驗(yàn)只獲得4張熱像圖。選取沖擊測(cè)試之前砂巖試樣的紅外熱像圖作為初始熱像圖，每張熱像圖上標(biāo)注的時(shí)間表示加載所經(jīng)歷的時(shí)間。

當(dāng)應(yīng)變率為97.9 s-1時(shí)，砂巖試樣DSC7并未發(fā)生破壞，其紅外熱像圖如圖3(a)所示。從圖3(a)可見(jiàn)：試樣的左端面首先出現(xiàn)2 條窄長(zhǎng)的高溫條帶，隨著荷載增加，2個(gè)條帶繼續(xù)延伸貫穿，并最終連接成為1條高溫帶；試樣表面其他區(qū)域并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，說(shuō)明在較低應(yīng)變率下，巖石并沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷和破壞。應(yīng)變率為117.4 s-1時(shí)的紅外熱像如圖3(b)所示。從圖3(b)可見(jiàn)：由于入射桿和試樣之間的摩擦效應(yīng)，試樣的整個(gè)左端面溫度顯著升高；在4.4 ms時(shí)，試樣表面出現(xiàn)2條高溫帶，并最終在對(duì)應(yīng)的區(qū)域形成斷裂。應(yīng)變率為139.0 s-1時(shí)的紅外熱像圖如圖3(c)所示。從圖3(c)可見(jiàn)：在4.4 ms 時(shí)，試樣表面出現(xiàn)幾條水平分布的高溫帶，最終試樣被分割成若干縱向碎片，這可能是泊松效應(yīng)引起的軸向斷裂；隨著應(yīng)變率進(jìn)一步增高，試樣破壞程度更劇烈。從圖3(d)和圖3(e)可以看出大量高溫巖石碎屑向外噴射，這是因?yàn)樵跇O高的應(yīng)變率下試樣發(fā)生粉碎破壞，形成了大量的巖石碎屑顆粒。與較低應(yīng)變率不同的是，此時(shí)，最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在試樣的右側(cè)端面，這可能是因?yàn)榉瓷涞睦瓚?yīng)力引起試樣右端部斷裂[17]。

圖3 不同應(yīng)變率下砂巖試樣的紅外熱像圖Fig.3 Thermograms of sandstone samples at different strain rates

為了進(jìn)一步對(duì)比不同應(yīng)變率下砂巖破壞時(shí)的紅外熱輻射特征，對(duì)紅外熱像進(jìn)行差值處理。選擇加載開(kāi)始前的第1幀熱像圖作為基準(zhǔn)熱圖，破壞時(shí)的熱像圖作為目標(biāo)熱圖，利用紅外相機(jī)配套的處理軟件，計(jì)算目標(biāo)熱圖與基準(zhǔn)熱圖中相同像素點(diǎn)位置的溫度差，由此得到的差值熱像圖可以反映砂巖破壞時(shí)的溫度變化。表3所示為砂巖初始時(shí)刻、破壞時(shí)刻區(qū)域O的紅外差值熱像和破碎圖片。從表3 可以看出：當(dāng)應(yīng)變率為117.4 s-1時(shí)，巖石表面裂隙區(qū)域的溫度升高明顯，其他區(qū)域的溫度只是輕微變化，此時(shí)，試樣以劈裂破壞為主；當(dāng)應(yīng)變率為139.0 s-1時(shí)，試樣表面形成大量裂隙，整體溫度升高，試樣破碎塊度較大；隨著應(yīng)變率繼續(xù)升高，破壞時(shí)的紅外輻射更加強(qiáng)烈，砂巖發(fā)生粉碎破壞。

表3 砂巖試樣的紅外差值熱像及破碎圖片Table 3 Infrared differential thermograms and crushing images of sandstone samples

對(duì)不同應(yīng)變率下砂巖的紅外熱像演化以及破壞時(shí)的差值熱像進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：在沖擊載荷下，砂巖表面紅外輻射溫度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)；應(yīng)變率越高，巖石破碎越劇烈，此時(shí)，紅外熱輻射更加劇烈；同時(shí)，試樣表面上高溫條帶出現(xiàn)的位置與裂隙形成的區(qū)域相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明局部應(yīng)力集中會(huì)引起紅外輻射溫度發(fā)生變化。

2.2 不同應(yīng)變率下的紅外輻射溫度變化特征

平均紅外輻射溫度(tAIR)是衡量輻射能量強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)[6]。從圖3 可以看出，砂巖試樣與沖擊桿接觸面的溫度升高是摩擦效應(yīng)引起的，界面摩擦產(chǎn)生的熱量與巖石試樣的破壞或斷裂過(guò)程無(wú)關(guān)。在討論應(yīng)變率對(duì)紅外輻射的影響時(shí)，應(yīng)將這部分紅外溫度排除在外，故選取試樣表面中心區(qū)域O(45像素×65像素)的平均紅外溫度代表試樣表面整體溫度。通過(guò)軟件導(dǎo)出區(qū)域O內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)的溫度，通過(guò)計(jì)算得到特定時(shí)刻的平均紅外輻射溫度，計(jì)算斷裂時(shí)刻與初始時(shí)刻平均紅外輻射溫度的差值(定義為溫度變化量ΔtAIR)，結(jié)果見(jiàn)表2。應(yīng)變率與砂巖平均紅外輻射溫度變化量的關(guān)系，如圖4所示。從圖4可見(jiàn)：隨著應(yīng)變率增大，平均紅外輻射溫度增量呈冪函數(shù)增加。其原因是：1)由于應(yīng)變率效應(yīng)，試樣的動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加而增加，這使得試樣在破碎前儲(chǔ)存了更多的應(yīng)變能，在巖石斷裂破壞過(guò)程中，更多的能量以熱能的形式耗散，從而紅外輻射溫度變化量增大；2)隨著應(yīng)變率增大，巖石破碎更加劇烈，試樣表面高溫條帶數(shù)量明顯增多，同時(shí)伴隨著大量的高溫巖石碎屑向外彈射，造成平均紅外輻射溫度變化量上升；3)在沖擊荷載下，快速的能量輸入刺激了礦物分子的能級(jí)躍遷，也會(huì)激發(fā)強(qiáng)烈的紅外輻射能量[18]。

圖4 不同應(yīng)變率下砂巖試樣的ΔtAIRFig.4 ΔtAIR of sandstone samples at different strain rates

2.3 紅外輻射溫度增量與能量密度的關(guān)系

巖石破壞過(guò)程中伴隨復(fù)雜的能量耗散，而熱能是其耗散方式之一。本實(shí)驗(yàn)中，平均紅外輻射溫度變化量(ΔtAIR)是衡量熱能耗散的重要指標(biāo)。

圖5 所示為砂巖試樣的能量密度與ΔtAIR的關(guān)系。從圖5可以看出：砂巖試樣的平均紅外輻射溫度增量隨著能量密度增加呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系增加；當(dāng)試樣的能量密度較低時(shí)，溫度增量先緩慢增加，隨著能量密度持續(xù)升高，溫度增量急劇增加。這可能是由于應(yīng)變率的增加，試樣在破壞前儲(chǔ)存更多的應(yīng)變能，在試樣破壞時(shí)，大量的能量以熱能的形式耗散熱，導(dǎo)致巖石試樣表面紅外溫度大幅度上升。

圖5 砂巖試樣的能量密度x與ΔtAIR 的關(guān)系Fig.5 ΔtAIR versus energy density of sandstone samples

3 討論

在沖擊荷載下，不同應(yīng)變率下砂巖試樣的紅外熱像時(shí)空演化規(guī)律基本相似。隨著荷載增大，試樣表面開(kāi)始出現(xiàn)高溫條帶，然后繼續(xù)擴(kuò)展延伸，在對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)裂隙。隨著應(yīng)變率增大，試樣表面的高溫條帶數(shù)量不斷增多，并伴隨更多的高溫巖石碎屑向外彈射，砂巖破碎程度更加嚴(yán)重。這說(shuō)明紅外輻射特征可以定性地反映巖石內(nèi)部的微破裂和應(yīng)力變化情況。

在沖擊荷載下，熱彈效應(yīng)和熱摩擦效應(yīng)是紅外熱輻射強(qiáng)度變化的主要原因。當(dāng)施加荷載時(shí)，砂巖試樣與入射桿接觸面的溫度首先升高，這可能是端面的摩擦效應(yīng)引起的。隨著荷載增加，部分砂巖試樣右端面的溫度出現(xiàn)劇烈升高現(xiàn)象，這可能是試樣右端的反射拉應(yīng)力所致。根據(jù)擬合結(jié)果，砂巖試樣破壞時(shí)刻與初始時(shí)刻的平均紅外輻射溫度增量隨著應(yīng)變率增加而增加，兩者呈冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)應(yīng)變率較低時(shí)，試樣僅發(fā)生局部破壞，試樣表面產(chǎn)生的裂隙較少，紅外輻射溫度增量也不大；隨著應(yīng)變率增加，摩擦效應(yīng)逐漸占主導(dǎo)作用，此時(shí)試樣呈粉碎性破壞，并伴隨著大量高溫碎屑向外噴射。由于巖石碎塊尺度小、碎屑多，裂隙粗糙度增大，產(chǎn)生的摩擦熱也就越多。從能量耗散的角度看，由于率依賴(lài)性，隨著應(yīng)變率增高，試樣的能量密度越高，當(dāng)試樣發(fā)生破壞時(shí)，存儲(chǔ)的能量以熱能形式耗散，引起紅外輻射溫度大幅度升高，因此，平均紅外輻射溫度增量隨著能量密度增加而增加。

紅外輻射監(jiān)測(cè)作為一種實(shí)時(shí)的、無(wú)損的技術(shù)，已經(jīng)成為巖土災(zāi)害遙感預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)的有效手段。本文通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，了解動(dòng)載下巖石變形破壞的紅外輻射演化特征以及溫度變化規(guī)律，旨在解釋實(shí)際工程中監(jiān)測(cè)的紅外輻射現(xiàn)象，為遙感技術(shù)在巖石動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

1)從紅外熱像演化規(guī)律可以看出，在加載過(guò)程中，試樣表面的高溫條帶位置與實(shí)際破壞發(fā)生的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。隨著應(yīng)變率增加，試樣表面的高溫帶數(shù)量也增加，并伴隨大量的高溫巖屑向外彈射。可以認(rèn)為，紅外輻射越劇烈，砂巖破壞越嚴(yán)重。

2)沖擊荷載下砂巖平均紅外輻射溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著應(yīng)變率增加，平均紅外輻射溫度增量不斷增加，并且兩者呈冪函數(shù)關(guān)系。

3)砂巖試樣吸收的能量與平均紅外輻射溫度增量(ΔtAIR)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。隨著能量密度升高，ΔtAIR先緩慢增加再急劇增加。

4)在沖擊荷載下，熱彈效應(yīng)和熱摩擦效應(yīng)是砂巖紅外輻射溫度變化的主要原因，隨著應(yīng)變率增加，摩擦熱逐漸占主導(dǎo)作用。