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作者：張毅  

  巖石受力災(zāi)變是復(fù)雜環(huán)境中的復(fù)雜現(xiàn)象，巖石災(zāi)變特征與可測(cè)物理量表現(xiàn)為多模式、多層次、多尺度，包括紅外輻射在內(nèi)的電磁輻射是巖石破裂前兆研究的重要內(nèi)容”（錢鳴高院士）。

  吳立新、劉善軍、張艷博等，對(duì)不同物理力學(xué)條件下巖石破裂失穩(wěn)過(guò)程的紅外輻射異常特征進(jìn)行了大量的探索性研究并取得了許多重要成果。文獻(xiàn)[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，煤巖和砂巖受壓破裂過(guò)程中，具有熱圖像和平均紅外溫度( AIRT)異常前兆，且晚于聲發(fā)射和電阻率前兆出現(xiàn)。文獻(xiàn)[2]對(duì)輝長(zhǎng)巖等多暗色礦物類巖石單軸加載過(guò)程的紅外溫變特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在峰后破裂階段，存在沿剪切破裂帶AIRT升高、在張性區(qū)AIRT降低的紅外溫變異�，F(xiàn)象。文獻(xiàn)[3]對(duì)含交匯預(yù)裂縫花崗巖在雙軸破裂粘滑過(guò)程中的紅外輻射特征進(jìn)行的研究表明，進(jìn)入重復(fù)粘滑階段之后，試件表面沿主裂隙帶上及交匯處出現(xiàn)了高溫輻射異常。文

獻(xiàn)[4]進(jìn)行了5種常規(guī)巖石壓剪破裂過(guò)程的紅外監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)若壓應(yīng)變占優(yōu)勢(shì)，則達(dá)到峰值應(yīng)力的80%時(shí)存在沿剪切區(qū)域的AIRT加速升溫的紅外輻射異常前兆。文獻(xiàn)[5]指出，巖石破裂紅外前兆包括AIRT時(shí)序特征異常和熱像異常2種表征形式；前者分為降溫、升溫加速和降溫轉(zhuǎn)升3種類型；后者分為高溫條帶和低溫條帶2種類型。文獻(xiàn)[6]利用接觸式測(cè)溫儀和紅外熱像儀對(duì)花崗巖和大理巖在單軸加載過(guò)程的溫變特征進(jìn)行了研究，表明巖石在破壞前存在溫度奇變點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]對(duì)巖石破裂前紅外熱像的時(shí)空演化特征分析的結(jié)果表明，巖石在塑性變形階段隨著微破裂的產(chǎn)生而出現(xiàn)的熱圖像空間分異現(xiàn)象，臨失穩(wěn)前熱圖像整體短暫降溫現(xiàn)象可分別作為巖石宏觀破裂的早、晚期紅外前兆。文獻(xiàn)[8]研究指出：煤樣表面的AIRT隨著沖擊傾向程度升高而升高，并且沖擊傾向性煤體在破壞前存在升溫前兆。文獻(xiàn)[9]研究了雙軸加載下含孑L花崗巖巖爆發(fā)生過(guò)程的紅外溫變特征，指出巖爆發(fā)生前至少出現(xiàn)兩次大范圍溫度跳變異常，且此異常早于聲發(fā)射前兆出現(xiàn)�？梢�(jiàn)，巖石破裂失穩(wěn)過(guò)程存在紅外異常前兆，其表征形式主要集中于AIRT時(shí)序特征異常和熱像異常2種形式。

  AIRT代表巖石總的紅外輻射強(qiáng)度，也是紅外溫度場(chǎng)的算術(shù)平均數(shù)，表征紅外溫度場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分布集中趨勢(shì)。它可削弱紅外溫度場(chǎng)的偶然性揭示必然性，尤其便于研究加載過(guò)程中紅外溫變趨勢(shì)，但也會(huì)抑制紅外前兆的突變性。根據(jù)帕累托定律，臨破裂巖石自身突變所引起的紅外溫度場(chǎng)明顯異常可能主要集中于某一較小區(qū)域內(nèi)；加載后期，微破裂大量發(fā)育，剪破裂面摩擦加劇，可能導(dǎo)致高溫區(qū)域異常。此異常對(duì)巖石受力災(zāi)變預(yù)測(cè)具有一定的指示性意義，而關(guān)于受載巖石紅外溫度場(chǎng)高溫區(qū)域變化特征的文獻(xiàn)卻鮮有報(bào)道。因此，為從局部層面探尋巖石破裂失穩(wěn)過(guò)程的紅外異常前兆，進(jìn)行了粉砂巖單軸壓縮下的紅外監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)直方分布特征將紅外溫度場(chǎng)劃分為包括高溫區(qū)域在內(nèi)的三個(gè)溫度區(qū)域，并以高溫區(qū)域特征值變化異常為重點(diǎn)展開(kāi)了研究。

1  實(shí)驗(yàn)部分

  選用粉砂巖（泥質(zhì)含量約32%），制備50mm×50mm×lOOmm規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)柱體試件5塊，分別表號(hào)為S1、S2、S3、S4、S5，仔細(xì)研磨兩端，使上下表面平等度符合試驗(yàn)要求。為增強(qiáng)巖石紅外輻射效應(yīng)，將試件置于50。純水中浸泡4h，待試件表面干燥后，用保鮮膜密封。實(shí)驗(yàn)在RIJW-3000型伺服試驗(yàn)系統(tǒng)上完成，先預(yù)加載至1. 5kN，以保證試件與加載面完全接觸，隨后以1.5 mm／min勻速加載，開(kāi)啟美國(guó)SC3000紅外實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直到試件破壞。

2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1  高溫區(qū)劃

  以熱像儀溫度靈敏度(0. 03 K)為組距可畫出各時(shí)刻的紅外溫度場(chǎng)的頻數(shù)直方圖，通過(guò)觀察對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同粉砂巖試件單軸壓縮過(guò)程的溫度場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分布變化特征較為相似，限于篇幅現(xiàn)以S2試件為例說(shuō)明試件加載過(guò)程的溫度場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分布變化特征，以加載350秒時(shí)刻溫度場(chǎng)為例說(shuō)明不同試件溫度場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分布的共性特征。

2.1.1  荷載一時(shí)間曲線

圖1是試件S2加載過(guò)程的荷載一時(shí)間曲線，從中可知，加載過(guò)程可分成初始?jí)好�、彈性、塑性和峰后破�?個(gè)階段。初始?jí)好茈A段，曲線下凹，荷載處于較低水平；彈性階段，曲線近似于直線狀；塑性階段，曲線略微上凸，荷載處于較高水平；峰后破壞階段，試件強(qiáng)度逐漸降低。為研究不同階段的紅外溫度場(chǎng)直方圖特征，分別對(duì)S2試件加載過(guò)程中A(lOOs)、B(230s)、C(340s)、D(440s)、E(475s)、F(530s)六個(gè)代表性時(shí)刻（見(jiàn)圖1標(biāo)號(hào)）的溫度場(chǎng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

2.1.2溫度場(chǎng)頻數(shù)直方圖分析

在直角坐標(biāo)系中，以組距為橫坐標(biāo)，以頻數(shù)為縱坐標(biāo)，以各組中值為中心、組距為底、各組頻數(shù)為高，做出矩形，即可得到頻數(shù)直方圖。它既能簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)又可突出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布及結(jié)構(gòu)特征。圖2、圖3分別為同一試件不同時(shí)刻溫度場(chǎng)頻數(shù)直方分布圖、同一時(shí)刻不同試件溫度場(chǎng)直方分布圖，它們均為非對(duì)稱右偏分布，觀察其共性特征，可將溫度場(chǎng)的頻數(shù)直方分布圖可分成三個(gè)區(qū)間（圖2A），分別稱為低溫、中溫和高溫區(qū)間；在低溫區(qū)間內(nèi)，以溫度最小值為區(qū)間下限，溫度最小值到眾數(shù)的距離關(guān)于眾數(shù)對(duì)稱的區(qū)間內(nèi)，溫度場(chǎng)近似服從高斯分布；在中溫區(qū)間內(nèi)，溫度場(chǎng)直方分布圖類似于直角梯形，并且明顯存在某一臨界溫度，臨界值以前頻數(shù)穩(wěn)定且普遍處于較高水平，之后頻數(shù)亦較為穩(wěn)定但普遍處于較低水平；對(duì)于高溫區(qū)間，可定性地看出，試件不同時(shí)刻區(qū)間長(zhǎng)度及累計(jì)頻數(shù)變化較為明顯，臨近破裂或存在明顯異常前兆。

2.1.3溫度場(chǎng)區(qū)域劃分

  根據(jù)以上分析，三個(gè)溫度區(qū)間可分別定量表示為[Tmin，2 TM -Tmin]、[2TM - Tmin,T+kÓÓ]、[T

+kÓÓ，Tmax]，其中，Tmin、TM、T、ÓÓ、Tmax、k分別為溫度場(chǎng)最小值、眾數(shù)、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和待定系數(shù)。根據(jù)分布圖中的高溫區(qū)間下臨界溫度，經(jīng)計(jì)算得K值介于[1.8，2.1]，之間；通常將符合高斯分布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)偏離均值超過(guò)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)稱為異常數(shù)據(jù)。為此將K值賦為2。對(duì)應(yīng)地，溫度場(chǎng)亦可分成低、中、高溫三個(gè)溫度區(qū)域。經(jīng)分析，此次實(shí)驗(yàn)溫度場(chǎng)中低、中溫區(qū)的特征值規(guī)律性不強(qiáng)，故在此不做討論。

2.2巖石臨失穩(wěn)的紅外高溫區(qū)域異常

2.2.1  面積比變化異常

  高溫區(qū)域面積的變化可一定程度上反映巖石升溫效應(yīng)強(qiáng)弱。加載后期，微破裂大量發(fā)育，摩擦熱效應(yīng)加強(qiáng)，可能導(dǎo)致高溫區(qū)域發(fā)生面積突變。為便于比較不同試件加載過(guò)程中高溫區(qū)面積變化特征，做出了高溫區(qū)域面積比（高溫區(qū)域面積與熱圖像中巖石面積之比）時(shí)間曲線，見(jiàn)圖4。經(jīng)對(duì)比分析得，加載過(guò)程中高溫區(qū)域面積比變化特征統(tǒng)計(jì)表（表1）。根據(jù)荷載一時(shí)間曲線，可將應(yīng)變過(guò)程分成壓密階段、彈塑性階段和塑性一峰后破壞階段。由表1可知，所統(tǒng)計(jì)的面積比變化特征及異常前兆出現(xiàn)概率均大于60%，屬于共性特征，據(jù)此可將粉砂巖加

載過(guò)程的紅外高溫區(qū)域面積比變化的一般特征概括為：全過(guò)程可分為三個(gè)階段；階段工呈遞減趨勢(shì)，階段Ⅱ波動(dòng)加劇，階段Ⅲ呈遞增趨勢(shì)；失穩(wěn)前存在突增的異常前兆，此前兆傾向于峰值應(yīng)力附近或之后出現(xiàn)。

2.2.2溫均面積比變化異常

極差為區(qū)間最大值與最小值之差。為研究高溫區(qū)單位溫度區(qū)間內(nèi)面積比的變化特征，構(gòu)造了強(qiáng)度相對(duì)數(shù)一溫均面積比（面積比與極差的比值）。圖5分別為各試件加載過(guò)程的高溫區(qū)間溫均面積比時(shí)序曲線圖，根據(jù)荷載一時(shí)間曲線，可將應(yīng)變過(guò)程分成壓密一彈性階段、彈性階段和塑性峰后破壞階段。經(jīng)過(guò)對(duì)加載過(guò)程中高溫區(qū)溫均面積比變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得到表2，從中可知，所統(tǒng)計(jì)的溫均面積比變化特征及異常前兆出現(xiàn)概率均大于60%，屬于共性特征，據(jù)此將粉砂巖加載過(guò)程的高溫區(qū)溫均面積比變化的一般特征可概括為：曲線全過(guò)程遞增并可分為三個(gè)階段；階段I遞增但趨勢(shì)平緩，階段Ⅱ遞增且斜率較大，階段Ⅲ遞增且斜率更大；失穩(wěn)前存在突增的異常前兆，此前兆傾向于峰值應(yīng)力附近或之后出現(xiàn)。

3  結(jié)  論

  1)粉砂巖單軸壓縮下的紅外溫度場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)分布為非對(duì)稱右偏分布；根據(jù)頻數(shù)分布圖的時(shí)序特征，可將溫度場(chǎng)分成低溫、中溫、高溫三個(gè)溫度區(qū)域，其中高溫區(qū)間下限可取為均值與2倍標(biāo)準(zhǔn)差之和。

  2)通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：粉砂巖破壞失穩(wěn)過(guò)程中存在紅外高溫區(qū)域異常前兆，此前兆可由面積比、溫均面積比（面積比／極差）等形式表征，面積比和溫均面積比異常前兆表現(xiàn)為臨破裂突增異常，出現(xiàn)頻率較高，分別可達(dá)80%和60%；另外，高溫區(qū)異常前兆普遍晚于峰值應(yīng)力出現(xiàn)。

3)本文只對(duì)單軸壓縮條件下的粉砂巖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，不同物理力學(xué)條件下、其它巖石的紅外高溫區(qū)域異常前兆是否存在、出現(xiàn)頻率等問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。

4摘要：臨破裂巖石自身突變所引起的紅外溫度場(chǎng)異�？赡苤饕�集中于某一較小區(qū)域內(nèi)。為從局部層面探尋巖石破裂失穩(wěn)過(guò)程的紅外異常前兆，進(jìn)行了粉砂巖單軸壓縮下的紅外監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)直方分布特征將紅外溫度場(chǎng)劃分為包括高溫區(qū)域在內(nèi)的三個(gè)溫度區(qū)域，并以高溫區(qū)域特征值變化異常為重點(diǎn)展開(kāi)研究。結(jié)果表明：粉砂巖破壞失穩(wěn)過(guò)程中存在紅外高溫區(qū)域異常前兆，其表征形式主要包括高溫區(qū)域面積比、溫均面積比（面積比／極差）等形式；面積比、溫均面積比異常前兆表現(xiàn)為臨破裂突增異常，出現(xiàn)頻率分別可達(dá)80%和60%;另外，高溫區(qū)域異常前兆普遍晚于峰值應(yīng)力出現(xiàn)。研究結(jié)果對(duì)巖石受力災(zāi)變的紅外監(jiān)測(cè)及預(yù)警具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。