一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法与流程

本发明涉及岩石力学试验技术领域，尤其涉及一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法。

背景技术：

矿井、边坡和隧洞等岩土工程的失稳过程都伴随着岩石(体)的扩容现象，研究各种工程岩体的扩容特性对工程岩体稳定性评价有重要意义。有学者指出，扩容起始点应力水平不仅可以作为评价岩石内部孔隙及微裂隙发育程度的指标之一，也可以作为岩石破坏的预警应力之一。实际上，岩石是在扩容起始点时开始发生微裂隙的延伸和岩石的破坏，如将扩容起始点作为岩石破坏的前兆点应更安全可靠。岩石受载(包括扩容)过程中，会释放出包括红外辐射在内的声热电等信息。红外辐射是监测岩石破坏的有效手段之一，具有非接触、抗干扰性强等优点。虽然学者们对岩石破坏过程中的红外辐射特征进行了大量的研究，但采用红外辐射判别岩石扩容起始点的研究还未见报道。

技术实现要素：

本发明提供了一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法，旨在提供一种工序简单、可操作性强的判别岩石扩容起始点的方法。

本申请提供了一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法，其包括：

获取目标岩样加载直至破裂过程中的体积应变曲线以及红外辐射信息，通过所述体积应变曲线界定对应所述目标岩样的扩容起始点，并计算多个所述目标岩样的扩容起始点的平均应力值；

根据所述平均应力值采用百分位法确定对应所述目标岩样的红外高温点阈值；

采用频率分布直方图对所述目标岩样自扩容起始点至峰值应力的高温点比例因子范围进行统计分析，界定红外扩容前兆点；

对红外扩容前兆点后的airt曲线进行分析，寻找所述airt曲线的速率变化量大于预设阈值的节点，选择所述节点作为岩样的扩容起始点。

本发明实施例通过计算多个目标岩样的扩容起始点的平均应力值，根据平均应力值确定对应目标岩样的红外高温点阈值，再采用频率分布直方图对目标岩样自扩容起始点至峰值应力的高温点比例因子范围进行统计分析，界定红外扩容前兆点，对红外扩容前兆点后的airt曲线进行分析，寻找airt曲线的速率有变化的节点作为岩样的扩容起始点，通过红外法判别岩石扩容起始点使得判断岩样扩容起始点的工序更加简单，而且可操作性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法的示意流程图；

图2是本发明实施例提供的一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法的目标岩样红外辐射观测系统示意图；

图3是本发明实施例提供的一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法的目标岩样的airt上升型岩样体积应变-应力-airt图；

图4是本发明实施例提供的一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法的目标岩样的airt下降型岩样体积应变-应力-airt图；

图5是本发明实施例提供的一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法的目标岩样的预设百分位点的上升型岩样的温度比例因子曲线；

图6是本发明实施例提供的一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法的目标岩样的预设百分位点的下降型岩样的温度比例因子曲线；

图7是本发明实施例提供的一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法的目标岩样的上升型岩样的高温点比例因子曲线；

图8是本发明实施例提供的一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法的目标岩样的下降型岩样的高温点比例因子曲线；

图9是本发明实施例提供的一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法的目标岩样的上升型岩样的高温点比例因子频率分布直方图；

图10是本发明实施例提供的一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法的目标岩样的下降型岩样的高温点比例因子频率分布直方图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

根据国标gb/t2356《煤和岩石物理力学性质测定方法》进行岩石的单轴抗压试验，过程中将红外热像仪放置在距试件正前方1m处，将压力机、应变仪和红外热像仪的时钟调整一致，压力机、应变仪和红外热像仪同步记录岩样的应力、应变和红外辐射等信息。

试验数据处理：

体积应变(εv)是表征承载岩石体积变化程度的物理量。根据材料力学定义体积应变为：

εv＝(v0-v)/v0

式中：εv为体积应变，v0、v分别为试件变形前后的体积。

对于长方体试件有：

εv＝ε1+ε2+ε3

式中：ε1为纵向应变，ε2和ε3为横向应变。

对于圆柱体试件有：

εv＝(1+εx)²(1+εy)-1

式中：εx、εy分别为圆柱体环向与轴向测得的应变值。

高温点阈值

在红外热像图中，将温度值超过某临界值的采样点称为高温点，该临界值称为高温点阈值。将试件扩容起始点的平均应力水平对应的红外热像图中各温度点按升序排列，得到序列{x(i),i＝1,2,3,…,n}，则α百分位计算公式如下：

xα＝(1-α)xj-bxj+1

式中：j为xj在{x(i)}中的排列序号，j＝floor(p(n+1)),floor()为向下取整函数；p为{x(i)}中所有小于等于xα的概率，即p＝n{xj<xα}/n；b为权重系数，b＝p(n+1)-j；α介于0-99之间取整，α百分位后的值即为高温点。

高温点比例因子

在红外热像图中，将高温点的数量占温度点总数的比例定义为高温点比例因子，公式如下:

式中：m为红外热像图内高温点数量，m为红外热像图内温度点的总数。

请参阅图1，图1是本申请一实施例提供的一种判别岩石扩容起始点的红外试验方法的示意流程图。如图1所示，该判别岩石扩容起始点的红外试验方法包括步骤s101～s104。

步骤s101：获取目标岩样加载直至破裂过程中的体积应变曲线以及红外辐射信息，通过所述体积应变曲线界定对应所述目标岩样的扩容起始点，并计算多个所述目标岩样的扩容起始点的平均应力值。

具体地，参见图2-图4，利用红外辐射探测装置探测并存储岩石加载直至破裂过程中的红外辐射信息(原始红外热像序列图)，根据体积应变曲线界定扩容起始点，将体积应变曲线最低点定为扩容起始点，并计算所有试件扩容起始点的平均应力水平。图2中，1为目标岩样，2为应变片，3为压力机，4为应变监测系统，5为红外监测系统，6为红外热像仪。

步骤s102：根据所述平均应力值采用百分位法确定对应所述目标岩样的红外高温点阈值。

步骤s103：采用如图9和图10所示的频率分布直方图对所述目标岩样自扩容起始点至峰值应力的高温点比例因子范围进行统计分析，界定红外扩容前兆点。

步骤s104：对红外扩容前兆点后的airt曲线进行分析，寻找所述airt曲线的速率变化量大于预设阈值的节点，选择所述节点作为岩样的扩容起始点。

具体地，对于红外扩容前兆点至峰值应力阶段，上升型岩样扩容起始点后的airt上升速率加快，而下降型岩样扩容起始点后的airt下降速率降低。例如：岩样红外扩容前兆点的应力水平为0.44～0.79σmax(平均0.61σmax)，其中airt上升型岩样扩容红外前兆点的应力水平为0.44～0.65σmax(平均0.58σmax)，与扩容起始点相距0.04～0.29σmax(平均0.16σmax)；airt下降升型岩样红外扩容前兆点的应力水平为0.54～0.79σmax(平均0.65σmax)，与扩容起始点相距0.04～0.22σmax(平均0.15σmax)。扩容红外前兆点出现在岩石扩容起始点之前，其不仅可以作为岩石扩容的初始判据，也可以作为岩石破坏的早期前兆点。对于airt下降型岩石，可以对airt曲线进行分析，寻找airt速率改变量大于0.28×10-4℃·s-1的点，该点即为扩容起始点。对于airt上升型岩石，由于岩石加载初期airt速率有变化，因此可采用扩容红外前兆点排除加载初期airt速率的变化点，再对扩容红外前兆点后的airt曲线进行分析，寻找airt速率变化量大于0.35×10-4℃·s-1的点，该点即为红外扩容起始点。

具体地，通过计算多个目标岩样的扩容起始点的平均应力值，根据平均应力值确定对应目标岩样的红外高温点阈值，再采用频率分布直方图对目标岩样自扩容起始点至峰值应力的高温点比例因子范围进行统计分析，界定红外扩容前兆点，对红外扩容前兆点后的airt曲线进行分析，寻找airt曲线的速率有变化的节点作为岩样的扩容起始点，通过红外法判别岩石扩容起始点使得判断岩样扩容起始点的工序更加简单，而且可操作性强。

在一实施例中，所述根据所述平均应力值确定对应所述目标岩样的红外高温点阈值包括将所述平均应力值对应的每组所述目标岩样的一帧红外热像序列按升序排列，绘制对应于所述红外热像序列中多个预设百分位点对应的高温点比例因子-时间曲线，选择峰值应力前高温点比例因子与时间呈线性且相关性系数最高的高温点比例因子-时间曲线对应的百分位点作为红外高温点阈值。

参见图5-图8，具体地，将试件扩容起始点平均应力水平对应的一帧红外热像序列按升序排列，可例如绘制第60、70和80百分位点对应的高温点比例因子—时间曲线，选择第60、70和80百分位点中在峰值应力前高温点比例因子与时间呈线性且相关性系数最高的曲线的百分位作为红外高温点阈值。

在一实施例中，所述界定红外扩容前兆点包括将所述高温点比例因子范围外最靠近扩容起始点的高温点比例因子作为红外扩容前兆点。

在一实施例中，若所述高温点比例因子-时间曲线为上升型曲线，所述红外扩容前兆点在所述高温点比例因子范围的左侧选取，若所述高温点比例因子-时间曲线为下降型曲线，所述红外扩容前兆点在所述高温点比例因子范围的右侧选取。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。