遥感-岩石力学（V）——岩石粘滑过程中红外辐射的影响因素分析

利用双轴加载实验装置和热红外成像仪器对岩石剪切滑移过程中的红外辐射进行了成像实验。研究表明，摩擦速率、正应力、摩擦面粗糙度、岩石强度与矿物颗粒硬度是影响岩石粘滑过程红外辐射的重要因素：(1)摩擦以等速率进行时，岩石摩擦裂隙表面平均红外辐射温度的时间曲线为直线型，局部最高温度的时间曲线为3次曲线型，而岩石表面平均红外辐射温度与所受机械功线性相关。当所受机械功相等时，摩擦速率越高，温升幅度越小；(2)红外辐射强度与正应力线性相关；(3)摩擦面粗糙度对平均红外辐射温度影响不大，但对局部最高辐射温度影响较大；(4)岩石强度或其矿物颗粒硬度越高，红外辐射温度就越高。     

多暗色矿物类岩石单轴加载过程中红外辐射定量研究

对首都圈地区的多暗色矿物类岩石(花岗闪长岩、辉长岩及片麻岩)进行了单轴加载至破裂过程的热红外遥感监测实验,发现:(1) 在加载至应力峰值过程中,岩石平均红外辐射温度与应力呈线性正相关关系;(2) 在加载至应力峰值过程中,岩石平均红外辐射温度与所受机械功呈三次曲线关系;(3) 应力峰后-破裂过程中,岩石沿剪切破裂带辐射温度升高,而在应力松弛或张性区,辐射温度有所降低;(4) 损伤岩石在单轴加载过程中红外辐射温度变化与完整岩石相比总体规律相似,但波动性较大。基于实验分析,建立了岩石应力与红外辐射温度以及机械能与红外辐射温度的定量关系;并对地震遥感及其热红外前兆的物理-力学机制进行了讨论。     

遥感－岩石力学（IV）—岩石压剪破裂的热红外辐射规律及其地震前兆意义

完整岩体压剪破裂失稳是构造地震的另一种可能孕震机制。以此为模拟对象，采集中国首都圈地区的5种典型岩石，进行了岩石压剪破裂过程的红外辐射成像实验。研究发现：(1)岩石压剪破裂过程存在热弹和摩擦热两种热-力耦合效应，且压剪作用越强，压剪破裂过程中红外辐射升温现象就越明显。(2)压应变占优势时，岩石压剪破裂存在红外辐射异常破裂前兆。(3)压剪破裂前兆有明显的“时空”特征，即：时间上，当载荷增加到约80％破坏应力时，沿剪切区域的平均红外辐射温度开始出现加速升温前兆，且压剪比越高，出现前兆的时间越早；空间上，破裂前沿剪切区域出现的高温异常条带具有前沿推进即“由一端向另一端迁移、扩展”的特点。本研究结果对地震、岩爆、矿爆、边坡滑移等自然与岩石工程灾害的遥感与预报具有重要的基础意义。     

遥感-岩石力学(IV)--岩石压剪破裂的热红外辐射规律及其地震前兆意义

完整岩体压剪破裂失稳是构造地震的另一种可能孕震机制。以此为模拟对象,采集中国首都圈地区的5种典型岩石,进行了岩石压剪破裂过程的红外辐射成像实验。研究发现:(1) 岩石压剪破裂过程存在热弹和摩擦热两种热-力耦合效应,且压剪作用越强,压剪破裂过程中红外辐射升温现象就越明显。(2) 压应变占优势时,岩石压剪破裂存在红外辐射异常破裂前兆。(3) 压剪破裂前兆有明显的“时空”特征,即:时间上,当载荷增加到约80%破坏应力时,沿剪切区域的平均红外辐射温度开始出现加速升温前兆,且压剪比越高,出现前兆的时间越早;空间上,破裂前沿剪切区域出现的高温异常条带具有前沿推进即“由一端向另一端迁移、扩展”的特点。本研究结果对地震、岩爆、矿爆、边坡滑移等自然与岩石工程灾害的遥感与预报具有重要的基础意义。     

遥感-岩石力学(VIII)——论岩石破裂的热红外前兆

岩石破裂存在多种前兆,它是岩石力学和岩石工程中的一项重要研究内容。在总结多年遥感-岩石力学基础实验研究的基础上,对岩石破裂的热红外前兆进行了系统总结与分析,包括:前兆表现形式及其类型、前兆的时间及空间特征、前兆的机理等。研究表明:(1) 岩石破裂的热红外前兆有平均红外幅射温度-时间曲线异常和热像异常2种形式,分别反映前兆的时空特征;(2) 热像异常分为高温条带和低温条带两种类型,平均红外幅射温度-时间曲线异常分为降温、升温加速和降温转升3种类型;(3) 前兆出现在岩石载荷峰前s = (0.77～0.87)sp 的应力区间内,与微破裂带的形成密切相关;(4) 高围压和压性强的剪性破裂出现前兆的几率要大于低围压和压性弱的剪性破裂,而随着破裂向纯剪过渡,前兆出现的几率降低,且前兆发生的时间越接近岩石破裂时刻;(5) 岩石破裂热红外前兆机理是岩石热弹和摩擦热效应的综合。     

遥感-岩石力学(Ⅵ)——岩石摩擦滑移特征及其影响因素分析

以花岗闪长岩和辉长岩为例，结合遥感．岩石力学基础实验研究，研究了双轴加载条件下岩石摩擦滑移特征，重点对影响岩石摩擦滑移特征的5个重要因素，即正应力、岩性、摩擦表面粗糙度、含水性及摩擦速率进行了实验分析。研究表明：(1)正应力越大，越容易出现粘滑，粘滑时应力降越大，且重复粘滑的间隔周期越长。(2)相同边界条件下，辉长岩的粘滑性比花岗闪长岩强。(3)摩擦表面粗糙度对岩石的粘滑性能有较大影响，重复摩擦会增加粘滑的不稳定性。(4)含水后岩石摩擦面的摩擦强度会降低，但摩擦过程中水份随产热蒸发，其摩擦强度会逐渐恢复。(5)低速率摩擦时岩石主要表现为枯滑，而高速率摩擦时则主要表现为稳滑。     

遥感-岩石力学(I)——非连续组合断层破裂的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之一即非连续组合断层破裂发震为模拟对象，利用双轴加载实验系统和红外热像仪，对雁列和同线非连通这两种非连续组合断层在双轴加载破裂失稳过程中的红外辐射特征进行了模拟实验研究。研究表明：双轴加载过程中岩石表面红外辐射温度的变化对应岩石应力变化，具有阶段性规律，包括初始、弹性、应力闭锁、解锁和屈服破裂5个阶段。自弹性阶段开始至解锁阶段，岩石表面的平均红外辐射温度(AIRT)的动态曲线表现为“上升-下降-再上升”的演变特征：而断层雁列区和非连通区在解锁阶段其热像出现高温异常条带，非连通区的高温异常条带还具有“增强-减弱(平静)-再增强”的演变特征。其地震前兆的时空意义为：(1)构造地震活动区卫星遥感AIRT的上升趋势可作为地震中期预警指标；(2)热像局部正异常条带预示未来震源位置；(3)AIRT下降与热像局部热异常条带的减弱(平静)一起，可作为构造地震的短临前兆。     

遥感-岩石力学(VII)——岩石低速撞击的热红外遥感成像实验研究

利用热红外遥感成像技术进行岩石低速撞击瞬间的遥感监测,分别进行了以大理岩为主的不同岩性的垂直撞击实验、不同角度的倾斜撞击实验以及不同表面条件(潮湿度)的垂直撞击实验。发现(1)岩石垂直撞击时,均存在一临界速度,不同岩性岩石的临界速度值有所差异,以大理岩为例,其临界速度约为15m/s;(2)辐射特征与撞击因子相关,大理岩在临界速度以内垂直撞击时,热红外辐射通量增量与弹体动能线性相关,热红外辐射温度增量与撞击速度二次相关;(3)不同角度撞击时,热红外辐射特征各不相同,其辐射强度基本上都比相同速度下垂直撞击时强,且在45°角入射时达到峰值;(4)潮湿与干燥大理岩在垂直撞击时具有不同的热红外辐射特征,且其变化趋势与速度相关。     

遥感-岩石力学（Ⅱ）——断层双剪粘滑的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之二即断层粘滑发震为模拟对象，利用双轴加载实验系统和红外热像仪，对4类断层组合条件下双剪粘滑过程中的红外辐射温度场的时空演变特征进行了模拟实验研究。研究表明：断层表面温度场的时空演变不仅与应力水平有关，还与组成摩擦面的两侧岩性及其粗糙度有关。具体表现在：(1)应力集中和摩擦作用强的区域，其红外辐射较强；而应力松弛和摩擦作用弱的区域其红外辐射较弱。(2)当两断层岩性及摩擦面条件对称时，红外热像呈双蝶翼形；当摩擦面粗糙，红外热像呈非对称、非均衡时空演变特征，如串珠状、针状、倒针状、条带状、单蝶翼形或其依次变化。卫星热红外遥感与差分干涉雷达(D-INSAR)技术相结合，并以活动断层预滑及其后续粘滑为监测重点，可望成为构造地震遥感监测和地震短临时-空-强预报的新途径。     

遥感-岩石力学(Ⅶ)--岩石低速撞击的热红外遥感成像实验研究

利用热红外遥感成像技术进行岩石低速撞击瞬间的遥感监测,分别进行了以大理岩为主的不同岩性的垂直撞击实验、不同角度的倾斜撞击实验以及不同表面条件(潮湿度)的垂直撞击实验.发现(1)岩石垂直撞击时,均存在一临界速度,不同岩性岩石的临界速度值有所差异,以大理岩为例,其临界速度约为15 m/s ;(2)辐射特征与撞击因子相关,大理岩在临界速度以内垂直撞击时,热红外辐射通量增量与弹体动能线性相关,热红外辐射温度增量与撞击速度二次相关;(3)不同角度撞击时,热红外辐射特征各不相同,其辐射强度基本上都比相同速度下垂直撞击时强,且在45.角入射时达到峰值;(4)潮湿与干燥大理岩在垂直撞击时具有不同的热红外辐射特征,且其变化趋势与速度相关.     

遥感-岩石力学(II)——断层双剪粘滑的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之二即断层粘滑发震为模拟对象,利用双轴加载实验系统和红外热像仪,对4类断层组合条件下双剪粘滑过程中的红外辐射温度场的时空演变特征进行了模拟实验研究.研究表明断层表面温度场的时空演变不仅与应力水平有关,还与组成摩擦面的两侧岩性及其粗糙度有关.具体表现在(1) 应力集中和摩擦作用强的区域,其红外辐射较强;而应力松弛和摩擦作用弱的区域其红外辐射较弱.(2) 当两断层岩性及摩擦面条件对称时,红外热像呈双蝶翼形;当摩擦面粗糙,红外热像呈非对称、非均衡时空演变特征,如串珠状、针状、倒针状、条带状、单蝶翼形或其依次变化.卫星热红外遥感与差分干涉雷达(D-INSAR)技术相结合,并以活动断层预滑及其后续粘滑为监测重点,可望成为构造地震遥感监测和地震短临时-空-强预报的新途径.     

岩石加载过程中红外辐射温度场演化的定量分析方法

为探讨岩石加载过程表面红外辐射温度场演化的定量分析方法,引入分形、熵和统计学理论,提出用特征粗糙度、熵和方差作为指标定量描述岩石加载过程中红外辐射温度场的演化特征,并以含孔岩石试样加载过程热成像观测试验结果为例,对3种指标的定量刻画能力及特点进行对比分析。结果表明:(1)3种指标都能较好地定量刻画岩石加载过程中红外辐射温度场的演化与分异特征,在岩石加载过程中随着应力变化出现阶段性变化特征,在破坏前出现红外异常前兆,且效果均好于以往使用的指标AIRT;(2)3种指标有不同的特点,熵对于试样加载过程红外辐射的阶段性特征刻画较好,随应力增加各个阶段的红外辐射变化分界明显;而特征粗糙度和方差在临近岩石破裂时发生大幅度突然性升高,对于岩石破裂的红外前兆的识别更具优势。研究结果为岩石受力与灾变过程红外辐射的定量分析提供了新的方法。     

遥感-岩石力学(Ⅷ)--论岩石破裂的热红外前兆

岩石破裂存在多种前兆，它是岩石力学和岩石工程中的一项重要研究内容。在总结多年遥感一岩石力学基础实验研究的基础上，对岩石破裂的热红外前兆进行了系统总结与分析，包括：前兆表现形式及其类型、前兆的时间及空间特征、前兆的机理等。研究表明：(1)岩石破裂的热红外前兆有平均红外幅射温度．时间曲线异常和热像异常2种形式，分别反映前兆的时空特征；(2)热像异常分为高温条带和低温条带两种类型，平均红外幅射温度．时间曲线异常分为降温、升温加速和降温转升3种类型：(3)前兆出现在岩石载荷峰前δ=(0．77～0．87)δp的应力区间内，与微破裂带的形成密切相关：(4)高围压和压性强的剪性破裂出现前兆的几率要大于低围压和压性弱的剪性破裂，而随着破裂向纯剪过渡，前兆出现的几率降低，且前兆发生的时间越接近岩石破裂时刻：(5)岩石破裂热红外前兆机理是岩石热弹和摩擦热效应的综合。     

遥感一岩石力学（VII）——岩石低速撞击的热红外遥感成像实验研究

利用热红外遥感成像技术进行岩石低速撞击瞬间的遥感监测，分别进行了以大理岩为主的不同岩性的垂直撞击实验、不同角度的倾斜撞击实验以及不同表面条件(潮湿度)的垂直撞击实验。发现：(1)岩石垂直撞击时，均存在一临界速度，不同岩性岩石的临界速度值有所差异，以大理岩为例，其临界速度约为15m/s；(2)辐射特征与撞击因子相关，大理岩在临界速度以内垂直撞击时，热红外辐射通量增量与弹体动能线性相关，热红外辐射温度增量与撞击速度二次相关；(3)不同角度撞击时，热红外辐射特征各不相同，其辐射强度基本上都比相同速度下垂直撞击时强，且在45^。角入射时达到峰值；(4)潮湿与干燥火理岩在垂直撞击时具有不同的热红外辐射特征，且其变化趋势与速度相关。     

基于统计断裂理论的岩石类材料本构模型的研究

以椭圆盘裂纹模型模拟岩石体内的缺陷,基于最弱链环节假设和统计断裂力学理论,推导出多轴应力状态下岩石类材料的损伤模型,并根据应变等价性假说建立了包含损伤的岩石类材料的基本本构关系。导出的损伤模型反映了岩石的破坏与其所受的应力状态、岩石内的裂纹情况、岩石的体积以及岩石的材性参数之间的联系关系。由此关系可得到如下结论:(1)裂纹面之间的摩擦因数越大,岩石的强度就越大;(2)在多轴压应力状态下,由于裂纹面之间存在摩擦,所以围压越大,岩石的强度就越大,且应力-应变关系也由线性变为非线性;(3)岩石类材料的Weibull模量m越大,材料的强度就越低。这些结论都与当前的研究成果相吻合。     

岩石低速撞击的热红外特征分析与反演

利用热红外成像技术进行岩石低速法向撞击瞬间的遥感监测试验研究，通过对获取的目标区域热红外信息（热辐射特征及热像几何特征）的提取与反演，可以得出：（1）岩石靶元在法向撞击时存在一临界速度，在该临界速度下，撞击因子与辐射特征及几何特征均相关，即弹体速度与红外温度变化量二次相关，与周长特征线性相关；弹体动能与红外辐射通量及面积特征均线性相关；（2）辐射通量特征与弹体动能之间的线性关系以及周长特征与弹体速度的线性关系可作为岩石低速撞击反演的基本途径；而红外辐射温度特征与弹体速度的二次关系以及面积特征与弹体动能的线性关系可作为岩石低速撞击反演的辅助途径。     

酸蚀作用对岩石裂隙剪切行为的影响规律研究

水力–酸化多级交替激发已成为深部热储增产改造的关键技术。以青海共和花岗岩裂隙为研究对象,对每一块裂隙试样均实施6次不同酸化处理的直剪试验。试验结果表明：(1)经历多次直剪试验后,岩石裂隙的剪切力学行为由脆性破坏变为韧性破坏,峰值抗剪强度明显降低,而残余抗剪强度变化不明显;(2)经酸蚀处理后,岩石裂隙的剪切力学行为仍表现为韧性破坏,但峰值与残余抗剪强度均有明显降低;(3)基于经典摩擦学理论,提出粗糙裂隙剪切体积计算公式,与试验结果吻合较好;(4)酸蚀处理后,不同矿物的差异化溶蚀速率增加裂隙表面粗糙度,然而,剪切在裂隙面内诱发的大量微裂缝进一步促进酸蚀作用,进而显著劣化裂隙表面凸起体强度,后者占据竞争的主导地位,从而导致岩石裂隙表现出弱化效应。     

岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例

 为研究片状岩石渐进性破坏,首先对其应力门槛值：裂纹起始应力 、裂纹破坏应力 、单轴抗压峰值强度 及相互间的关系进行系统的总结和论述。基于片状岩石--丹巴二云英片岩单轴压缩试验轴向应力–轴向/ 径向应变曲线,首次将岩石渐进性破坏过程应力门槛值分析应用于片状岩石,得出加载方向与片理面方向平行、垂直和成30°夹角3种加载条件下的应力门槛值,并将其与其他岩石种类的应力门槛值研究结果进行比较。结果表明裂纹扩展过程与岩石种类有关,不同岩石矿物颗粒、胶结状况、片理面发育情况等因素都会影响岩石的渐进性破坏过程,从而对应不同的应力门槛值范围。二云英片岩的试验结果直接表明,由于片理面的发育,片状单轴压缩条件下的裂纹扩展过程存在显著的各向异性,这一特点显著区别于其他种类岩石,在地下工程开挖中应对其进行具体的量化分析,以指导开挖设计和支护加固。     

岩石结构面峰值摩擦角应力效应试验研究

 工程上常采用不随应力变化的岩石结构面抗剪强度参数,不能反映结构面摩擦角应力效应的变化规律。为研究结构面摩擦角与法向应力的相关度,首先对中砂、水泥、硅粉、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行研究,获得与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作10组具有不同表面起伏度和粗糙度的结构面,并利用自制的高精度岩石结构面直剪仪对系列法向应力下的结构面摩擦角进行直剪试验研究和数据统计分析,结果表明：结构面峰值摩擦角及其变化率均随法向应力的增加而降低,而不是通常认为的峰值摩擦角为定值;结构面残余摩擦角随法向应力的变化并不是很明显;具有不同起伏程度和粗糙度系数的模型结构面在相同法向应力下的峰值摩擦角也有差异;结构面峰值摩擦角应力效应和JRC-JCS (JRC为粗糙度系数,JCS为壁岩强度)准则中所确定的峰值摩擦角变化规律相一致,而且粗糙度系数越大结构面峰值摩擦角的应力效应越明显。     

岩石压剪断裂核与板块内部地震

 在中国大陆内部发生的地震属于地球板块内部地震。它的发震机制是在应力作用下,原有断层裂面端部形成特殊形状的岩石破碎区--岩石压剪断裂核而导致断层扩展。该模式已被单江震源地质遗存所证实,且理论、试验、遗存一致,微观、宏观相符。通过试验研究,取得岩石压剪强度、岩石破碎后的扩容与膨胀应力、压剪断裂判据、压剪断裂试验过程中闭合裂缝面应力向缝端转移及断裂前闭合裂缝面出现开位等系列结果。根据岩石压剪断裂核模式分析,压剪断裂核内岩石破碎先于地震发生,衍生热红外等诸多现象,在临震前显现异动。因此,板内地震的发生具有可预测性。