Precursors for rock fracturing and failure—Part I: IRR image abnormalities

There are many precursors, including the abnormality of infrared radiation (IRR), for rock fracturing and failure. As the comprehensive effect of rock thermoelasticity and rock friction, the study of the IRR abnormality of loaded rock, as one of the important issues of remote sensing rock mechanics (RSRM), is facilitated by the fast development of IR remote sensing imaging technology. In view of energy input and consumption by the loading system, comprised of loader, rock and air, the mechanism of surface IRR from loaded rock is studied. The concepts that surface IRR is the comprehensive effect of a series of physical–mechanical processes inside loaded rock and that the thermoelastic effect and the frictional–thermal effect are two of the main mechanisms are presented here. Based on retrospective investigation of the fundamental experiments on RSRM during the past decade, it is concluded that there are two kinds of IRR abnormality as precursors of rock fracturing and failure: IRR image abnormality and IRR temperature curve abnormality. The spatial–temporal evolution of abnormal surface IRR images of loaded rock in a condition of uniaxial stress, compressive shear, biaxial stress, frictional slide and impact is systematically analyzed. The fact that large IRR can occur in the fracturing center of compressively loaded and shearing fractured strong and brittle rock is also revealed. Finally, the relation between rock stress and IRR temperature are studied based on thermomechanical coupling theory for solid materials. It is concluded that IRR image abnormalities are important precursors for rock fracturing and meaningful for the forecast of rockbursts and tectonic earthquakes.     

岩石撞击的热红外成像探测研究进展与方向

岩石撞击的热红外成像探测是遥感技术的一项新颖而颇具潜力的应用，亦是遥感-岩石力学交叉学科的重要研究内容。分析岩石撞击热红外成像探测的试验技术原理与特点，介绍前期试验探索成果及新近研究进展。主要包括：热红外技术用于固体撞击瞬态过程监测的试验探索、Hopkinson压杆撞击（包括不同角度、含水岩石靶元的撞击）、岩石与岩石之间的撞击、不同类型岩石的落球撞击、基于红外辐射特征的撞击参数反演研究以及矿山诱灾分析的应用基础研究。讨论岩石撞击辐射升温的物理机制，包括岩石破裂作用机制、岩石热弹效应以及岩石物理学机制。指出岩石撞击热红外成像探测的未来发展方向为辐射规律与物理机制、定量分析与遥感模型、谱段优选与实用技术。     

遥感岩石力学及其新近进展与未来发展

 遥感岩石力学(RSRM) 是一门新兴的交叉科学。重点介绍了RSRM 近年的主要研究进展, 包括岩石单轴压缩红外成像、穿孔岩石单轴压缩红外成像、岩石剪切红外成像、固体撞击瞬间红外成像、岩石钻进过程红外成像、岩石刻划过程红外成像和光弹材料红外成像与等差线图对比研究等。讨论了岩石类材料受力过程中发生电磁辐射变化现象的物理机制; 并提出了RSRM 未来发展的两个主要方向。     

混凝土破裂与渗水过程的红外辐射特征

 对内含水体的混凝土试样进行单轴压缩加载,利用红外热像仪并辅以声发射仪,观测加载过程中试样的红外辐射与声发射变化特征,研究混凝土破裂与渗水的红外异常前兆。实验结果显示,随着应力的阶段性发展,试样表面的红外辐射呈现早期整体性均匀上升、中期局部高温异常、后期低温异常的主要特征,声发射相应出现早期微量增加、中期均匀增加、后期快速增加的特征。加载中、后期红外热像出现的局部辐射温度“先升后降”现象是混凝土破裂–渗水的重要红外异常前兆,其出现的时间要早于应力和声发射前兆。整个破裂与渗水过程中,高温区域包围低温区域的温度场分布是热像的主要特征。基于实验结果,分析试样红外辐射阶段性变化以及破裂、渗水异常前兆的机制,讨论应力、红外及声发射灾变前兆时间差异性的原因。实验结果对水库大坝以及其他储水混凝土工程破裂与渗水的遥感监测与灾变预警具有重要的意义。     

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。     

拐折非连通断层加载失稳的热辐射演化特征

 为研究构造活动及其失稳过程的红外异常特征,选择拐折非连通断层作为模拟对象,利用单轴加载试验系统和红外热像仪,对模型受力及失稳过程的热辐射时空演化特征进行试验研究。结果表明：(1) 随着应力的增高及阶段性变化,热像首先在下部断层出现1个高温异常点,强度逐渐增强,临近失稳前在岩桥端部又出现2个高温异常点,并具有交替出现的特征,最终演化为一热条带,继而断层连通失稳。“三点高温”和“交替演化”的红外辐射异常特征,与断层预滑、岩桥区应力集中及迁移有因果关系;(2) 岩桥区的平均红外辐射温度(AIRT)在断层活动过程中呈现3个阶段的变化特征,表现为低应力阶段的基本不变或变化很小、中间应力阶段的缓慢上升和临失稳阶段的加速上升。AIRT短暂降温之后的加速上升是断层破裂失稳的重要前兆;(3) 断层周围不同区域的AIRT变化特征不同,与不同区域应力性质差异存在密切关系。应力、应变、红外辐射等多参数的对地集成观测是未来构造活动及其灾变分析的关键。     

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。     

FDEM-TM方法模拟岩石热破裂

岩石热破裂研究在地热开采、核废料处置、石油开采中具有重要的工程应用价值和理论价值。基于FDEM(finite discrete element method)方法,用建立的FDEM-TM(finite discrete element method with thermo-mechanical coupling)方法对一个圆筒试样在两种不同温度边界条件下的热破裂进行了分析。研究表明,当内边界温度保持不变,外边界温度不断增大时(Tr0TR0),起裂前,圆盘外侧处于受压状态,而圆盘内侧处于拉伸状态;当拉应力超过材料的抗拉强度时,从圆盘内边界起裂,从内向外扩展,形成发散裂纹。当外边界温度保持不变,内边界温度不断增大时(Tr0TR0),起裂前,圆盘内侧处于受压状态,而圆盘外侧处于拉伸状态;当拉应力超过材料的抗拉强度时,从圆盘外边界起裂,从外向内扩展,形成从外向内扩展的径向裂纹。模拟结果和已有文献结果保持较好的一致性,验证了FDEM-TM方法模拟岩石热破裂的有效性。     

开挖诱发隧道围岩变形的红外热像试验研究

采用相似材料模拟试验方法,借助红外热像仪等红外设备,对岩爆诱发的深埋隧道围岩变形破坏规律进行试验研究。配制强度较高的脆性相似材料,模型采用三轴向约束,通过单轴加载,模拟三维初始地应力状态。试验采用先加载后开挖方式,对开挖过程中深埋隧道围岩变形破坏情况进行红外热像分析,研究考虑开挖速度和支护条件等因素影响的岩爆诱发过程中深埋隧道围岩变形破坏时温度变化规律,试验结果表明：开挖速度越快,模型表面温度变化越大,隧道围岩弹性能积聚越剧烈,围岩岩爆倾向越高;提高支护强度对降低深埋隧道围岩的岩爆倾向具有一定的作用;隧道围岩表面热辐射温度的快速升高引起的红外异常可作为发生岩爆前期征兆。试验揭示深埋隧道变形破坏与温度场变化之间的对应关系,为深埋隧道的合理开挖和安全支护提供参考依据。     

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。     

低温热力耦合下岩体椭圆孔(裂)隙中冻胀力与冻胀开裂特征研究

寒区岩体工程含水孔(裂)隙中低温水冰相变会产生冻胀力与温度应力,岩体冻融损伤与断裂是由温度应力和孔(裂)隙中的冻胀力共同作用的结果。考虑温度应力对椭圆孔(裂)隙形变的影响,推导了椭圆孔(裂)隙中的冻胀力解析方程;基于最大拉应力准则,得到了低温热力耦合下椭圆孔(裂)隙周围最大拉应力与冻胀开裂角,建立了椭圆孔可简化为椭圆裂隙进行冻胀计算的临界条件;最后采用改进的等效热膨胀系数方法对隧道单裂隙围岩冻胀力与裂隙尖端应力场进行了数值分析。研究结果表明:(1)椭圆孔中的最大冻胀力与岩石的热膨胀性、裂隙倾角和裂隙长短轴比χ等因素有关;(2)长短轴比χ≥10的扁平椭圆孔可简化为裂隙进行计算分析,此时冻胀基本发生在裂隙尖端且尖端拉应力集中明显;(3)改进的等效热膨胀系数方法可以很好的模拟裂隙中的冻胀力与裂尖应力场。     

隧道渗漏水红外辐射特征模型试验及图像处理

 对室外大型混凝土模型墙体注水模拟隧道衬砌渗漏水,利用红外热像仪观测渗漏水的红外辐射特征,获取红外热图像,研究混凝土渗漏水过程中的红外辐射规律,并编写MATLAB图像处理程序提取混凝土渗漏水红外热图像特征。混凝土一般渗漏水试验结果表明：渗漏水热图像呈现高温区域包围低温区域的温度场特征,渗漏水区域边缘温度梯度较大;混凝土渗漏水过程试验结果表明：渗水流量越大,渗漏水区域和基底混凝土的红外辐射温差越大,水域温度越均匀,水域边缘温度场变化越剧烈;试验结果可以为混凝土工程(如地下建筑、隧道等)渗漏水的检测和预警提供指导。针对渗漏水红外图像特征,利用MATLAB编写的程序能够提取热图像中的渗水面积等信息,为隧道渗漏水车载动态检测软件系统开发奠定基础。     

高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究

 采用自主研制的20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,对f 200 mm×400mm的花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在600 ℃以内及6 000 m埋深静水压力下钻孔围岩的热弹性变形进行深入的试验研究。根据热弹性变形试验结果反演计算出高温高压下钻孔围岩的热物理及力学特性参数,并对钻孔围岩的热物理及力学参数进行认真细致的分析。研究结果表明：(1) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热变形可分为3个阶段：低温热变形微弱阶段,中高温热变形快速增长阶段,高温热变形平稳阶段,且埋深(即应力大小)对于钻孔围岩的热变形具有明显的影响;(2) 高温高压下含有钻孔的花岗岩体以剪切方式破坏,花岗岩体在经历500 ℃～600 ℃的高温仍呈现出脆性特征,岩体破坏的条件为6 000 m埋深静水压力,600 ℃左右;(3) 高温下钻孔围岩的弹性模量随温度的升高呈负指数规律减小;(4) 高温下钻孔围岩的泊松比随温度的升高总体呈增大的趋势;(5) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系数不同,埋深对钻孔围岩的热膨胀系数具有很大影响。研究结果可为高温岩体地热开发深钻施工及钻井围岩稳定性维护提供理论依据与技术储备。     

页岩变形过程中表面红外辐射演化规律探究

为探寻含裂隙岩体变形失稳过程中表面红外辐射演化规律,对沉积类岩石油页岩内部原生孔隙裂隙进行CT扫描定位,以单轴压缩过程中红外监测实验为例证,探究其表面红外辐射温度演化规律,并以表面辐射最高温度、平均温度及变异系数三个统计量为指标进行分析。结果表明:(1)不同于花岗岩、大理岩、砂岩等完整岩石单轴压缩过程中表面温度随应力增加表现为上升现象,含孔隙、裂隙岩石油页岩表面温度随应力增加则表现为下降;但临近试件发生破坏,二者均会产生温度陡然升高的现象;(2)平均温度与最高温度曲线具有共性特征,随载荷增加,二者表现出明显的阶段性,即快速下降阶段-缓慢下降阶段-快速上升阶段,且最高温度曲线临近破坏具有更高的敏感性;(3)变异系数曲线可以较好地反应试件表面辐射温度离散程度,随应力增加,首先表现为快速增长,随后进入相对稳定期,临近破坏时刻再次出现快速增长;稳定期后变异系数曲线的快速增长预示岩石破坏;(4)油页岩变形失稳过程中表面温度下降与其内部气体逸出及孔隙、裂隙坍塌破坏相关。原生裂隙在加载初期表现为温度降低,临近破坏时该区域则转变为升温区。该研究为预测沉积类岩体特别是含有天然裂隙岩体变形失稳过程中表面红外辐射变化规律提供了新的内容。     

非连续断层破裂红外辐射与声发射、应力场的对比研究

应用RFPA^2D程序模拟雁列和共线非连通两种非连续断层的应力场和声发射场，并与相同条件下的热红外辐射成像试验进行对比，分析非连续断层的温度场与应力场及声发射场之间的关系。研究结果表明：数值试验的声发射与实际试验中的热红外辐射温度具有类似的时序变化阶段和空间演化特征。通过对热红外图像与应力场的比较以及对裂纹破裂模式的分析，讨论试件各裂纹表现出的红外辐射特征差异，以进一步了解非连续断层的破裂过程和破裂机制。     

岩石热黏弹塑性模型研究

 温度作用下岩石的本构行为研究对于深部资源开采、核废料地下处置、地热资源开发以及地下军事防护设施建设等岩石工程问题具有重要意义。以西原体模型为基础,引入热膨胀系数、黏性衰减系数和损伤变量,综合考虑温度对岩石弹性变形、黏性流动以及结构损伤的共同影响,建立岩石热黏弹塑性本构模型,推导考虑温度效应的岩石蠕变方程和卸载方程。研究结果表明,在应力低于屈服极限的情况下,模型初始变形较快,然后趋于稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度引起的黏性流动;在应力高于屈服极限的情况下,变形逐渐转化为不稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度和应力共同引起的黏性流动。该模型较全面反映了岩石在温度作用下的黏弹塑性和损伤性质,适用于温度和载荷作用下岩石流变与稳定性分析。     

岩石热破裂与渗透性相关规律的试验研究

岩石热破裂是一类极为普遍的自然与工程现象。利用"600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统"进行砂岩和花岗岩在常温至600℃范围内的声发射特征和渗透性演化规律的试验研究,揭示岩石的热破裂规律与渗透性的相关特征,其结果如下:(1)花岗岩和砂岩受热作用,在常温到600℃区间,其热破裂存在一个清晰的门槛值。从声发射特征来看,永城细砂岩与鲁灰花岗岩的热破裂门槛值分别为170℃和65℃。(2)岩石热破裂门槛值之后,随温度升高,热破裂呈间断性与多期性变化特征,从常温到600℃,既非单调增加,也非单调减少,一般存在2个以上的峰值区间。(3)随着温度的升高,伴随岩石峰值破裂段的发生,岩石的渗透率也呈现出同步的多个峰值段,伴随着声发射平静期滞后出现渗透率相对降低区,但渗透率仍然维持在一个较高水平,而且随着声发射剧烈期出现次数的增加,渗透率愈来愈大。     

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.     

用非强迫共振法研究饱和岩石的黏弹性响应

 通过Metravib热机械分析仪,用正弦振动对岩样进行加载,并以饱和岩石对正弦振动传播的黏弹响应,来模拟地震波在饱和岩石中传播时的黏弹性响应,以获取地震波在饱和岩石中传播时的黏弹行为。试验时固定静载为120 N,正弦波动载荷为80 N;在温度－40 ℃～100 ℃,频率5～400 Hz的范围内,对2种孔隙度的泵油饱和彭山砂岩样品进行单轴循环加载试验,以得到泵油饱和彭山砂岩的衰减、弹性模量、弹性波速度与温度的关系。由此研究饱和多孔岩石在弹性范围内的衰减、杨氏模量和弹性波波速随温度的变化规律。研究结果表明：随频率的增高,饱和多孔岩石的能量衰减峰的峰位向高温方向移动的热激活弛豫规律。利用阻尼衰减机制,解释了随振动频率提高,衰减峰的强度降低的试验结果。这些试验结果与低频共振的驻波试验得到的热激活弛豫规律一致,说明热激活弛豫机制在饱和多孔岩石中具有一定的普适性。与此同时,得到弹性模量和波速随温度升高而逐渐下降的一般规律,以及随频率的增高而增大的频散特性,但是样品的频散效应随温度升高有减弱的趋势。该频率和温度范围的研究结果对岩石理论模型研究具有指导意义,对地震资料的解释具有实用意义。饱和岩石的衰减研究对地震工程和勘探地球物理具有特殊的意义,尤其对勘探地热蒸汽库或天然气库有很好的实用价值。     

高温高压下盐岩基本力学性质研究

采用MTS材料特性试验机针对高温高压下盐岩的力学性质进行了三轴压缩试验研究,通过不同温度、围压下的三轴应力应变曲线,分析了温度、围压对盐岩弹性模量和屈服应力的影响以及高温高压下盐岩的破坏特点。结果表明:盐岩即使经历很大变形其应力应变曲线也不会表现出峰值。而温度升高对盐岩力学性质起到劣化作用。盐岩的屈服应力随温度升高而逐渐降低,但其弹性模量却随着温度升高而显著增大。在≥86 ℃时应该存在一个门槛温度,超过这个门槛温度使得弹性模量随温度升高而逐渐降低。围压对盐岩的初始屈服面影响较小,而温度则影响明显。盐岩试验后发生了很大变形,从标准的圆柱体被压成了鼓状,但是仍然没有发生破坏。