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。     

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。     

岩石真三轴加载破坏的热–声前兆信息链初探

硬脆性岩石的突发性失稳往往会带来灾难性的后果,因而研究硬脆性岩石突发性失稳破坏的前兆信息是十分有意义的。为此对红砂岩试样开展不同中间主应力条件下的真三轴加载试验,结合红外热像技术研究岩石破裂的热红外热像演化和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像技术分析岩石真三轴加载下的裂纹扩展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及破裂演化机制,提出基于热红外的非接触式岩石破裂前兆预警指标,可在岩石因破裂而导致的温度异常变化前对岩石的破坏做出预警。研究表明:岩石破裂前存在四类前兆信息,依次为热红外温度前兆、声发射前兆、热像异常前兆及岩石宏观裂纹前兆。热红外温度前兆和声发射前兆出现时间相对较早,能优先从时间上预警岩石的破坏,热像异常前兆和宏观裂纹前兆的出现时间则较晚,也距离试件破坏较近,热像异常能指示岩石未来潜在的破裂区域。从岩石的内部、外部、时间和空间上初步建立硬脆性岩石的热–声前兆信息链,研究成果可为岩石突发性失稳破坏的分析和防治提供有益参考。     

煤单轴加载破裂时的差分红外方差特征

为探寻煤在承载受力破裂过程中红外辐射温度场的异常,对煤破裂时的红外辐射特征进行量化表述。提出一种新的红外辐射定量分析指标,即差分红外热像序列图的温度方差(差分红外方差),对煤样单轴加载破裂过程中红外辐射温度场的瞬时变化特征进行探究。研究结果表明,煤样破裂时的差分红外方差会发生突变。突变时刻与载荷曲线突降以及红外热像序列图出现异常的时刻一致,具有同步性。长方体煤样破裂时,差分红外方差突变程度约达到其加载过程中平均振幅的88.3~1 905.7倍(约700倍),立方体煤样破裂时为16.2~448.5倍(约130倍),具有显著性。发生突变煤样的比例约为95%,具有普遍性。研究结果可应用于由煤岩受力破裂引起的岩爆、煤爆等自然灾害和人类工程灾害等的预报预警,可为煤矿保水开采和岩层控制提供借鉴。     

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(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。     

岩石破裂过程中红外温度场瞬时变化异常探究

 为探寻岩石破裂失稳过程中红外温度场的突变异常,在提出“红外温变场(ITVF)”概念的基础上,以高温水浸透粉砂岩加载过程的红外监测试验为例证,对岩石破裂失稳过程中红外温度场的瞬时变化特征进行深入探究,结果表明：(1) 饱水粉砂岩破裂失稳过程中ITVF的特征参数(极差R、峰度K、突变比率MR)存在陡增的突变异常;(2) 3指标异常主要集中于峰后破裂阶段,趋于在压力降显现时刻伴随出现,出现频率在 88.8 % 以上;(3) 异常原因在于当变形进入塑性–峰后破裂阶段,试件表面破裂加剧发育引起红外温度场突变,一方面使得红外温变速率大幅度向极大或极小值方向迁移,导致R值出现突增异常;另一方面使得ITVF异常值的数量突然增加,引起K,MR发生陡增异常;(4) 在延性岩石破裂过程中ITF突变的异常现象具有一定的普遍性。该研究为探寻岩石灾变的红外异常前兆提供了新思路和新方法,对岩石灾变的红外预警技术的推广应用具有理论指导意义。     

含缺陷花岗岩破坏过程中的红外热像试验研究

在实验室通过红外热像仪对7块含相同预制单裂纹缺陷的花岗岩板状试样单轴压缩载荷下破裂过程的红外热像进行了试验研究(其中有一块试样中途折断,没有取得红外热像特征)。试验结果表明:试件加载过程中,微破裂越强,其红外辐射也就越强;在主破裂时,试件在局部破坏区域会产生高温条带的红外热像特征。试件受压过程中的红外温度异常表现为3种类型:(1)先降温,临破裂升温;(2)温度交替升降,破裂前升温;(3)缓慢升温,破裂前快速升温。同一种岩石,其破坏时的红外辐射表现不一定相同。     

瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应研究

为探索瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应特征，利用自主研发的含瓦斯煤岩破裂温度变化检测实验系统，以平煤十一矿煤样作为研究对象，分析其在不同瓦斯压力下力学性质和红外辐射特性，并对差分最高辐射温度ΔT_MIR、累计差分温度ΣΔT_MIR、热像演化等在不同瓦斯压力下的时变特性进行对比分析。结果表明：随着瓦斯压力的增大，试样破坏形态从单斜面剪切破坏向剪张性失稳破坏转变，破坏发展明显增强；试样的峰值抗压强度、弹性模量随着瓦斯压力的增大而降低，峰值应变表现为先增加后快速降低；不同瓦斯压力下，试样整体上表现出增温趋势，低瓦斯压力(0～0.4 MPa)条件下临破裂前出现升温前兆，而高瓦斯压力(0.6,0.8 MPa)则表现为降温前兆；试样加载过程中出现低温异常条带和高温异常区域，且与宏观裂纹走向及位置一致；并揭示了瓦斯影响下煤岩红外辐射的响应机制：热弹效应、摩擦热效应、瓦斯膨胀吸热效应及吸附瓦斯解吸吸热效应，不同加载阶段热效应的影响程度不同。研究结果解释了煤岩瓦斯动力灾害温度异常变化的原因，明确了不同瓦斯压力下的红外预警前兆特征，可以根据矿井瓦斯压力的大小有针对性...     

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。     

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。     

静态和动态载荷作用下岩石劈裂破坏模式的数值模拟

简单介绍了岩石破裂过程分析程序模拟岩石在动载荷作用下破裂过程的原理和功能,并用该程序研究岩石试样在静态和动态载荷作用下的劈裂破坏过程。数值模拟再现了岩石在静态和动态应力作用下破裂模式的差异,给出了在不同冲击应力波幅值条件下岩石试样的3种典型的破裂模式。数值模拟表明,在动态加载时,应力波幅值较低时试样表现出与静态加载时类似的破裂模式,随着应力波幅值的增加,其他2种典型破裂模式就表现出来。     

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。     

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。     

混凝土的微波辐射和红外辐射随应力变化的实验研究

对混凝土的微波辐射和红外辐射在实验室进行了加载实验，发现混凝土的微波辐射能量和红外辐射能量随混凝土应力状态变化而显著变化，且混凝土试件临破裂前，微波辐射和红外辐射出现多种破裂前兆异常。这表明微波遥感和红外遥感可用于混凝土工程应力和应力场分布测量，并可用于混凝土工程因应力集中造成工程可能发生危险或遭到破坏时的监测和预报。     

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。     

考虑应变速率效应的煤岩能量演化和红外辐射特征分析研究

为了研究煤岩材料破坏的加载速率效应,利用岩石力学加载试验系统及红外辐射监测平台,开展不同等级速率的单轴压缩试验,并从破坏形态、力学性质、能量演化和红外辐射特征等角度进行分析。研究结果表明：随着应变速率增加,试样破坏形态由中、低速率下的剪切破坏向高应速下的全面剪胀失稳破坏转变;试样应变速率的对数与峰值强度呈正相关,可以采用二项式描述;应变速率与能量演化密切相关,存在塑性向脆性转变的临界速率;高应变速率试样0.75σ_c 时热像图上出现高温异常突变点,低应变速率试样0.98σ_c 时才出现高温异常区域;低应变速率试样最高温值出现在应力峰值前几秒,中、高应变速率试样最高温值与应力峰值几乎同时到达,临破裂前出现了“V”型异常转折现象。研究结果可以为岩石动力灾变预警提供参考。     

拉应力作用下黑砂岩剪切破裂面粗糙度表征及各向异性特征研究

地下洞室围岩开挖卸荷常发生张拉、剪切等破坏模式。为研究不同破坏模式对岩石破裂面形貌特征的影响,基于黑砂岩直接拉伸与拉伸剪切试验,通过引入二维、三维粗糙度评价指标,定量表征岩石破裂面的形貌特征,获得了拉应力作用下岩石破裂面粗糙度随应力状态的变化规律,简要探讨了不同破裂机制对破裂面形貌影响。研究发现各类粗糙度评价指标均随拉应力的增大而呈线性减小趋势。同时,基于各向异性特征参数K_a的度量,相比二维粗糙度评价指标θ_(max)/(C+1)_(2D),三维评价指标θ_(max)/(C+1)_(3D)更能准确表征岩石破裂面的粗糙特性,其与拉应力之间呈指数型变化关系。对于直接拉伸试验,岩石破裂面形貌差异最小;而对于拉伸剪切试验,随着拉应力的减小,破裂面各向异性程度逐渐增大。研究结果表明不同的岩石破坏模式和破裂机制是造成破裂面形貌特征具有差异性的根本原因。     

卸载岩爆过程数值试验研究

 为探讨岩石试样卸载岩爆的发生机制,采用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)再现岩石试件卸载发生失稳破坏的过程。根据花岗岩的基本力学参数,首先对方形岩石试样进行单轴加载破坏的二维数值试验,然后在双向载荷条件下进行了基于同等试样的围压卸载试验模拟。数值试验结果表明：(1) 单轴加载试验与卸载失稳试验的岩石破坏机制和破坏模式存在很大差异。(2) 单轴加载试验的破坏过程以渐进式的微破裂发展为主,且微破裂主要集中在局部破裂面上;在发生主破裂之前,有许多微破裂前兆声发射现象出现,是典型的渐进破裂诱发失稳的岩爆模式。(3) 双轴加载时的围压卸载试验中岩样卸荷破坏时脆性特征更加明显,主要以突然、高密度的能量释放为主;同时表现出沿卸荷方向强烈扩容破坏特征,破坏模式则以大面积剪切破坏与局部拉裂破坏为特征的组合破坏模式;与单轴加载的情况相反,在主破裂发生前,几乎没有任何微破裂前兆,是典型的瞬时岩爆的破坏模式。