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。     

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。     

撞击速度的变化对陨石撞击形变场的影响及其规律探讨

针对苍山陨石撞击事件，运用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序，分析讨论撞击速度的变化如何影响陨石撞击形变场及其形成、发展和演化。得到了撞击速度与撞击形变场的关系曲线，可作为陨石撞击研究的重要依据。     

岩石裂纹的分形特性及岩爆机理研究

给出了单轴压缩下岩石破坏过程中裂纹维数的测量结果,讨论了分形维数值与岩石组成及应力状态之间的关系,并根据这一结果对岩石岩爆过程的机理进行了分析。     

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(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.     

岩石爆破损伤断裂的细观机理及其力学特性研究

 博士学位论文摘要　通过理论分析与建模、实验室与现场试验、数值模拟计算三个方面, 深入探讨了岩石在爆炸荷载作用下的细观断裂机理及损伤演化规律, 对爆破损伤岩石的力学特性进行了实验研究和分析。在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论的基础上, 提出了用宏观和细观相结合, 用细观损伤断裂力学方法描述和计算了岩石爆破破碎过程, 并将爆破过程分为应力波的动力作用和爆生气体的驱动及准静态应力场作用两个相互连贯, 而作用机理又不尽相同的两个阶段: 第一阶段为爆炸应力波作用下的动态损伤断裂初期效应, 第二阶段为爆生气体的流体驱动和静态压力场作用下的损伤断裂后期效应, 并分别研究了该两阶段岩石在爆炸载荷作用下的微裂纹扩展和损伤演化规律以及岩石爆破损伤断裂准则。在应用计算损伤材料有效模量的Taylo r方法基础上, 建立了一个适应范围更广的新的岩石爆破损伤模型; 然后应用细观损伤力学和断裂力学理论, 建立了岩石在爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展及在静态压力场作用下的裂纹尖端损伤局部化模型, 从而确定了岩石在爆炸载荷作用下的损伤场, 揭示了岩石爆破损伤断裂的全过程实质。运用超动态应变测试、超声波及电镜对岩石爆破损伤断裂机理和破坏过程进行了实验研究, 模拟了炮孔填塞和无填塞、耦合装药和不耦合装药、不同参数下的爆破过程, 分析了不同爆破条件下岩石内部的微裂纹扩展、损伤演化和岩石破碎规律。结果表明: 爆炸应力波对岩石的破坏作用主要体现在爆破近区, 而在爆破中远区主要产生损伤, 如果没有爆生气体的后期作用, 这种损伤一般不会造成破坏; 而爆生气体是裂纹扩展的主要原因, 特别是在主裂纹的形成和扩展过程中起了十分重要的作用。实验结果验证了所建模型的正确性和合理性。在现场及实验室实验的基础上, 分析研究了爆破对围岩的损伤作用, 建立了岩石弹脆性细观损伤模型; 并认为爆破对围岩的损伤作用体现在对岩石力学性能劣化和岩体完整性降低两方面, 其损伤程度与装药条件、爆破参数及远场应力有密切关系, 加大不耦合装药系数可以明显减弱对围岩的损伤作用;首次提出了爆破损伤岩石基本质量指标的概念, 推导了爆破对岩体基本质量指标BQ 公式的影响系数表达式, 定量地分析了爆破对围岩质量影响与损伤程度, 这对合理选取爆破参数和对围岩、边坡稳定有实用指导价值。以DYNA 22D 程序为基本框架, 采用小损伤条件下的解耦方法, 实现了对岩石爆破过程的数值模型, 计算模拟并对比了填塞和无填塞装药条件下的岩石爆破过程和损伤演化, 数值模拟与实验结果基本一致。     

岩石破裂过程分析系统中的应力并行求解

岩石破裂过程分析和一些相关的岩石工程计算问题迫切需要高效、准确、强大的计算能力的支持，用来解决普通微机已经无法满足的大规模计算需求。在岩石破裂过程分析系统单机版的基础上，结合现代有限元方法，利用超大规模并行计算技术，实现了应力分析模块中有限元计算的并行处理。计算实例表明，并行有限元程序具有很高的加速比，在机群上能够快速完成三维条件下近千万个自由度的应力分析求解，为实现岩石破坏过程分析系统的大规模科学计算提供一定的参考价值。     

岩石变形破坏过程中的能量耗散分析

岩石作为一种复杂的非均质地质材料，其力学响应表现出明显的非线性和各向异性特点。岩石在变形破坏过程中始终不断地与外界交换着物质和能量，是一个能量耗散的损伤演化过程。采用损伤演化方程可以从宏观上描述损伤变量以及与其相伴的广义热力学力——损伤能量释放率的变化规律。进一步通过细观损伤力学的研究，可以揭示岩石变形破坏过程中能量耗散的内在机制。围绕这一基于能量耗散的岩石力学研究思路及其相关进展，最终将建立基于损伤演化及能量耗散的宏．细．微观多层次耦合的岩石力学体系，这有助于更准确地解决岩石工程领域中更多的力学分析问题。     

火灾下大跨空间结构升温模型的比较分析

为验证火灾下大跨空间结构采用的传统升温模型——标准升温曲线是否合理,经理论分析该升温模型与大空间空气升温模型对结构的性能和耐火极限的结论有着很大的不同。以2008奥运羽毛球场馆实际工程为背景,采用两种模型模拟火灾,对火灾下的结构进行性能分析。标准升温曲线得出在22 min左右结构坍塌。大空间空气升温模型则得出结构在90 min时仍没有坍塌,但个别构件内力、位移变化幅度较大。研究表明:大空间升温模型可以更贴切地体现大空间结构火灾下的实际响应。     

应力对岩盐溶蚀机制的影响分析

 结合地球化学、地质热力学、矿物岩石学、岩石弹塑性力学方面的知识,在理论上全面地分析应力对岩盐溶蚀机制的影响。研究结果表明,有无应力条件下岩盐的溶蚀机制在根本上是不同的,应力可在多个环节、多种方式面对岩盐的溶解产生影响,应力引起的应变能可以改变岩盐固体的物质活度、改变岩盐固体表面的生成物的浓度,直接对岩盐的溶蚀产生影响;应力还会通过改变岩盐外部溶液流态和水流速度 、固体表面边界层厚度h和有效水岩相互作用面积来间接地产生影响。应力作用下的岩盐溶解是一个“应力–溶解”耦合相互促进的正反馈循环;应力对溶解产生影响的内在关联在于应力引起的应变能会增大溶解反应的化学势能差,加速溶解反应,从而对岩盐的溶蚀产生影响。     

反倾层状岩质高边坡开挖变形破坏机理研究

在龙滩工程工程地质条件、地应力测试和试验洞变形监测结果综合分析的基础上,建立了地质概化和边坡施工开挖模型。以监测信息为基础,假定初始地应力场近似符合线性分布,采用二维显式有限差分法对龙滩工程左岸进水口边坡1-1剖面进行了自重平衡和开挖施工的模拟。由分析获得了反倾层状岩质高边坡临界节理发展、节理张开度和变形等边坡破坏因素之间的规律。通过对开挖到480 m平台和313 m平台时情况的对比分析,找出了开挖对边坡破坏的影响,即会使临界节理发育和节理张开尺度增大。通过离散元程序(UDEC2D3.1)对边坡开挖的模拟分析,客观评价了边坡的稳定性及其可能的破坏形式。     

岩桥贯通机理的断裂力学分析

多裂纹间的岩桥贯通破坏是导致岩体失稳的重要原因之一。在裂纹分布已知的条件下,预知裂纹相互贯通的模式、机理及相应的外载条件,是预测和制止这类岩体失稳的前提。利用断裂力学中的裂纹尖端应力和应变场的极值分布情况,可以从根本上解决这一问题。当岩桥周围2条裂纹尖端拉应力、拉应变及剪应力极值方向能基本对应起来时,必然会导致2条裂纹的贯通,从而导致岩桥的贯通失稳。因此,这2个极值的性质决定了贯通破坏的性质。     

柱状节理岩体压缩破坏过程模拟及机制分析

 将柱状节理岩体整体考虑为一种广义宏观复合材料是一种行之有效的研究方法,为此建立复合型多弱面软化模型,采用VC++语言成功开发并嵌入FLAC3D程序。以白鹤滩水电站的地质条件为研究背景,对柱状节理岩体进行单轴压缩和三轴压缩的模拟计算,分析不同节理面倾角和倾向的试块破坏过程,得出各种情况下破裂面分布和破坏形态,并总结具有普遍意义的破坏规律。通过三轴试验还得到在处于合适的地应力条件时,柱状节理岩体整体强度及节理面之间的咬合力均较高的结论,与现场勘测结果一致。同时,研究压缩破坏过程中外载和变形的规律、塑性破坏区的产生、破裂区的分布和发展以及能量的耗散等,从多方面对柱状节理岩体的破坏机制进行探讨,以便更好了解该类岩体的力学特性。     

地下厂房顶拱围岩变形机制分析

针对水电站地下厂房开挖过程中顶拱出现局部坍塌和变形持续发展的现象,结合地质资料、监测成果和施工过程,对变形产生的原因从表面宏观变形表现和深部位移特征2个角度作定性和定量的分析。分析结果表明,在地下洞室开挖过程中产生的坍塌和垮塌现象,主要是受开挖后应力重分布,以及爆破作业的影响,形成的小型不稳定块体,断层及裂隙结构面的存在是主要地质因素,支护滞后是造成局部坍塌的主要施工因素。因此,考虑岩体的非连续性,施工期采取有力的支护措施对确保顶拱围岩稳定十分重要。平行施工在一定程度上可以加快施工进度,但对围岩位移会造成一定影响。对于顶拱围岩而言虽然施工作业面已远离,但由于施工强度大、爆破频繁,对顶拱部位围岩位移发展仍具有一定的控制作用,因此在复杂地质条件下施工过程中应尽量避免平行施工。     

深埋隧洞板裂化围岩预应力锚杆锚固效应试验研究及机制分析

 采用高强石膏配制板裂化模型试样,选用铝棒制作预应力锚杆模型,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验,研究板裂化模型试样的预应力锚杆锚固效应。试验结果表明：加锚试样的峰值强度、残余强度及弹性模量均有不同程度的提高,试样峰后侧向变形显著减小,且随着预应力值的增大效果更为显著;与无锚试件岩板压折、岩片弹射的失稳破坏现象相比,加锚试件保持了较好的完整性,局部发生岩板断裂、脱落现象;试样变形破坏过程中,锚杆轴向应力变化分为线性缓慢上升期、非线性增长期和急剧上升期3个阶段,锚杆轴向应力的变化规律反映了其自身工作机制及板裂化模型试样变形特征。分析锚固机制认为,预应力锚杆的施加不仅有效降低了预制裂隙尖端拉应力集中程度,体现出抑制裂隙扩展的止裂作用,而且将试样劈裂形成的岩板加固为整体,有效抑制了岩板向临空面的屈曲变形,进而提高了试样的临界失稳荷载值。最后,基于试验结果的认识,提出针对板裂化围岩的“及时支护、区域控制及重点加固”的锚喷支护控制策略。     

深部可变形岩石介质中岩浆竖向迁移的力学机制分析

基于地洼学说中地幔蠕动及能量聚散的基本理论，针对上地幔软流层中部分熔融岩浆与残余岩石介质竖向迁移与分离的地质背景，建立其流变动力学模型方程，并进行了无量纲化处理；就无量纲模型进行了分析讨论，得到一组简化的表达式。分析结果表明，残余固体岩石介质的变形行为对于部分熔融迁移只是在一定的影响区域内有作用；在此区域内，需采用修正的Darcy定律来描述其迁移动力学行为，超过这个影响区，完全可以忽略不计，此时若采用经典的Darcy定律来描述部分熔融的迁移行为，是具有足够精确的。该结论从机制上给出了部分熔融岩浆迁移与岩石变形的动力学分析，对于进一步探索岩石蠕动及成岩成矿动力学过程具有积极作用。     

层状岩体断裂破坏特殊现象及机制分析

对某水电站左岸边坡层状泥岩进行了强度试验研究,同时对裂纹垂直于层面及平行于层面这两种基本情形也进行了断裂试验研究。由于此层状岩体在强度方面表现出明显的正交各向异性,导致其在裂纹扩展方面表现出明显的特殊性,如I型及I-II复合型裂纹的剪切起裂扩展,锯齿状的裂纹扩展路径等等。此外,通过断裂力学及有限元方法对破坏机制进行了论证分析。由计算所得的KI和KII数值解,得到了裂纹垂直于层面时此泥板岩的临界断裂曲线。通过试验及理论探讨,为裂纹与层面斜交这一工程普遍情形的分析提供了基础,所得相关结论及临界断裂曲线也可为层状岩体边坡工程的结构面相关参数取值提供依据。     

岩石SHPB试验信号的小波包去噪

根据岩石霍布金逊压杆（SHPB）试验测试信号的高噪声与瞬态非平稳特点，利用小波包分析技术对其进行消噪处理。所得结果与传统方法所得结果比较发现：通常经过应变仪滤波和数据邻值平均法所得的测试结果是不准确的。用能够进行时频多尺度分辨的小波包变换方法进行信号的去噪处理。在揭示信号本身的时频信息的同时，能尽可能不失真地在强噪环境下重现有效信号，将这种方法用于岩石SHPB测试信号的去噪处理，能够得到可靠的结果。