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(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。     

四种岩石的摩擦滑动特征

用双剪法对四种岩石的摩擦滑动特征进行了实验研究。研究的岩石有济南辉长岩、点苍山大理岩、周口店石灰岩和小浪底砂岩。实验的正应力为20、40和近60MPa。实验表明辉长岩岩块在上述正应力下均发生粘滑现象。当正应力为20MPa时,粘滑过程中出现位移弱化现象。当正应力为40和52.5MPa时,在粘滑过程中保持稳定的摩擦强度。当正应力为57MPa时,粘滑过程中出现位移强化现象。大理岩和砂岩当正应力为20MPa时发生稳滑,当正应力提高到40MPa时发生粘滑并出现位移弱化现象。石灰岩实验未观察到粘滑现象。辉长岩与大理岩之间的摩擦出现粘滑,位移弱化现象非常显著。摩擦强度除砂岩等于拜尔利(Byerlee)定律的值外,其它资料均低于拜尔利定律的值,在出现位移弱化场合,粘滑发生前的声发射前兆不显著,而出现位移强化的场合,粘滑的声发射前兆非常显著。本文分析了出现位移强化和位移弱化的原因,讨论了摩擦滑动实验研究的意义。     

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(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。     

考虑端部摩擦效应的岩石卸载强度准则

为分析端部摩擦对岩石力学参数的影响,采用RMT–150B岩石力学试验系统对砂岩试样进行不同端部摩擦因子和围压卸载速率下的三轴卸围压试验。结果表明:在相同端部摩擦因子和初始围压下,围压卸载速率越大,试样破坏围压越低,试样破坏差应力越大;在相同围压卸载速率和初始围压下,端部摩擦因子越大,试样破坏围压越低,试样破坏差应力也越大;在相同围压卸载速率下,试样内摩擦角φ和黏聚力c值整体上随端部摩擦因子增加近似直线增加;在相同端部摩擦因子下,试样内摩擦角φ和黏聚力c值整体上随围压卸载速率增大而增大,但增加速率逐渐降低。提出包含端部摩擦因子和围压卸载速率的end-friction(E-F)卸载强度准则,通过采用该准则对试样峰值强度和破坏围压的关系进行拟合分析,认为该准则能够较好地描述三轴卸围压破坏试样强度。若已知端部摩擦因子K值,可得到不同围压卸载速率v下岩石E-F卸载破坏强度包络线,进而获得不同围压卸载速率下岩石材料强度参数。     

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。     

砂浆与岩石黏结性能的试验研究

砂浆与岩石的黏结性能,对岩土工程中的山体支护效果、结构工程中抗浮锚杆的极限抗拔力及混凝土材料基本力学性能起着至关重要的作用。通过灌注于岩石块体内的砂浆圆柱体压出试验得到了砂浆与岩石界面的黏结滑移本构关系,进而研究了砂浆等级、砂浆柱体直径及黏结长度对界面的黏结强度和残余摩擦应力的影响。结果表明:砂浆与岩石界面的黏结滑移曲线由弹性上升段、软化下降段和水平摩擦段3部分组成。而且界面的黏结强度与残余摩擦应力随砂浆等级的提高而增大。但对相同等级的砂浆而言,界面黏结强度与残余摩擦应力随砂浆柱体直径的增大而减小。此外,界面的平均黏结应力随黏结长度的增加而减小。     

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。     

单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

在刚性试验机上，对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，包括岩石应力-应变曲线、声发射事件数等，研究了声发射事件数(AE数)、事件率与应力、时间之间的关系。研究表明：岩石在一次性加载过程中，不是所有的岩石都具有典型的Kaiser效应的声发射特征点：在弹性阶段的初期和后期，随着应力水平的增加岩石声发射显著增加，特别在弹塑性高应力阶段，岩石声发射增长迅速；岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小，声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静阶段；声发射事件率在不同应力水平变化很大，峰值强度后的声发射现象仍然明显，其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。     

我国六种岩石在高围压下的强度特性

本文采用以铅为围压介质的三轴实验装置,在围压高达7.5千巴(750兆帕)的范围内测定了我国不同产地的石英岩、花岗岩、花岗闪长岩、辉长岩、玄武岩大理岩的应力-应变曲线,建立了抗压强度和剩余抗压强度同围压的关系式,并就采用单轴压缩强度推测岩石在高围压下抗压强度的可能性、固体围压介质条件下岩石摩擦常量S_o值偏大的现象、以及岩石脆、廷性转变的标志等问题进行了讨论。     

基于数字岩心的页岩储层岩石细观损伤机制研究

岩石损伤对储层的力学性能及渗流特性等具有显著影响。为研究页岩储层岩石的细观损伤机制,基于CT扫描试验重构三维数字岩心,基于单轴压缩试验及巴西劈裂试验获取岩石力学参数,结合岩石塑性损伤本构模型开展了单轴压缩数值模拟。结果表明：(1)页岩受压时,损伤从孔隙密集区开始发展,后损伤值升高,损伤范围扩展,直到各损伤区贯通,形成剪切斜裂缝。(2)压缩损伤和拉伸损伤存在不同的应力阈值,页岩受压时,压应力先达到压缩损伤的应力阈值,压缩损伤最先产生;拉伸损伤在压缩损伤较大处产生,且表现出滞后性,其损伤体积小于压缩损伤。(3)研究区页岩的孔隙等效直径分布范围为0～200μm,其中,等效直径为10～40μm的孔隙对孔隙度的贡献最大。随着孔隙度的增加,峰后强度的下降速度变缓,岩石延性逐渐增大。(4)孔隙空间分布对页岩的损伤扩展形式及破坏形式存在极大影响,引入分形维数表征孔隙空间分布的复杂程度,发现孔隙的分形维数仅在孔隙度较大时才影响岩石的峰值强度,相同孔隙度下,分形维数越大,峰值强度越低;分形维数对岩石弹性模量的影响极小;孔隙度和分形维数对岩石的损伤体积均存在较大影响,孔隙度和分形维数越大,损伤体积越大。     

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。     

不同剪切速率下岩石节理的强度特性研究

不同剪切速率作用下岩石节理强度特性是研究地震荷载作用下岩体结构响应和安全的基本参数，通过RMT-150C电伺服试验机，利用人工浇铸的表面为锯齿状的混凝土岩石节理试样，研究不同剪切速率下各种岩石节理起伏角度岩石节理的强度特征。试验结果发现：（1）岩石节理面的峰值剪切强度随着剪切速率的增大而减小，减小幅度随着剪切速率的增大变小；（2）岩石节理面的峰值剪切强度随着起伏角度的增大而增大：（3）岩石节理面的峰值剪切强度随着法向应力的增大而增大，基本成线性关系。最后，基于试验的结果提出考虑不同剪切速率的岩石节理峰值强度模型。     

煤层顶板破碎岩石压实特征的试验研究

 为研究煤层顶板破碎岩石压实特征,对义马新安煤层顶板砂岩、砂质泥岩和泥岩,利用自制装置在RMT–150B电液伺服岩石力学试验系统上进行压实试验,得到3种碎石压实试验的应力–应变关系,分析岩石强度、块径、压实应力对碎石压实特性的影响。结果表明：碎石压实变形过程可分为快速压实、缓慢压实和稳定压固3个阶段;碎胀系数随块径增大而增加,可以采用对数关系描述;碎石经历压实后残余碎胀系数与岩石强度、块径的关系不大,差异性有所减小,碎胀系数减幅与块径相关,块径越大减幅越大;压实度为压实应力的函数,块径越大压实度变化越明显;压实能耗随岩石强度增高而増大,砂岩、砂质泥岩与泥岩平均能耗比约为3.5∶2.2∶1.0,同种岩石块径大于5 mm后压实能耗与块径关系不大。     

岩石不连续面内颗粒剪切力学性质的数值试验研究

采用PFC研究不同法向应力下颗粒充填岩石不连续面的剪切力学性质，重点关注颗粒形状（以长、短半轴长比a/b表示）和组合方式的影响。结果表明：(1)单颗粒的剪切运移和破坏可归纳为滚动、滚动-滑动、压碎-滚动运移和碾碎、滚动-压碎破坏5类，取决于法向应力和颗粒形状，不同破坏类型下微裂纹演化特征明显不同；颗粒的破碎程度整体随法向应力的增加而增加，随a/b的增加而降低，不连续面壁磨损程度随法向应力和a/b的增加而增加；张拉裂纹是引起颗粒及不连续壁面破坏的主要原因；颗粒破碎后形成的碎屑混合物的尺寸分布可用幂指数（或分形维数）D表征，D越小，颗粒破碎程度越低。(2)充填同种形状的双颗粒时，颗粒及不连续面壁表面的细观粗糙度是造成剪切力学性质差异的主要原因；充填不同形状的双颗粒时，a/b较大的颗粒承担了更多的压剪荷载，破碎程度更高；颗粒间的摩擦也对其表面磨损及剪切运移破坏过程产生重要影响。(3)不连续面的平均摩擦强度与充填碎屑混合物的尺寸分布密切相关，a/b增大或法向应力减小导致生成的较大角砾状碎块数量增加，进而引起总体摩擦强度增加。提出了估算颗粒充填不连续面平均摩擦强度的经验关系式，并通过文献中的数据...     

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。     

含脉状缺陷结构岩石循环加卸载损伤及强度特性试验研究

调查大光包滑坡滑带含脉状缺陷结构岩石碎裂特征,研究该类含缺陷岩石的循环加卸载破损机制,基于图像识别技术对试样中脉状缺陷面积进行统计,分别进行单轴压缩和加卸载试验。试验结果表明,缺陷结构界面易构成试样的潜在破坏面,加卸载应力处于弹性区间仍能明显造成该类试样损伤。同时,缺陷面积比对试样泊松比、损伤规律和峰值强度有较大影响,在加卸载作用下脉状缺陷面积比越大,相同加卸载次数时岩石泊松比越大,造成的损伤程度越高,岩石峰值强度降低越明显;脉状缺陷面积比越小,岩石泊松比越小,造成的损伤程度越低,岩石峰值强度降低有限。研究成果揭示了地震过程中缺陷结构和岩石非协调变形造成的累计损伤和强度劣化特征。