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。

扰动作用下硬岩蠕变及剪切破坏实验研究

为了研究深部岩体在扰动作用下的非线条蠕变特征和蠕变扰动效应,采用岩石扰动蠕变试验装置,选用片麻岩为试样,并采用了分级加载方式。在静态轴压、不同扰动幅值和频率的作用下,进行了岩石压缩扰动蠕变试验,以获得扰动载荷对岩石蠕变特性的影响。实验结果显示:试样的剪切行为和剪切应力曲线可分为完整试样的压剪破裂和剪断后试样的剪切滑移。通过对剪切变形与剪切应力的结果分析,在轴压达到40MPa时,观察到岩石进入了蠕变敏感的起始阶段。当轴压超过40MPa后,岩石的蠕变应变急剧增加,曲线呈现更为陡峭的变化。这表明在特定的轴压水平下,岩石对扰动的反应更为敏感。研究结果有助于深入认识岩石剪切蠕变力学行为。

增减湿效应对延安Q_(3)黄土抗压强度的影响规律

黄土是一种具有显著水敏性的非饱和土,其力学性质变化与湿度状态密切相关。以延安新区Q_(3)黄土为研究对象,开展原状与重塑黄土无侧限抗压强度试验,研究土体湿度变化与湿干循环次数对黄土试样无侧限抗压强度的影响规律。试验结果表明,湿度变化对原状黄土压剪破坏后产生的压裂角影响显著,低含水率试样压剪破坏呈脆性特征,随含水率增大,塑性特征越明显;黄土应力与应变关系曲线分布随初始含水率增加由“陡峰型”向“平缓型”过渡,应力峰值逐渐减小;黄土无侧限抗压强度随含水率增加呈衰减趋势,且原状黄土无侧限抗压强度明显高于重塑黄土;采用Logistic函数可较好地描述黄土无侧限抗压强度与土体初始含水率的关系;黄土无侧限抗压强度衰减系数曲线具有明显的分段特征,初始含水率超过15%后βw衰减趋势逐渐减缓;黄土无侧限抗压强度与湿干循环次数之间的关系符合线性衰减趋势,且原状黄土较重塑黄土试样衰减迅速。研究结果可为旱区黄土工程设计提供参考。

应力比影响下的破裂角、闭锁角、摩擦系数及其耦合关系

裂纹扩展和摩擦系数分属两个学科而鲜有联系,摩擦系数理论较少,主要依赖实验获得。在Griffith椭圆形裂纹基础上讨论摩擦面状裂纹力学模型,计算了单轴、三轴压应力情况下微裂纹扩展的期望方向及应力集中,那些方向偏离宏观破裂方向较大角度的裂纹因闭锁而无法延伸,应力比3/1越大,可扩展的微裂纹越向宏观裂纹面方向集中,随着围压3的增加,闭锁范围增大,实现了裂纹张性向剪性的转变。摩擦系数、方向集中度、应力比呈耦合关系,一方面,摩擦系数越大越利于微裂纹方向集中;另一方面微裂纹的方向集中导致了宏观裂纹面(裂缝)上凸起角度降低,进而减小摩擦系数。围压和裂纹扩展期的应力状况是影响摩擦系数的重要因素,3/10.4≤往往成为裂纹扩展的应力条件,凸起斜面摩擦系数越大,临界应力比越小。裂纹粗糙度(或分维数)对形成期的应力状况具有一定记忆功能。