岩石受力过程多种物理场耦合关系研究

论文摘要

构造活动及岩石受力灾变过程中会引起许多物理变化,如应力增加、变形、出现声发射、电磁辐射、红外辐射变化等。这些物理量在时空上存在变化规律,相互间存在着必然的联系。如何对这些物理量进行有效、协同、集成监测,以达到不同监测手段的优势互补,是固体地球灾害(包括地质灾害、地震灾害与矿山灾害等)监测预警的关键。选择拐折非连通断层和岩石隧道(矿山巷道)工程作为研究对象,利用物理模拟实验和数值模拟手段,开展了构造活动与岩石受力灾变过程中的应力场、应变场、红外辐射温度场、声发射场等多种物理场的时、空演化规律及耦合关系研究,主要取得了以下成果:拐折非连通断层在受力过程中应力场、应变场、声发射场以及红外辐射温度场出现规律性变化,不同阶段、不同空间区域的变化特征不同,失稳前沿断层及岩桥部位出现“三点高温”和“交替演化”的红外辐射异常特征。红外辐射温度场的变化与应力场、形变场、声发射等存在密切关系。含圆孔结构岩石试件在加载过程中拉、压应力集中区沿圆孔对称出现。弹性阶段,圆孔上下的拉应力集中区,表现降温现象;圆孔左右两侧的压应力集中区,表现为升温现象。实验结果表明,岩石在受力与灾变过程中,应力场、应变场、声发射场以及红外辐射温度场之间呈现很好的耦合关系,通过对多种物理场的联合、协同观测可望达到断层活动以及岩石工程灾变的有效监测预警。研究成果对于岩石受力过程多种物理现象的理解,以及实际构造活动及岩石工程灾变的监测预警具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 国内外对岩石加载过程红外辐射规律研究现状
• 1.1.1 国外研究现状
• 1.1.2 国内研究现状
• 1.2 研究意义及研究内容
• 1.2.1 研究意义
• 1.2.2 主要研究内容
• 2 理论基础
• 2.1 热辐射的基础理论
• 2.2 热弹定律
• 2.3 热成像原理及热像仪系统
• 2.4 数字散斑应变测量原理
• 3 拐折非连通断层模型加载实验
• 3.1 实验设计
• 3.1.1 实验设备
• 3.1.2 实验试样
• 3.1.3 实验方法
• 3.2 断层模型加载过程的数值模拟分析
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 断层模型的载荷-时间曲线及表征的力学性质
• 3.3.2 断层模型加载过程应变场变化特征
• 3.3.3 断层模型加载过程红外辐射变化规律
• 3.4 断层模型加载过程中多种物理场耦合关系
• 3.5 实验结果的物理机制讨论
• 3.6 本章小结
• 4 含孔洞岩石加载实验
• 4.1 实验设计
• 4.2 模型加载过程中的数值模拟分析
• 4.3 实验结果
• 4.3.1 含孔洞模型的载荷-时间曲线及表征的力学性质
• 4.3.2 含孔洞岩石模型加载过程应变场变化特征
• 4.3.3 含孔洞岩石模型加载过程红外辐射变化规律
• 4.3.4 模型结构对试件红外辐射特征的影响
• 4.4 含孔洞试件加载过程中多种物理场耦合关系
• 4.5 含孔洞试件实验结果的物理机制讨论
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 导师简介
• 作者简介
• 学位论文数据集