-.z.省專業(yè)技術(shù)人員繼續(xù)教育知識更新培訓(xùn)地質(zhì)工程專業(yè)〔2013年〕遙感—巖石力學(xué)學(xué)習(xí)材料科技學(xué)院2013年1月遙感—巖石力學(xué)專題教學(xué)方案科技學(xué)院德智一、教學(xué)目的與要求以專業(yè)技術(shù)人才的能力建立為核心，以提高專業(yè)技術(shù)人員的創(chuàng)新能力、專業(yè)水平和科學(xué)素質(zhì)為目的，通過組織網(wǎng)上自學(xué)和網(wǎng)上面授輔導(dǎo)的方式，強化學(xué)員的專業(yè)知識，使各類專業(yè)技術(shù)人員了解本專業(yè)的科技開展動態(tài)，掌握本專業(yè)的最新科技理論和技術(shù)成果，為省開展建立提供強有力的人才保障和智力支持。二、課程設(shè)置及授課方案序號課程名稱總學(xué)時學(xué)時分配考核方式網(wǎng)上函授網(wǎng)上面授以完成思考題和撰寫論文相結(jié)合形式1遙感—巖石力學(xué)4840〔高、中級〕48〔初級〕8〔高、中級〕初級職稱人員完成兩次思考題，培訓(xùn)中期和完畢前各一次；高、中級職稱人員在培訓(xùn)中期完成一次思考題，培訓(xùn)完畢后成一篇學(xué)習(xí)體會〔3000-5000字〕。2創(chuàng)新能力建立：專業(yè)技術(shù)人員創(chuàng)新案例2420〔高、中級〕24〔初級〕4〔高、中級〕合計726012三、學(xué)習(xí)考核1、思考題和學(xué)習(xí)體會通過知識更新網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺提交。聯(lián)系：。2、培訓(xùn)實行單科結(jié)業(yè)制，凡堅持參加學(xué)習(xí)，按時提交作業(yè)和研究論文，公需科目和專業(yè)科目考試均取得及格以上成績者，可獲得由省人力資源和社會保障廳頒發(fā)的合格證書，作為職稱評定的條件之一。目錄TOC\o"1-2"\h\z\u遙感—巖石力學(xué)概述11.1遙感—巖石力學(xué)的產(chǎn)生和開展11.2遙感—巖石力學(xué)的遙感學(xué)根底 61.3遙感—巖石力學(xué)的巖石力學(xué)根底71.4遙感—巖石力學(xué)的應(yīng)用 16思考題 23-.z.遙感—巖石力學(xué)概述1.1遙感—巖石力學(xué)的產(chǎn)生和開展1.1.1遙感—巖石力學(xué)的產(chǎn)生遙感—巖石力學(xué)〔RemoteSensingRockMechanics，RSRM〕源自構(gòu)造地震衛(wèi)星熱像異常的模擬實驗探索及礦壓紅外探測根底實驗研究，是紅外、微波等現(xiàn)代遙感技術(shù)引入現(xiàn)代巖石力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域進展穿插學(xué)科的相關(guān)產(chǎn)物?！?〕構(gòu)造地震衛(wèi)星紅外異常的發(fā)現(xiàn)利用衛(wèi)星熱紅外〔ThermalInfrared，TIR〕遙感技術(shù)，可以遙感探測地球外表大區(qū)域溫度場分布情況，1988年，前聯(lián)學(xué)者Gorny等〔1988〕在研究中亞地區(qū)的地震時，發(fā)現(xiàn)該區(qū)的很多中強地震震前的熱紅外圖像上均出現(xiàn)溫度異常，并且這些溫度異常多與斷裂構(gòu)造有關(guān)。這引起了中國有關(guān)學(xué)者的密切關(guān)注，并相繼在中國和國外發(fā)現(xiàn)了類似的情況，并且基于地震震前衛(wèi)星紅外異常的特征進展了嘗試性的地震預(yù)報，取得了可喜的成果。強祖基等多年對衛(wèi)星熱紅外異常進展研究，發(fā)現(xiàn)許多中強地震前1～3月，震中區(qū)附近會出現(xiàn)短期的熱紅外增溫現(xiàn)象，如1992年4月20日花蓮①震前在衛(wèi)星遙感的10.5～12.5μm波段的紅外圖像上，在震中附近出現(xiàn)孤立的高溫異常區(qū)域，異常區(qū)域的形狀呈圓、橢圓、條帶及塊狀，并且該區(qū)域在震前隨著地震的臨近而發(fā)生遷移以及形狀和走向的變化。②異常區(qū)域的溫度比周圍一般高2～6℃。③高溫異常區(qū)域的面積越大，溫度越高，發(fā)生地震的震級越大：當(dāng)高溫異常區(qū)域的面積在70萬Km2或以上時，相應(yīng)的地震震級在7級以上；當(dāng)高溫異常區(qū)域的面積在40～70萬Km2時，相應(yīng)的地震震級在6級以上；當(dāng)高溫異常區(qū)域的面積在10～30萬Km2時，相應(yīng)的地震震級在5級以上。④利用增溫異常演化特征來追尋未來地震發(fā)生的震中位置，往往位于隨時間遷移的增溫異常的前緣，或其前鋒與地震帶、活動構(gòu)造帶交匯部位，或孤立亮溫增溫異常凹陷部位，或兩組應(yīng)力熱帶交匯部位。⑤一般在增溫亮溫異常開展到鼎盛時期后，在幾天到60天發(fā)震。徐秀登等對1989～1999年發(fā)生在我國及鄰國的40屢次地震震前的衛(wèi)星熱紅外進展分析，初步總結(jié)出現(xiàn)紅外異常具有如下根本特征：①Ms＞5的地震震前大多有清晰可辨的熱紅外遙感臨震異常顯示。②熱紅外異常多在震前2～22天突然出現(xiàn)，呈現(xiàn)突發(fā)性特征。③與地震有關(guān)的熱紅外異?？沙掷m(xù)幾天到十幾天，甚至更長，而非地震異常則會很快消失。④震前二到十幾天累計增溫幅度可達幾度到十幾度，異常幅度是顯著的，異常區(qū)的溫度比背景溫度高出幾度，異常幅度與震級相關(guān)性不是很明顯，但一般呈正相關(guān)。⑤增溫異常圍大，5級以上地震可達20～100萬Km2，異常面積的大小與震級呈一定程度的正相關(guān)。⑥在40次地震中有30次地震的震中位于弱異常區(qū)域或異常區(qū)邊緣甚至遠離異常區(qū)幾十公里。⑦增溫異常一般經(jīng)歷初始—高潮—平靜3個階段，異常演變多呈階段性，但也有異常演變具多旋回性，即增溫經(jīng)頂峰到平靜期后并不發(fā)震，又出現(xiàn)第二輪甚至第三輪再增溫過程，最后才發(fā)震。為探索構(gòu)造地震衛(wèi)星紅外異常的在機制，20世紀90年代以來，我國的地球物理、遙感、地震與航天界等多家單位合作，開展了巖石加載過程中紅外輻射〔InfraredRadiation，IRR〕的實驗探索研究。實驗發(fā)現(xiàn)：①單軸加載過程中，巖石紅外輻射溫度隨應(yīng)力而變化：加載初期平靜或略有下降，隨后緩慢上升，臨破裂前快速上升，分別與應(yīng)變—應(yīng)力曲線的3階段相對應(yīng)；②當(dāng)巖石由應(yīng)力峰值階段進入破壞過程中，熱像顯示出低溫區(qū)擴大，低溫條帶即是隨后主破裂的位置；③隨著應(yīng)力的增加，巖石的紅外輻射光譜在保持其形態(tài)根本不變的情況下輻射強度明顯增加，巖石破裂前其紅外輻射強度到達最高值?！?〕礦壓遙感監(jiān)測的實驗探索煤礦開采，由于生產(chǎn)工藝的要求和地質(zhì)構(gòu)造的影響，常在采場中預(yù)留各種類型的煤柱，這些煤柱無論形狀、分布如何，都無一例外地兼有支撐和隔離作用。歷史和實踐說明，當(dāng)這些煤柱突然失穩(wěn)時，會造成地表沉陷異常加劇，如地表塌陷、斷裂等。準(zhǔn)確獲取煤柱應(yīng)力和變形分布特征，對分析煤柱的穩(wěn)定性非常重要。煤柱應(yīng)力與變形的分布，可以通過實驗室模擬試驗或計算機數(shù)值模擬而獲取，也可以通過現(xiàn)場實地監(jiān)測獲取。與實驗室模擬試驗相比，現(xiàn)場實地監(jiān)測雖然費用較高，時間較長，但是具有直接獲得煤柱應(yīng)力和變形分布特征的優(yōu)點；同時，現(xiàn)場測試結(jié)果也是檢驗理論分析和實驗室模擬結(jié)果是否正確、合理的標(biāo)準(zhǔn)。因此?，F(xiàn)場實地監(jiān)測對分析煤柱的穩(wěn)定性是十分重要的。煤柱承載直到屈服破壞，是一個動力學(xué)過程；巖爆、煤巖與瓦斯突出是一個動力學(xué)過程；煤層頂、底板破壞也是一個動力學(xué)過程。它們在地應(yīng)力和采動應(yīng)力的共同作用下，產(chǎn)生移動變形，并引起成礦礦物部構(gòu)造的物理、化學(xué)變化，其中必然包括能量轉(zhuǎn)化和電子躍遷，如一局部機械能轉(zhuǎn)化為能；或一局部固有熱能轉(zhuǎn)化為機械能，并以電磁輻射的形式表現(xiàn)出來。因此，以電磁輻射為信息根底的遙感技術(shù)有望成為礦山壓力、巖爆、煤與瓦斯突出等動力現(xiàn)象提供一種新的遙感監(jiān)測與預(yù)測預(yù)報技術(shù)。礦山實踐說明，具有一定規(guī)模構(gòu)造應(yīng)力場或瓦斯突出現(xiàn)象的礦井往往會造成礦區(qū)局部溫度異常。例如1986年莊礦井下頻繁發(fā)生應(yīng)力集中和沖擊地壓時，環(huán)境溫度場高達34℃；英國西斯海德—特賴馬任爾礦井的一次突出中，突出的煤屑溫度高達60℃；另外發(fā)生瓦斯突出時，常出現(xiàn)煤壁溫度或環(huán)境溫度降低的無聲前兆，如1951年12月為了探索礦壓及煤巖在應(yīng)變及屈服過程中的紅外輻射規(guī)律，我國著名學(xué)者吳立新教授和藹軍教授進展了煤巖及其頂板砂巖受壓過程中的紅外熱像與輻射溫度特征的實驗探索。實驗發(fā)現(xiàn)：①煤巖單軸壓縮屈服過程中有3類輻射熱像特征和3類輻射溫度異常特征，其中3類輻射熱像特征分別為單調(diào)升溫、低溫前兆型，緩慢升溫、快速高溫前兆型和先降后升、持續(xù)輻射高溫前兆型；上述3類熱像特征和輻射溫度異常特征分別對應(yīng)3類屈服前兆信息。②紅外探測與聲發(fā)射、電阻率探測具有可比性；一般情況下，熱紅外前兆晚于聲發(fā)射前兆和電阻率前兆，但具煤爆傾向的煤巖的輻射溫度的前兆則相反。在綜合研究和分析比照的根底上提出，0.79σC附近是礦壓及其災(zāi)害監(jiān)測的“應(yīng)力預(yù)警區(qū)〞為了解地下巷道礦壓顯現(xiàn)的紅外輻射情況，吳立新教授和藹軍教授還進展了中間穿孔〔模擬地下巷道〕的煤礦砂巖在單軸受壓條件下的紅外輻射實驗探索。實驗發(fā)現(xiàn)：試塊破裂前，孔口附近出現(xiàn)明顯的紅外輻射異常前兆，而且前兆位置正是破裂位置，前兆位置與理論分析和有限元計算的破裂位置一致。上述實驗探索結(jié)果說明，礦壓顯現(xiàn)和煤柱屈服過程中存在明顯的紅外異常現(xiàn)象，而且紅外熱像能夠反映礦壓顯現(xiàn)的位置、應(yīng)力遷移現(xiàn)象和巖石破裂的性質(zhì)?！?〕遙感—巖石力學(xué)的產(chǎn)生1992年，耿乃光、承禹、鄧明德3位學(xué)者在"地震學(xué)報"上以“巖石破裂實驗中的遙感觀測與遙感巖石力學(xué)的開端〞一文，共同提出：“遙感技術(shù)與巖石力學(xué)相結(jié)合，導(dǎo)致在巖石力學(xué)中建立一個新的學(xué)科領(lǐng)域—遙感巖石力學(xué)，或叫‘遙感巖石物理學(xué)’。〞并且預(yù)言：“遙感巖石力學(xué)有廣闊的應(yīng)用前景，隨著研究的深入，有可能建立一種應(yīng)用遙感技術(shù)探測巖體應(yīng)力狀態(tài)和巖體穩(wěn)定性的新方法。在大圍方面，可通過搭載衛(wèi)星和飛機的遙感儀器對地面進展遙感觀測，以探索測量地殼應(yīng)力場活動構(gòu)造應(yīng)力和預(yù)報地震；在小圍方面，可在地面對礦山巖體進展遙感觀測來測定巖體的應(yīng)力狀態(tài)，評估巖體的穩(wěn)定性和巖爆的發(fā)生。〞考慮到遙感巖石力學(xué)是一門穿插學(xué)科，應(yīng)該強調(diào)遙感與巖石力學(xué)的穿插性和遙感技術(shù)作為巖石力學(xué)研究手段的方法性。故吳立新、耿乃光、承禹在2000年9月正式向國際學(xué)術(shù)界提出了“遙感—巖石力學(xué)〔RemoteSensingRockMechanics，RSRM〕〞這一學(xué)科術(shù)語，并系統(tǒng)闡述了RSRM的定義、學(xué)科涵和信息邏輯。遙感—巖石力學(xué)的定義如下：遙感—巖石力學(xué)是一門基于遙感科學(xué)、巖石力學(xué)、地球物理學(xué)和信息科學(xué)的穿插科學(xué)。它研究巖石類固體材料〔包括巖石、混凝土、磚等〕在應(yīng)力、應(yīng)變作用下電磁輻射變化的物理—力學(xué)機制，研究巖石類固體材料及其構(gòu)造屈服與破裂過程的電磁輻射特征、規(guī)律與前兆，并應(yīng)用于地震預(yù)報、采礦工程、構(gòu)造工程等地質(zhì)力學(xué)與巖石工程領(lǐng)域。1.1.2遙感—〔1〕由實驗探索到定性研究遙感—巖石力學(xué)的研究始于實驗探索。在最初的實驗中，研究者發(fā)現(xiàn)巖石在加載過程中，隨著應(yīng)力的增加紅外輻射強度和微波輻射強度均發(fā)生相應(yīng)變化，說明巖石受力后存在紅外輻射和微波輻射異常效應(yīng)，但其規(guī)律和機制還不清楚。隨著實驗的進一步進展，研究者逐漸發(fā)現(xiàn)，在巖石加載過程中，紅外輻射出現(xiàn)規(guī)律性變化，這些變化與巖石的應(yīng)力狀態(tài)有著密切關(guān)系。1991～2000年10年間，從實驗探索起步，根本屬于定性研究階段，主要圍繞巖石單軸加載和摩擦滑移進展，主要成果及結(jié)論包括：①巖石在加載過程中，巖石外表的紅外輻射溫度隨應(yīng)力變化而變化。在加載初期平靜或略有下降，隨后緩慢上升，臨破裂前快速上升，分別與應(yīng)變—應(yīng)力曲線的3個階段〔壓密、線彈性和屈服破裂〕相對應(yīng)。②當(dāng)巖石由應(yīng)力峰值進入破壞過程中，熱像中的低溫區(qū)有短暫擴大現(xiàn)象，低溫條帶是隨后主裂的位置〔耿乃光等，1992；承禹等，1993〕。③隨著應(yīng)力的增加，巖石的紅外輻射光譜在保持其形態(tài)的情況下輻射強度明顯增加，巖石破裂前其紅外輻射強度到達最高值〔承禹等，1993〕。④剪切破裂位置出現(xiàn)高溫輻射條帶，而性破裂出現(xiàn)低溫條帶，巖石在破裂前出現(xiàn)紅外異常前兆〔耿乃光等，1998〕。⑤巖石摩擦滑移過程中，隨著位移的增加紅外輻射溫度升高，在黏滑前出現(xiàn)紅外輻射溫度的增溫異常前兆〔耿乃光等，1998〕。⑥含水巖石紅外輻射能力比枯燥時有所降低，但加載過程中含水巖石的紅外輻射能力隨應(yīng)力的增加大于枯燥巖石的增加量，即水對于受力巖石紅外輻射起到了推動作用〔鄧明德等，1997〕。⑦煤巖壓縮屈服過程中有3類輻射熱像特征和3類輻射溫度異常特征，且分別對應(yīng)3類屈服前兆信息；0.79σC可作為煤巖穩(wěn)定性監(jiān)測的應(yīng)力預(yù)警區(qū)；隨壓應(yīng)力、剪應(yīng)力上升，巖石試塊的紅外輻射強度總體呈上升趨勢；而拉應(yīng)力對巖石試塊的紅外輻射影響不大，幾乎監(jiān)測不到異常前兆；試塊單壓、壓剪破裂前，沿破裂位置出現(xiàn)紅外輻射高溫異常前兆〔吳立新等，2000〕?！?〕由定性研究到定量研究2001～2005年的5年間，在繼續(xù)擴大進展實驗探索與定性研究的同時，有目的的組織進展巖石撞擊、單軸壓縮和黏滑的定量根底實驗研究工作。A:巖石撞擊的定量研究鋼球撞擊不同材料的紅外觀測實驗探索中曾發(fā)現(xiàn)：靶元受撞擊瞬間的輻射升溫幅度與落球勢能線性相關(guān)，并指出一旦確定了與彈體特征和靶體材料相對應(yīng)的撞擊勢能和靶元輻射升溫幅度的關(guān)系函數(shù)與有關(guān)參數(shù)，就可以實現(xiàn)基于熱紅外遙感成像技術(shù)的固體撞擊瞬態(tài)過程的偵測與反分析。為了進一步研究巖石撞擊的紅外輻射規(guī)律并進展定量反演研究，設(shè)計了大量的巖石撞擊實驗〔吳立新等，2003～2006〕，實驗發(fā)現(xiàn)：①同種巖石在不同撞擊條件下具有不同的輻射特征，巖石靶元撞擊瞬間的輻射特征與巖石類型密切相關(guān)。一樣撞擊條件下，紅色花崗巖及花崗閃長巖輻射升溫相對小于輝長巖及巖；輻射升溫與撞擊高度近線性相關(guān)，相關(guān)程度由高到低分別為：相對均質(zhì)巖、非均質(zhì)的花崗巖、花崗閃長巖及輝長巖。②同種巖石在不同撞擊條件下具有不同的輻射特征，其撞擊產(chǎn)生的輻射能量與撞擊參數(shù)密切相關(guān)。撞擊熱輻射影響區(qū)的周長與撞擊速度直線相關(guān)，其面積與彈體動能也直線相關(guān)。③基于熱紅瓦成像技術(shù)的撞擊實驗監(jiān)測結(jié)果說明，由熱像特征可以定性、定量反演有關(guān)撞擊參數(shù)，包括巖石類別、靶元特征、撞擊體參數(shù)等?；诰|(zhì)巖石靶元的定量反演具有較高的精度，以巖為例，由輻射溫度反演撞擊高度，其相對誤差＜12%。B:巖石單軸壓縮的定量研究對巖石單軸加載過程中力學(xué)參量與紅外輻射參量的定量關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巖石為強脆性、成分均一、無損傷的完整巖石時，紅外輻射參量與力學(xué)變量之間存在較好的定量關(guān)系。①巖石外表的平均紅外輻射溫度與應(yīng)力和應(yīng)變之間呈線性正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)軸向應(yīng)力增加1MPa時，輝長巖、片麻巖、花崗閃長巖的輻射溫度上升分別為3.70×10-4℃、6.26×10-49.74×10-4℃；當(dāng)比較于1個單位的軸向壓應(yīng)變時，3種巖石的溫度分別上升6.59℃、12.45℃②對單軸加載實驗的試塊進展統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，73%樣品的紅外輻射能與其所受的機械能呈很好的線性關(guān)系，線性擬合的相關(guān)系數(shù)可達0.99以上，粗估計算說明，巖、輝長巖、石灰?guī)r、片麻巖、花崗閃長巖平均有0.68%的機械能轉(zhuǎn)化為紅外輻射能，而花崗閃長巖的能量轉(zhuǎn)化率最高，可達0.95%。C:巖石黏滑的定量研究①輝長巖和花崗閃長巖的平均輻射溫度和最高輻射溫度增幅與正應(yīng)力間近似呈線性關(guān)系。即正應(yīng)力增高，巖石的平均紅外輻射溫度和最高紅外輻射溫度呈線性增加，擬合直線的相關(guān)系數(shù)在0.9以上；當(dāng)正向應(yīng)力增加1MPa時，輝長巖和花崗閃長巖的最高輻射溫度分別增加0.276℃和0.167℃，平均輻射溫度分別增加0.055℃②巖石黏滑過程中機械能與紅外輻射溫度增量之間也呈線性關(guān)系。〔3〕由根底實驗到應(yīng)用根底研究A：構(gòu)造地震預(yù)測的實驗?zāi)Ｐ徒⒓皩嵗炞C①破裂型地震預(yù)測的實驗?zāi)Ｐ徒⒒趲r石單軸、壓剪加載的紅外觀測實驗，研究加載過程中紅外輻射溫度及紅外熱像的變化規(guī)律，重點研究巖石破裂前的紅外異常前兆現(xiàn)象，獲得巖石破裂的紅外前兆的時空分布及演化規(guī)律。實驗結(jié)果說明：巖石破裂的紅外前兆有兩種表現(xiàn)形式，分別為熱像異常表現(xiàn)形式和平均紅外輻射溫度—時間曲線異常表現(xiàn)形式；熱像異常有高溫條帶和低溫條帶兩種類型，平均紅外輻射溫度—時間曲線異常則有短暫降溫、升溫加速和降溫轉(zhuǎn)升3種類型；巖石破裂紅外前兆出現(xiàn)在微破裂發(fā)育的塑性變形階段，平均紅外輻射溫度—時間曲線前兆出現(xiàn)在σ=0.77～0.87σp應(yīng)力區(qū)間；巖石破裂出現(xiàn)紅外前兆和幾率與應(yīng)力作用方式有關(guān)。②非連續(xù)斷層破裂發(fā)震預(yù)測的實驗?zāi)Ｐ偷慕⒀懔泻凸簿€非聯(lián)通斷層是兩種常見的非連續(xù)斷層，許多構(gòu)造地震的發(fā)震都與其有關(guān)。對兩種非連續(xù)斷層模型加載的紅外輻射觀測實驗結(jié)果顯示：兩種非連續(xù)斷層在應(yīng)力積累至破壞過程中，載荷—位移曲線呈現(xiàn)出階段性特征，相應(yīng)的紅外輻射溫度〔平均紅外輻射溫度〕變化和模型熱像也具有階段性規(guī)律，尤其在應(yīng)力閉鎖階段和解鎖階段特征明顯；在斷層破裂失穩(wěn)前，破裂區(qū)域的紅外輻射出現(xiàn)短暫的平靜。上述實驗結(jié)果說明，斷層破裂區(qū)熱紅外遙感圖像的平均紅外輻射溫度可以作為地震破裂的短期監(jiān)測與分析指標(biāo)，可通過對監(jiān)測區(qū)平均紅外輻射溫度的升溫趨勢來對地震進展短期預(yù)警；在短期預(yù)警的根底上，從破裂區(qū)衛(wèi)星熱紅外遙感圖像上尋找局部熱異常條帶，可進一步預(yù)測發(fā)震位置。在上述根底上，通過監(jiān)測平均紅外輻射溫度的下降和熱像局部熱異常條帶的減弱〔平靜〕現(xiàn)象的同時出現(xiàn)，即可以進展地震的臨期預(yù)測。③斷層黏滑型地震預(yù)測的實驗?zāi)Ｐ徒⒒跀鄬羽せ瑢嶒灥募t外輻射監(jiān)測與分析，提醒：摩擦面上各處的熱效應(yīng)會因應(yīng)力分布狀況的不同而存在差異；摩擦剪切帶附近的熱像時空演變特征與摩擦外表的性狀〔包括摩擦面兩側(cè)的巖性組成、摩擦面粗糙度及幾何特征等〕有很大關(guān)系，導(dǎo)致巖石外表紅外熱像時空非均衡演化特征；當(dāng)摩擦面*些部位的應(yīng)力超過巖石強度時，巖石發(fā)生破裂，而在臨破裂前，隨著應(yīng)力集中點逐漸向破裂位置遷移，輻射高溫中心也向破裂位置遷移?；谏鲜鲅芯?，推斷出有地震前兆意義的結(jié)論：孕育構(gòu)造對于紅外輻射增溫異常的時空演化特征具有控制作用；紅外增溫異常的演化方向代表了應(yīng)力場的演化趨勢，對于發(fā)震的時間與空間要素確實定具有重要意義。④交匯型斷層發(fā)震監(jiān)測模式的建立交匯型斷層也是一種常見的組合斷層，許多構(gòu)造地震的發(fā)生于交匯斷層的活動有關(guān)。通過對交匯型斷層活動過程的紅外輻射規(guī)律的研究，說明：交匯型組合斷層活動過程呈現(xiàn)階段性變化特征，表現(xiàn)為初始加載的應(yīng)力上升階段和之后的重復(fù)黏滑階段；不同交匯角度的組合斷層其聲發(fā)射〔AcousticEmission,AE〕紅外輻射特征明顯不同，交匯斷層活動的紅外特征與斷層幾何構(gòu)造有關(guān)。基于上述研究,推斷出有地震前兆意義的結(jié)論：可將AE與紅外輻射手段結(jié)合來監(jiān)測斷層活動過程的AE和紅外輻射溫度的變化特征，提取地震黏滑的短臨時間信息；利用紅外熱像密切監(jiān)測斷層的交匯部位，特別當(dāng)兩組斷層呈垂直交匯時，交匯部位是地震監(jiān)測的重點部位；一旦出現(xiàn)交匯部位的強紅外輻射異?，F(xiàn)象，即可對地震進展短期預(yù)測。B：巖石撞擊引發(fā)礦井瓦斯爆炸可能性的實驗探索通過沉積巖石撞擊的紅外輻射觀測實驗發(fā)現(xiàn)：①撞擊瞬間，巖石撞擊中心部位或飛濺破碎體輻射溫度升高可達218℃，且保持在100②枯燥巖石升溫高于潮濕巖石；③不規(guī)則巖石升溫高于規(guī)則巖石；④石灰?guī)r升溫高于砂巖。煤礦采掘過程中，由于巖塊質(zhì)量往往大于實驗樣品且?guī)缀涡螤畈灰?guī)則，特別是發(fā)生巖爆或煤與瓦斯突出時，巖塊的撞擊能與撞擊速度將遠大于實驗情形，其溫度應(yīng)更高，并能維持更長時間的高溫，這樣的高溫易使沉積巖石中的易燃物起火〔黃磷的燃點約34℃，硫的燃點約207C：混凝土構(gòu)造失穩(wěn)過程的紅外監(jiān)測研究最初的研究主要集中在混凝土材料在加載過程中的紅外〔包括微波〕輻射規(guī)律的探測上。而針對實際應(yīng)用進展工程物理實驗?zāi)M研究還未開展，目前正著手開展混凝土工程物理模擬的加載紅外監(jiān)測實驗，擬研究模型在加載過程中紅外輻射的變化特征及變化規(guī)律，研究模型失穩(wěn)破壞的紅外輻射前兆，并最終建立巖石及混凝土工程安康狀況紅外技術(shù)診斷的技術(shù)模式。1.2遙感—巖石力學(xué)的遙感學(xué)根底1.2遙感〔RemoteSensing〕是一種遠距離的、非接觸式的目標(biāo)探測技術(shù)與方法。對于遙感有多種定義，廣義的遙感泛指一切無接觸的遠距離探測，包括電磁場、力場、機械波〔聲波、地震波〕等。目前，對遙感比較一致的定義：在遠離被測物體或現(xiàn)象的位置上，使用各種儀器設(shè)備，承受、記錄物體或現(xiàn)象反射或發(fā)射的電磁波信息，經(jīng)過對信息的運輸、加工、處理、分析與解譯，對物體或現(xiàn)象的性質(zhì)極其變化進展探測與識別的理論與技術(shù)?！?〕電磁輻射源自然界中的一切物體在一定溫度下〔高于絕對溫度零度〕都具有發(fā)射輻射電磁波的特性。遙感輻射源可分為自然輻射源和人工電磁輻射源兩大類。①自然輻射源自然輻射源主要包括太陽輻射和地物熱輻射。太陽輻射是可見光和近紅外遙感系統(tǒng)的主要輻射源，地球自身則是遠紅外遙感的輻射源。太陽是一個巨大的電磁輻射源，太陽外表溫度高達6000k，部溫度則更高，每秒鐘輻射出的熱量大于3.84×1026J。由于大氣對太陽輻射具有一定的吸收、散射和反射作用，盡管太陽輻射能量到達地球時有一定損失，但它到達地球的能量仍有1.73×1017J之大，地球的主要能量來源就是太陽。太陽輻射覆蓋了很寬的波長圍，從短于10-14m的γ射線一直到波長大于20km②人工輻射源主動式遙感〔包括主動式微波遙感〕采用人工輻射源。人工輻射源是指人為發(fā)射具有一定波長〔或一定頻率〕的波束。工作時承受并判斷地物散射該光束而返回的后向反射信號的強弱，從而探知地物或測距，又稱為雷達探測。雷達又可分為微波雷達和激光雷達，在微波遙感中，目前常用的技術(shù)是側(cè)視雷達。一般情況下，微波輻射源常用的波段為0.8～30μm，而激光輻射源波長圍則較寬，短波波長可到0.24cm以下，長波波長可達1000cm。〔2〕輻射的度量①輻射能：指以電磁波的形式發(fā)射、傳輸或承受的能量，單位J。②輻射通量：指單位時間通過*一外表的輻射能量，單位W。③輻射通量密度：指單位時間從單位面積上輻射出的輻射能量，單位W/m2。④點源輻射強度：指點輻射源在*一給定方向上單位立體角的輻射通量，單位是W/sr。⑤面源發(fā)射亮度：指面狀輻射源在*方向上的單位投影面積上的單位立體角的輻射通量，單位是W/〔m2.sr〕(3)黑體輻射①絕對黑體為便于討論物體的熱輻射性質(zhì)，需要一個理想的標(biāo)準(zhǔn)熱輻射體作為參照源，這就是絕對黑體〔簡稱黑體〕。黑體是指在任何溫度下，入射的全部電磁波被完全吸收，既無反射也無透射的物體。②黑體輻射定律1900年，普朗克用量子論推導(dǎo)出熱輻射定律，提醒黑體輻射通量密度與其溫度和輻射波長的關(guān)系。該關(guān)系用普朗克公式表示如下：式中：—分子光譜輻射通量密度〔W/〔m2.sr〕—普朗克常數(shù)，其值為6.626×10-34W.S2—波爾茲曼常數(shù)，數(shù)值為1.3806×10-23W.S/K—黑體的絕對溫度，k由普朗克公式和實驗求得的不同溫度下的黑體波普曲線符合的很好，從圖中可以清楚地得到黑體輻射的3個特性：不同溫度下的黑體輻射a.與曲線下面積呈正比的總輻射通量密度是隨溫度增加而增加的。在全部波長圍對普朗克公式進展積分，得到單位面積黑體輻射到半球空間的總輻射通量表達式為〔稱為斯蒂芬—波爾茲曼定律〕式中：—斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，其數(shù)值為5.67×10-8W/m.k4可見，黑體通量的密度的增加與絕對溫度的4次方成正比。也就是說，當(dāng)溫度有很小的變化時，都會引起輻射通量密度的很大變化。這說明，不同溫度的物體具有不同的輻射能量，記錄它們之間的輻射能量差異就為區(qū)別它們提供了根底，這也是在遙感圖像上識別不同目標(biāo)的物理學(xué)根底。b.隨著溫度的升高，輻射通量密度的最大值向短波方向移動，稱為維恩位移定律。對普朗克公式微分并求極值，得到下式式中：為常數(shù)，其數(shù)值為2897.8±0.4μm.k從圖中可以看出，黑〔物〕體間輻射通量密度區(qū)別的明顯處就在附近。因此，記錄地物在處的輻射特征并進展地物識別，將更為有利。維恩位移定律為識別特定地物而設(shè)計遙感器的特定相應(yīng)波段提供了重要的理論根底。c.每條曲線彼此不相交，即溫度越高，所有波長上的輻射通量密度也愈大，說明輻射通量密度是隨著溫度的升高而增大。該特性說明：不同溫度的黑體在不同波段處的輻射通量密度是不同的；由于不同溫度黑體間的不同，因而在分波段記錄的遙感圖像上它們是可區(qū)別的。③實際物體的輻射自然界中，真正的黑體輻射是不存在的，一般地物的輻射能量總要比黑體輻射能量小。對于非黑體〔即一般物體〕，需要引入一個表征物體發(fā)射能力的物理量，即光譜發(fā)射率，才能利用黑體輻射的有關(guān)公式進展計算。光譜發(fā)射率是指地物的輻射出射度〔即地物單位面積發(fā)出的輻射總通量〕與同溫度的黑體的輻射出射度的比值，用表示。事實證明，地物的發(fā)射率與地物的溫度、波長有關(guān)，有時也與其發(fā)射方向有關(guān)，如以下圖所示。物體發(fā)射率隨著波長變化的規(guī)律稱為物體的光譜發(fā)射特性。將物體的光譜發(fā)射率與波長的關(guān)系在直角坐標(biāo)系中的曲線描述稱為物體的發(fā)射特性曲線。地物的發(fā)射特性曲線從上圖中可以看出，一種地物的發(fā)射率在各個波長處不盡一樣，即；另一種地物的發(fā)射率在各波長處根本不變，即。按的變化情況可以將地物分為以下幾種類型：絕對黑體，=1灰體，，但選擇性黑體，理想反射體〔絕對白體〕，=0自然界中的物體一般都可以近似看成灰體，可得到一般地物的斯蒂芬—波爾茲曼定律1.2〔1〕遙感技術(shù)系統(tǒng)組成遙感過程是指遙感信息的獲取、傳輸、處理以及分析判讀和應(yīng)用的全過程。遙感技術(shù)的涵包括遙感信息源的物理性質(zhì)、分布及其運動形態(tài)，環(huán)境背景以及電磁波的光譜特性，大氣的干擾和大氣窗口，遙感器的分辨能力、性能和信噪比以及圖像處理及識別等。遙感技術(shù)系統(tǒng)是一個從地面到空中、直到空間，從信息采集、存儲、傳輸及處理到分析判讀、應(yīng)用的完整技術(shù)系統(tǒng)?，F(xiàn)代遙感技術(shù)系統(tǒng)一般由空間信息采集系統(tǒng)、地面接收和預(yù)處理系統(tǒng)、地面實況調(diào)查系統(tǒng)和信息分析應(yīng)用系統(tǒng)4大局部組成，如以下圖所示。遙感技術(shù)系統(tǒng)的組成〔2〕遙感技術(shù)分類遙感技術(shù)的分類指標(biāo)有很多種，通常按遙感平臺、遙感器和遙感波段進展分類。①按遙感平臺分類遙感中搭載遙感器的工具稱為遙感平臺。遙感平臺的種類很多，按遙感平臺所在的高度可分為3類，即地面平臺、航空平臺和航天平臺。這代表了遙感技術(shù)開展過程中相互銜接，又相互重疊的3個階段或3個方面。地面遙感地面遙感是指使用三腳架、遙感塔、遙感車等作為遙感平臺的遙感技術(shù)。通常遙感平臺的高度在100m以下。三腳架的放置高度一般在0.75～2.0m之間，在三腳架上放置地物波譜儀、輻射計、分光光度計等遙感器進展地物光譜曲線的測定工作。遙感車、遙感塔上的懸臂放置高度一般在6～10m之間，甚至更高，在這樣的高度上可以對地物的綜合光譜特性進展測定。隨著遙感技術(shù)的不斷開展，人們越來越多地使用航空遙感和航天遙感數(shù)據(jù)，但作為根底性研究，地面遙感是一種必不可少的實驗手段。地面遙感對于深入研究遙感信息機理及各領(lǐng)域應(yīng)用信息之間的關(guān)系，以及對于開拓遙感信息應(yīng)用的廣度及深度，均至關(guān)重要。b.航空遙感航空遙感使用的遙感平臺一般在30km以下，通常的遙感平臺是遙感飛機。按照飛機的飛行高度，又可將其分為低空遙感、中空遙感和高空遙感。當(dāng)遙感飛機在2000m以下的對流層飛行時，稱為低空遙感。假設(shè)要取得等比例尺的航空遙感圖像時，飛機飛行高度一般要求在此圍之。當(dāng)遙感飛機在2000～6000m間的對流層中層飛行時，稱為中空遙感。通?？梢酝ㄟ^這種遙感獲取中小比例尺的航空遙感圖像。當(dāng)遙感飛機在12000左右的對流層頂層和同溫層下層飛行時，稱為高空遙感。通常可以通過這種遙感獲取中小比例尺的航空遙感圖像。航空遙感受對飛機性能和飛行過程有特殊的要求，如航速不宜過快、穩(wěn)定性能要好，續(xù)航能力要強等。c.航天遙感航天遙感使用的遙感平臺一般在150km以上，使用人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船、空間軌道站和航天飛機等作為遙感平臺。目前對地觀測中航天遙感平臺主要是遙感衛(wèi)星、如陸地衛(wèi)星系列〔Landast〕、氣象衛(wèi)星系列〔NOAA〕等②按遙感器分類遙感信息的獲取是通過遙感器來收集、探測和記錄地物的電磁輻射信息。遙感器的性質(zhì)決定了遙感的能力，包括遙感器對電磁波段的響應(yīng)能力〔如探測靈敏度和光譜分辨率〕、遙感器的空間分辨率及遙感圖像的幾何特性、遙感器獲取地物電磁波信息量的大小和可靠程度等。一般將遙感器進展如下分類。由于遙感器的多樣化，導(dǎo)致遙感方式的多樣化。一般地，可按遙感器承受的電磁波輻射來源的不同，分為兩類，即主動式遙感和被動式遙感。主動式遙感是由遙感器本身向目標(biāo)發(fā)射電磁波，然后收集從目標(biāo)反射回來的電磁波信息，如合成孔徑側(cè)視雷達等。被動式遙感是承受從目標(biāo)反射的太的能量或目標(biāo)本身輻射的電磁波能量，如使用攝影相機和多光譜掃描儀等遙感器。③按遙感波段進展分類可見光遙感利用電磁波普中的可見光波段進展的遙感稱為可見光遙感。可見光波長約在0.4～0.7μm之間，主要源自太陽輻射。盡管大氣對可見光有一定的吸收和散射作用，但可見光遙感仍是遙感技術(shù)中使用最多的方式?？梢姽獠ǘ尉植堪傻匚锒季哂辛己玫牧炼确床钐匦裕煌匚镌诖瞬ǘ蔚膱D像容易區(qū)分，所以，可見光遙感是作為鑒別物質(zhì)特性的主要手段。遙感技術(shù)常用光學(xué)攝影方式承受和記錄地物對可見光的反射特征。為進一步探測地物的細微差異，可見光波段還可分為紅〔0.6～0.7μm〕、綠〔0.5～0.6μm〕、藍〔0.4～0.5μm〕3個區(qū)。如果分別使用這些波段同時對地物進展探測成像，則稱為多光譜遙感或〔高〕光譜遙感。b.紅外遙感利用紅外波段進展的遙感稱為紅外遙感。常用的紅外線波長在0.76～1000μm之間。為了實際應(yīng)用方便，另有一種劃分為：近紅外〔0.7～3.0μm〕、中紅外〔3.0～6.0μm〕、遠紅外〔06.0～15.0μm〕和極遠紅外〔15～1000μm〕。近紅外性質(zhì)與可見光相似，故又稱光紅外，由于它是地外表反射太陽的紅外輻射，因此也稱反射紅外。中紅外、遠紅外和極遠紅外是產(chǎn)生熱感的原因，故也稱為熱紅外〔TIR〕。而物體在常溫圍發(fā)射紅外線的波長多在3～40μm之間，且15μm以上的遠紅外容易被大氣和水分子吸收，因此，紅外遙感技術(shù)中主要利用3～15μm的中紅外至熱紅外波段，其中主要利用3～5μm和8～145μm波段。c.微波遙感利用微波波段進展的遙感稱為微波遙感。微波的波長一般在1mm～100cm之間，根據(jù)波長單位，一般將微波劃分成毫米波、厘米波和分米波。微波輻射和紅外輻射兩者都具有熱輻射性質(zhì)。由于微波波長比可見光、紅外線要長，受大氣中云、霧散射干擾較小，所以能進展全天候、全天時的遙感探測。微波遙感可以采用主動式或被動式。由于地物在微波波段的輻射能量較小，為了能利用微波的優(yōu)勢，一般由遙感器主動向目標(biāo)發(fā)射微波，然后記錄地物反射回來的電磁波能量，從而到達探測地物的目的。此外，由于微波對于*些物質(zhì)具有一定的透射能力，能直接透過植被、冰雪、土壤等表層覆蓋物，因此，近年來對微波遙感技術(shù)愈來愈受到人們關(guān)注，成為又一個重要的遙感手段。遙感器的根本分類1.3遙感—巖石力學(xué)的巖石力學(xué)根底巖石及其根本性質(zhì)巖石是構(gòu)成地殼的致密或較松散的聚集體，它是由多種礦物的顆粒、結(jié)晶、碎屑以及聯(lián)結(jié)〔膠結(jié)〕這些顆粒的物質(zhì)和孔隙〔空隙〕組成的，而且大多數(shù)巖石的孔隙〔空隙〕里含有水，這會對礦物顆粒的相互聯(lián)結(jié)情況產(chǎn)生影響?！?〕巖石的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)〔physicalpropertiesofrock〕是其部礦物根本性質(zhì)、構(gòu)造與構(gòu)造的綜合反映，主要包括容重和比重、密度、孔隙率、水理性、熱導(dǎo)率和比熱等。①容重與比重巖石單位體積〔包括巖石孔隙體積〕的重量稱為巖石的容重〔g／cm3〕，表示為式中：—巖石容重；—巖石的重量；—巖樣的體積；巖石容重取決于組成巖石的礦物成分、孔隙發(fā)育程度及其含水量。巖石的容重大小在一定程度上反映出巖石力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣。一般地，巖石容重越大，其力學(xué)性質(zhì)愈不好；反之，則愈差。巖石比重，有兩種不同定義：a.指巖石試塊中固相局部單位體積的重量。由于容重包括巖石三相〔固相、液相和氣相〕所有的重量與這些相所占體積的比，故容重始終小于比重；b．指巖石固體局部的重量和4℃按此定義，巖石的比重在數(shù)值上等于其密度?？梢?，巖石的比重取決于組成巖石的礦物比重及其在巖石中的相對含量。成巖礦物的比重愈大，則巖石的比重愈大；反之，則巖石的比重愈小。②密度巖石密度指單位體積巖石的質(zhì)量。值得注意的是，由于巖石包含孔隙，因此巖石的體積等于巖石中固體物質(zhì)的體積加上孔隙的體積。包含孔隙〔孔隙中為體積〕的巖石密度叫做巖石的體積密度，通常也簡稱為巖石的密度；而僅指巖石中固態(tài)物質(zhì)的密度叫做巖石的顆粒密度，用來表示。③孔隙率在低壓下，所有天然巖石中均包含著大小不一、數(shù)量不等、成因各異的孔隙，如礦物顆粒之間的孔隙空間、顆粒之間及顆粒部的微裂隙和裂隙，這是巖石的重要構(gòu)造特征之一?？紫逗土严秾r石力學(xué)性質(zhì)的影響根本一致，在工程實踐中很難將二者分開，因此通稱巖石的孔隙性。巖石的孔隙性常用孔隙率表示，即：單位體積巖石〔包括孔隙本身〕中所含的孔隙的體積，以百分數(shù)表示。巖石的孔隙、裂隙有的與大氣相通，有的不相通。巖石的孔隙率是衡量巖石工程質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。④水理性巖石與水相互作用時所表現(xiàn)的性質(zhì)稱為巖石的水理性，包含巖石的天然含水率、吸水性、透水性、軟化性和抗凍性。a.巖石的天然含水率：指天然狀態(tài)下巖石中所含水的質(zhì)量與枯燥巖石的質(zhì)量〔即顆粒實體總質(zhì)量〕之比，常以百分數(shù)表示，即b.巖石的吸水性：指巖石在一定條件下吸收水分的性能，取決于巖石的孔隙性，如孔隙數(shù)量、大小、開閉程度及分布情況。表征巖石吸水性的指標(biāo)有吸水率、飽和吸水率和飽水性。巖石的吸水性同樣能反響巖石的力學(xué)特性，巖石的吸水率愈大，說明巖石的孔隙大，數(shù)量多，并且連通性好，巖石的力學(xué)性質(zhì)差。c.巖石的透水性：指巖石能被水透過的性能。水只能沿著連通孔隙滲透，其性質(zhì)可用滲透系數(shù)〔單位時間透過巖石*一方向的距離〕來衡量，它取決于巖石中孔隙的大小、方向及其相互連通的情況。d.巖石的軟化性：指巖石浸水后強度降低的性能。巖石的軟化性常用軟化性來衡量，軟化系數(shù)是指巖樣飽水狀態(tài)的抗壓強度與自然風(fēng)干狀態(tài)的抗壓強度之比值，即式中：—巖石的軟化系數(shù)；—飽水巖樣的抗壓強度；—自然風(fēng)干巖樣的抗壓強度。⑤熱導(dǎo)率巖石的熱導(dǎo)率是反映巖石材料熱傳遞特性的重要參量。一般地，熱導(dǎo)率定義為：在穩(wěn)定狀態(tài)下，熱流密度〔即通過單位面積的能量流〕除以一維導(dǎo)熱體中的溫度梯度所得的商值，即：⑥比熱材料單元體積能的增加與其本身的質(zhì)量和溫度成正比，其比例因子稱為比熱。(2)巖石的根本力學(xué)性質(zhì)①巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線巖石在應(yīng)力作用下的宏觀反映是變形或破裂。在巖石力學(xué)中，應(yīng)力—應(yīng)變曲線〔或載荷—位移曲線〕是描述巖石在加載過程中變形過程及力學(xué)特征的重要手段。一般根據(jù)巖石在加載過程中應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化特征，將巖石從加載到破壞氣氛假設(shè)干個階段。以下圖是典型巖石在加載過程中應(yīng)力—應(yīng)變曲線，曲線劃分為4段和4個特征點，對應(yīng)4個應(yīng)力變化階段〔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ〕，分別稱為壓密階段、線彈性階段、塑性階段和臨失穩(wěn)階段；4個特征點分別為E、Y、P、I，分別稱為彈性點、屈服點、強度極限點和臨失穩(wěn)點。階段Ⅰ：曲線呈向下彎曲狀。由于巖石部存在孔隙和裂隙等缺陷，導(dǎo)致在加載初期，這些缺陷被壓密、閉合，使得應(yīng)力上升緩慢，應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)向下彎曲，彎曲的大小代表巖石所含空隙的多少。階段Ⅱ：曲線呈線性特征。當(dāng)巖石部孔隙被壓實后，應(yīng)變上升緩慢，而應(yīng)力則上升加快，兩者呈現(xiàn)線性增長關(guān)系，說明材料進入線彈性階段。此時，直線斜率的上下代表了材料彈性的強弱。此階段在整個加載過程中所占比例的大小代表了巖石的脆韌性質(zhì)、線彈性階段越長，巖石的脆性越強。階段Ⅲ：曲線呈向上彎曲狀。說明巖石部隨應(yīng)力的上升出現(xiàn)了大量的微裂隙，從而造成巖石材料發(fā)生塑性變形。開場發(fā)生彎曲的分界點Y稱為屈服點。曲線彎曲的程度代表材料的塑性大小。這一階段一直持續(xù)到曲線的最高點，即峰值應(yīng)力點P。階段Ⅳ：應(yīng)力由應(yīng)力峰值點P開場下降。說明巖石部的微裂隙逐漸相互貫穿并逐漸加寬，出現(xiàn)了宏觀破裂。此階段的巖石雖仍有一定的承載能力，但已處于破壞的臨界狀態(tài)，只要外部應(yīng)力稍加擾動，巖石就會發(fā)生災(zāi)難性破壞。②彈性模量彈性模量E是正應(yīng)力與試塊在外加載荷作用方向產(chǎn)生的線性彈性變形的比值。各種巖石的彈性模量變化在1～300GPa之間。彈性模量最低的是多孔的凝灰?guī)r以及松軟的泥質(zhì)頁巖、片麻巖等。彈性模量最高的是玄武巖、輝綠巖、輝巖和純橄欖巖等。巖石的彈性模量通常隨其密度增大而提高。層狀巖石沿層理方向的彈性模量要比垂直于層理方向的彈性模量要高。③泊松比巖石試塊在受載荷時要發(fā)生橫向變形，同時由于試塊裂隙的產(chǎn)生、貫穿和滑移要產(chǎn)生體積變形。為衡量橫向變形與軸向變形之間的關(guān)系，沿用材料力學(xué)的方法，定義了各向同性巖石的泊松比，即：式中：、—巖石的軸向和橫向應(yīng)變。一般巖石的泊松比=0.15～0.35。其中，泊松比最小的是*些黑云頁巖和石灰質(zhì)頁巖、片麻巖；而最大的是*些純橄欖巖、角閃巖等。④單軸抗壓強度在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應(yīng)力，稱為單軸抗壓強度，簡稱抗壓強度?？箟簭姸仁欠从硯r塊根本力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，它在巖體工程分類、建立巖體破壞判據(jù)中都是必不可少的?？箟簭姸葴y試方法簡單，且與抗拉強度和抗彎強度之間有著一定的比例關(guān)系，如抗拉強度為它的3％一30％，抗彎強度為它的7％一15％．從而可借助它大致估算其他強度參數(shù)。試驗研究說明，巖塊的抗壓強度受一系列因素影響和控制。這些因素主要包括兩個方面：一是巖石本身性質(zhì)方面的因素，如礦物組成、構(gòu)造構(gòu)造(顆粒大小、連結(jié)及微構(gòu)造發(fā)育特征等)、密度及風(fēng)化程度等等；二是試驗條件方面的因素。這里就試驗條件因素對巖塊抗壓強度的影響討論如下。a.試件的幾何形狀及加工密度試件形狀的影響表現(xiàn)在當(dāng)試件斷面積和高徑比一樣的情況下、斷面為圓形的試件強度大于多邊形試件強度。在多邊形試件中，邊數(shù)增多，試件強度增大。其原因是由于多邊形試件的棱角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，棱角越尖應(yīng)力集中越強烈，試件越易破壞，巖塊抗壓強度也就越低。試件尺寸越大，巖塊強度越低，這被稱為尺寸效應(yīng)。尺寸效應(yīng)的核心是構(gòu)造效應(yīng)。因為大尺寸試件包含的細微構(gòu)造面比小尺寸試件多，構(gòu)造也復(fù)雜一些，因此，試件的破壞概率也大。試件的高徑比，即試件高度(h)與直徑或邊長(D)的比值，它對巖塊強度也有明顯的影響。一般來說，隨h／D增大，巖塊強度降低，其原因是隨h／D增大導(dǎo)致試件應(yīng)力分布及其彈性穩(wěn)定狀態(tài)不同所致。b.加荷速率巖塊的強度常隨加荷速率增大而增高。這是因為隨加荷速率增大，假設(shè)超過了巖石的變形速率，即巖石變形未達穩(wěn)定就繼續(xù)增加荷載，則在試件將出現(xiàn)變形滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象，使塑性變形來不及發(fā)生和開展，增大了巖塊強度。因此，為了規(guī)試驗方法，現(xiàn)行的試驗規(guī)程都規(guī)定了加荷速率，一般約為0.5—0.8MPa／s。c.端面條件端面條件對巖塊強度的影響，稱為端面效應(yīng)。其產(chǎn)生原因一般認為是由于試件端面與壓力承壓板間的摩擦作用，改變了試件部的應(yīng)力分布和破壞方式，進而影響巖塊的強度。d.濕度和溫度水對巖塊強度有顯著的影響。當(dāng)水侵入巖石時，將順著裂隙進入并潤濕全部自由面上的每個礦物顆粒。由于水分子的參加改變了巖石的物理狀態(tài)，削弱了顆粒問的連結(jié)力，降低了巖塊強度。其降低程度取決于巖石的空隙性、礦物的親水性、吸水性和水的物理化學(xué)特征等因素。水對巖塊強度的影響常用軟化系數(shù)表示。溫度對巖塊強度也有明顯的影響。巖塊強度也隨之降低。e.層理構(gòu)造巖塊強度因受力方向不同而有差異，具有顯著層理的沉積巖，這種差異更明顯。⑤單軸抗拉強度巖塊試件在單向拉伸時能承受的最大拉應(yīng)力，稱為單軸抗拉強度，簡稱抗拉強度。雖然在工程實踐中，一般不允許拉應(yīng)力出現(xiàn)，但拉破壞仍是工程巖體及自然界巖體的主要破壞型式之一，而且?guī)r石抵抗拉應(yīng)力的能力最低。因此，抗拉強度是一個重要的巖體力學(xué)指標(biāo)。它還是建立巖石強度判據(jù)，確定強度包絡(luò)線以及建筑石材選擇中不可缺少的參數(shù)。⑥抗剪強度巖石的抗剪強度是指在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應(yīng)力。它是巖石力學(xué)重要的指標(biāo)之一。按剪切試驗方法不同，所測定的剪切強度的含義也不同，通?？煞譃槿缦氯N剪切強度?？辜魯鄰姸戎冈嚰谝欢ǖ姆ㄏ驊?yīng)力作用下，沿預(yù)定剪切面剪斷時的最大剪應(yīng)力。它反映了巖塊的聚力和摩擦阻力。巖塊的抗剪斷強度是通過抗剪斷試驗測定的。方法有：直剪試驗、變角板剪切試驗和三軸試驗等。其目的是通過試驗求取巖塊的剪切強度曲線和剪切強度參數(shù)值。它是巖體力學(xué)參數(shù)估算及建立強度判據(jù)不可缺少的指標(biāo)。b.抗切強度指試件上的法向應(yīng)力為零時，沿預(yù)定剪切面剪斷時的最大剪應(yīng)力。由于剪切面上的法向應(yīng)力為零，所以其抗切強度僅取決于聚力。巖塊的抗切強度可通過抗切試驗求得，方法有：單(雙)面剪切及沖孔試驗等。c.摩擦強度指試件在一定的法向應(yīng)力作用下，沿已有破裂面(層面、節(jié)理等)再次剪切破壞時的最大剪應(yīng)力。與此對應(yīng)的試驗叫摩擦試驗，其目的是通過試驗求取巖體中各種構(gòu)造面、人工破裂面及巖塊與其他物體(混凝土塊等)的接觸面等的摩擦阻力。1.4遙感—巖石力學(xué)的應(yīng)用遙感—巖石力學(xué)的主要研究與應(yīng)用領(lǐng)域〔1〕材料行為探測地球動力、巖石工程與實驗狀態(tài)中，巖石類固體材料將遭受不同的應(yīng)力活動，包括壓縮、拉伸、摩擦、黏滑、扭曲和剪切等；應(yīng)力活動過程可鞥是迅速的，也可能是緩慢的，短暫的或者是長期的，單一的或者是綜合的，一次性的或者是反復(fù)的。這些差異及其引起的變形與損傷。均將導(dǎo)致可探測的電磁輻射參量的時空變化。〔2〕材料異常診斷由于巖石各項異性和高度復(fù)雜，其受力與變形過程中不同部位將產(chǎn)生可探測的輻射差異。這種差異可能因部組成及其非均勻空間分布引起，也可能因斷裂開展、局部風(fēng)化和含水量不同引起?！?〕屈服破壞時空預(yù)報通過對應(yīng)力作用下，巖石類固體材料及其構(gòu)造電磁輻射變化過程的監(jiān)測，參考實驗研究確定的參數(shù)、標(biāo)定曲線或標(biāo)準(zhǔn)圖譜，對可能發(fā)生或即將發(fā)生的巖石屈服破壞等應(yīng)力災(zāi)害進展預(yù)報。其應(yīng)用領(lǐng)域包括地震與山體滑移預(yù)報、巖爆與礦柱屈服預(yù)測以及巖石與混凝土構(gòu)造屈服控制等。遙感—巖石力學(xué)的理論根底是巖石受力過程中電磁輻射變化規(guī)律、機理及其定性、定量描述。遙感—巖石力學(xué)的實踐應(yīng)用是以對目標(biāo)的電磁輻射進展遙感遙測為根底的，包括輻射參量及其空間相關(guān)的場分布、時間相關(guān)的量變化等。遙感—巖石力學(xué)的應(yīng)用實例〔1〕紅外遙感用于大型混凝土工程穩(wěn)定性監(jiān)測和失穩(wěn)預(yù)測研究①實驗由于物質(zhì)的紅外輻射對溫度十分敏感,溫度微小的變化,都可引起紅外輻射強度很大的變化,為了證明機械力直接引起紅外輻射變化,在實驗中,必須保證試件的溫度恒定,不隨壓力增加而改變,即等溫過程加載,只有在等溫過程加載條件下,得出紅外輻射能量變化,才能證明是機械力引起的變化,這個變化與溫度無關(guān)。a．遙感測量儀器紅外光譜儀,波長圍為1.444～14.436μm，分成324個波段,等效噪聲功率密度NEI=1.5948×10-10W/cm2,視場8.7mrad。紅外熱象儀,兩個工作波段:短波段2.0～5.6μm,長波段8.0～12.0μm,溫度分辨率0.1℃b.實驗方法在500t壓力機作用下,沿試件長軸方向單軸加載至試件破裂,試件尺寸為100mm×250mm×400mm,加載速率為1.5MPa/min(為保證等溫過程加載)。光譜儀和熱象儀的接收器距離試件4.0m。用靈敏度為0.02℃的溫度計,監(jiān)視試件周圍環(huán)境溫度變化,在一塊試件加載的過程中,環(huán)境溫度最大變化ΔT≤0.1②實驗結(jié)果和分析a．波譜特性隨應(yīng)力的變化圖1、圖2分別是圖1,2分別是C60混凝土和C40混凝土的波譜特性(8.0～14.0μm)隨應(yīng)力的變化。圖中縱坐標(biāo)為紅外輻射亮度L,單位為W/cm-2.sr-1.m-1,橫坐標(biāo)為波長,單位為μm。每一條曲線對應(yīng)一個應(yīng)力值。物質(zhì)輻射電磁波能量按波長分配的規(guī)律稱為物質(zhì)的波譜特性。σ=0這條曲線,是混凝土本身固有(未受力狀態(tài))的波譜特性。由圖1,2可見,C60混凝土和C40混凝土的波譜特性隨應(yīng)力增加而上升,說明輻射能量隨應(yīng)力增加而增加,從圖中還可以看出,每條曲線并非完全平行上移,這說明輻射能量隨應(yīng)力增加在不同波長和不同應(yīng)力狀態(tài)增加的幅度不同。b.可探測的遙感波段紅外輻射能量在不同波段隨應(yīng)力變化的規(guī)律稱為物質(zhì)的紅外波段輻射特性。對于不同的探測目標(biāo),選取不同的遙感波段,對于探測應(yīng)力,最主要的研究之一是被探測目標(biāo)的波段輻射特性,以便選取適合探測應(yīng)力的遙感波段,有效地實行穩(wěn)定性監(jiān)測,并做出失穩(wěn)預(yù)測。選取可探測的遙感波段,應(yīng)滿足以下條件:(1)所選取波段應(yīng)在大氣窗口之。(2)輻射能量隨應(yīng)力變化大的波長域。(3)波段特性應(yīng)是線性或近似線性。利用衛(wèi)星已公布的紅外遙感波段,研究混凝土在這些波段的波段輻射特性。圖3,4分別是這些衛(wèi)星遙感波段由實驗測出的波段輻射特性。圖中縱坐標(biāo)為紅外輻射亮度L,單位為W/cm-2.sr-1.m-1,橫坐標(biāo)為應(yīng)力σ,單位為MPa,圖中每條曲線末端的數(shù)字,為表1中的波段序號。下面對這些波段輻射特性進展分析和討論。由圖3可見,在波段1,ΔL隨σ增加而增加,但在試件臨破裂前ΔL隨σ增加而下降,在波段2～6,ΔL隨σ增加而單調(diào)上升。由圖3還可看出,波段1,2兩條曲線根本平行,波段3,4,5,6,這4條曲線,幾乎完全平行,這說明在波段1,2,ΔL隨σ變化的速率和規(guī)律根本一樣,在波段3～6,L隨σ的變化速率和規(guī)律幾乎完全一樣。由圖3還可看出,在初始應(yīng)力狀態(tài),ΔL隨σ變化速率加快,隨著σ增加,曲線呈現(xiàn)出彎曲,說明ΔL隨σ增加而增加的速率隨σ增加略有減慢。此外,波段1,3,4,試件臨破裂前,輻射能量隨應(yīng)力增加而減小,預(yù)示試件即將破裂,表現(xiàn)出臨破裂前兆特征,波段1最為顯著。由圖4可見,波段1～6,ΔL隨σ的變化根本為近似線性變化,波段2～5則更接近線性變化。在波段1和波段6表現(xiàn)出明顯的臨破裂前兆特征,在波段1臨破裂前呈現(xiàn)突降特征,在波段6呈現(xiàn)突升特征。通過這些破裂前兆,便能預(yù)測失穩(wěn)發(fā)生的時間。綜上分析,圖3,4中的6個波段都可以作為混凝土應(yīng)力測量、穩(wěn)定性監(jiān)測和失穩(wěn)預(yù)測的遙感波段。③結(jié)論a.本實驗成功地實現(xiàn)了等溫過程的加載實驗,得出了混凝土的紅外輻射能量隨壓力變化而顯著變化的實驗結(jié)果,證明了機械力能夠直接引起固體物質(zhì)(混凝土、巖石等)的紅外輻射能量發(fā)生變化,不需要經(jīng)歷生熱中間物理過程。這就把紅外輻射能量與應(yīng)力從物理上直接聯(lián)系起來。b.紅外遙感有很高的地面分辨率,例如,對一座大型水庫大壩,在距離大壩1km遠處測量,對大壩的地面分辨率很容易地做到30cm×30cm,即在30cm×30cm的面積就有一個應(yīng)力和溫度測量點,如此密集的應(yīng)力、溫度測量點,除了遙感方法十分容易做到外,其他任何方法都做不到。遙感測量出的應(yīng)力場分布和溫度異常分布是高度連續(xù)分布,可從應(yīng)力和溫度異常兩方面對工程穩(wěn)定性進展監(jiān)測,做出失穩(wěn)預(yù)測。遙感測量是非接觸、無損傷測量,費用低,效率高,是傳統(tǒng)應(yīng)力測量方法和工程穩(wěn)定性監(jiān)測方法所不可比較的。c.紅外遙感測量不出應(yīng)力的各個分量,也測量不到部深處的應(yīng)力狀態(tài),測量的是作用在遙感觀測面上的應(yīng)力矢量的大小。由于紅外遙感具有極高的地面分辨率,所以紅外遙感能即時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)遙感觀測面應(yīng)力集中、增強的部位或區(qū)域及其演變過程,再結(jié)合工程體部深部的點應(yīng)力測量,進而推斷工程整體所處的應(yīng)力狀態(tài),是否發(fā)生危險,這是最重要的。d.當(dāng)水庫大壩及其周圍有漏水或滲水的地方時,由于滲漏部位的紅