岩石节理轮廓线的数字表征方法影响研究

岩体结构面形貌特征对结构面剪切力学行为具有重要影响作用。以BARTON十条标准轮廓线为研究对象对其进行图像去噪以及数字表征,计算不同离散点间距的数字表征轮廓线的R_p、SF、Z_2统计参数值,并以此获取结构面粗糙度JRC值。通过JRC计算值和理论值对比验证图像处理方法的合理性,探讨离散点间距的影响。结果表明:离散点间距对JRC和统计参数有较大影响,不同参数对于离散点间距的敏感程度不同。通过数字表征方法计算得出的JRC值与真实JRC范围吻合程度较高。本工作对JRC的研究具有一定的参考价值。     

不同粗糙度系数结构面分级剪切蠕变特性

掌握结构面剪切蠕变特性的规律是揭示岩体时效变形与破坏的根本途径。通过对Barton标准剖面线第1条和第10条人工水泥砂浆结构面分别开展了恒定法向力条件下的分级剪切蠕变试验,研究了结构面剪切蠕变特性随粗糙度系数(JRC)、法向应力、剪应力的变化规律。同时,采用离散元软件(PFC^2D)对不同粗糙度系数的Barton标准剖面线结构面进行了分级剪切蠕变数值模拟研究。结果表明：在恒定法向力条件下,同一结构面剪切蠕变量、蠕变速率均随剪应力增加而增加;在恒定法向应力及剪应力作用下,剪切蠕变随粗糙度系数增加而减小,结构面剪切蠕变数值模拟结果验证了同样的结论;另外,蠕变变形位移云图结果表明结构面试样沿结构面剪切加载方向,剪切蠕变随距离增加而减小;随着粗糙度系数增加,结构面剪切蠕变破坏模式由滑移摩擦为主逐渐向剪断破坏为主过渡。研究成果可为岩体工程的长期安全稳定性评价提供理论依据。     

旋挖成孔方式下螺纹状围岩粗糙度量化分析

嵌岩桩是大跨径桥梁工程中常用的一种基础形式。由于钻孔工具等因素,桩-岩界面上会形成系列起伏的三维粗糙体,其对桩基承载性能至关重要。因此准确量化实际三维桩-岩粗糙体的粗糙度特征,是建立基于界面粗糙度的桩基承载力设计方法首先需要解决的问题。为此,依托于马鞍山长江大桥深嵌岩桩基工程,在现场钻取含三维粗糙体的砂岩试样,利用三维激光扫描重塑桩-岩界面数字化模型,对其粗糙度特征值,面积扩展率S、相对平均起伏度Rs和桩-岩界面平均倾斜角θ 等进行量化分析;而后构建桩-岩界面试样开展3组界面剪切试验和3组界面抗压试样以计算试样的JRC3D值,并基于试验结果验证已有JRC3D经验计算方法对桩-岩界面的适用性。结果表明:（1）实际桩-岩界面既有规则的螺纹状凹槽,也有起伏较低的相对平整面,而非室内试验中规则粗糙体或不规则孔洞;（2）实际桩-岩界面粗糙度远大于岩体结构面和室内规则粗糙体,面积扩展率、相对平均起伏度和界面平均倾斜角均明显较大;（3）桩-岩界面JRC3D均值为26.15,大于岩体结构面（标准轮廓线上限值20）和室内规则粗糙体,可近似采用公式7估算。研究成果可为建立基于界面粗糙度的深嵌岩桩设计方法提供科学依据。     

岩石表面粗糙度的三维定量分析方法

为探究一种三维定量描述岩石表面粗糙程度的方法,通过非接触式超景深三维显微设备获取岩石表面三维彩色等高图,提取并计算三维彩色等高图上各像素点的坐标信息,提出"表面轮廓体积均方根"Vp描述岩石表面粗糙程度。研究结果表明:Vp值与标准轮廓曲线的JRC值、节理剖面系数Rp值均存在指数函数正相关,Vp值越大,粗糙度越大;Vp用于对比粗糙度差异性更直观,克服了粗糙度各向异性及不同方向上存在随机性的理论缺陷,设备及像素点统计方法具有较好的经济性、高效性。     

不同粗糙度下锚固节理破坏机理宏细观研究

为了研究不同粗糙度下锚固节理岩体的破坏特征和锚固机理,利用二维颗粒流程序PFC2D生成6种不同粗糙度的锚固节理面,并对这6种粗糙度的锚固节理模型在5种法向荷载下进行剪切实验,探讨JRC值和颗粒摩擦因数对锚固节理抗剪强度的影响。并从宏细观角度分析不同节理粗糙度的形貌破坏和裂纹扩展演化特征。研究结果表明:当剪切试验中节理面的微凸体没有发生太大的破坏时,锚固体系的峰值剪切强度随粗糙度的增加而不断变大,但是当微凸体剪断破坏后峰值抗剪强度会有小幅的衰减,同时随着节理面摩擦因数的增加,锚固体系的峰值剪切强度也相应变大,并呈现很好的线性关系;细观裂纹开始主要在节理面的微凸体处产生,随后在锚杆周围快速大量产生,并且逐步扩展到模型的内部,产生的裂纹以张拉裂纹为主;锚固节理上的颗粒间接触力的数量和方位角的分布区域随剪切过程的进行逐渐衰减,并且接触方位角逐渐向剪切荷载施加的方向发生偏转。     

考虑剪切方向的改进Barton模型

为研究节理在剪切过程中的方向性和剪切强度规律，利用直剪仪对复制岩石节理试样进行了爬坡和顺坡两个方向的直剪试验。试验结果表明：剪切方向对岩石节理的剪切强度有明显影响，沿爬坡方向的剪切强度大于沿顺坡方向，但粗糙度系数（joint roughness coefficient，JRC)的减小和法向应力的增大可在一定程度上削弱剪切方向的影响。节理剪切破坏过程具有显著的阶段性特征，中低法向应力条件下以爬坡滑移为主要机制，而高法向应力下以相互啃食和凸起啃断为主要机制。采用平均有效倾角差指标参数描述剪切强度的各向异性，并在此基础上提出了考虑剪切方向的改进剪切强度模型，更好地预测节理正、反方向的剪切强度。通过百分位数参数建立了三维形貌指标与端部轮廓线二维高差指标的联系，大大简化了节理形貌指标的获取难度。该模型参数较少容易获取，物理意义明确，且把岩石节理剪切强度的各向异性考虑在内，具有广阔的潜在工程应用前景。     

基于三维重构的原岩硬性结构面抗剪强度

节理面形貌特征是影响岩石节理面剪切破坏的重要因素。具有相同形貌特征的岩石节理面,沿不同剪切方向其力学行为存在差异性。结合三维激光扫描和3D打印技术,针对天然节理岩石的表面形貌进行逆向处理,将其制备为不同剪切方向的人工节理试样,并进行5种法向应力条件下的直剪试验。依据室内试验结果与理论分析,提出了定量计算节理面三维粗糙度与沿剪切方向接触面积有效系数值的方法,建立了不同剪切方向下含有三维形貌参数的抗剪强度模型。结果表明,影响剪胀角的因素与节理面的粗糙度系数和沿剪切方向接触面积有效系数值有关;沿不同的剪切方向会得到不同的剪胀角。基于剪切破坏的爬升和摩擦效应理论,并利用非线性拟合方法,得到峰值剪胀角的变化规律。最后,与已有的Barton抗剪强度公式进行对比分析,进而验证了该方法的合理性。     

剪切作用下节理表面形貌变化

 岩石不连续面的粗糙度对节理岩体的剪切力学性质有重要影响。为研究剪切作用下节理表面形貌变化,对5组节理试样进行了2次剪切试验,借助三维非接触式高精度激光形貌仪(Talysurf CLI 2000)对每次剪切前后节理表面进行扫描测试,从微观和宏观方面分析了节理表面形貌在剪切作用下的变化,得出如下结论：(1) 节理峰值抗剪强度与节理表面形貌有较大关系;(2) 经过2次剪切试验,节理表面较高高度范围内峰点数量减少,较低高度范围内峰点数量增加;(3) 经过2次剪切试验,节理表面最大高度降低,凸起体高度普遍下降,中间高度凸起体分布增加;(4) 经过2次剪切试验,节理表面轮廓线的包络线呈下降趋势,平均轮廓线也呈下降趋势,下降高度与法向应力有关。     

层理黄砂岩三轴循环加卸载力学特性模拟研究

层理黄砂岩为隧道工程建设中常见的一种岩石，隧道开挖及后期运行导致围岩长期处于循环荷载作用下.为了探究层理黄砂岩循环加卸载损伤破裂特征，借助PFC^2D开展了不同围压不同倾角层理黄砂岩常规三轴循环加卸载研究，分析了应力-应变曲线及损伤破裂过程，得到1组可以反映层理黄砂岩常规三轴压缩力学特征的细观参数，数值试样强度及破裂特征与室内试验结果吻合较好.数值模拟循环加卸载应力-应变曲线可以一定程度上反映力学行为，同时循环加卸载曲线和单调加载曲线变化形态吻合较好.不同倾角层理砂岩循环荷载下试样破裂特征不同，当α=0°时试样发生贯穿基质的剪切破坏，循环荷载与单调加载破裂特征相似.而当α=60°时，层理发生剪切破坏，并伴随层理两侧基质的破坏，循环荷载相对于单调加载裂纹宽度有所增加.     

统计参数与JRC的定量关系研究

采用图像分析技术对10条JRC剖面线进行数字化处理,采用0.5mm、1.0mm、2.0mm及4.0mm的采样间距得到JRC曲线的坐标并计算相应的统计参数值(坡度均方根Z2、结构函数SF和粗糙度指数Rs)。研究发现Z2随采样间距的增加而变小,SF、Rs则随采样间距的增加而增加,不同的剖面线对采样间距的敏感度不一样。采样间距为0.5mm时,对数函数适合描述JRC与Z2、SF和Rs的关系;当采样间距为1.0mm、2.0mm、4.0mm时,线性函数最适合表达JRC与Z2的关系,指数函数最适合表达JRC与SF、Rs的关系。     

单晶硅微尺度侧磨表面质量影响因素试验研究

为了获得具有较好表面质量的典型硬脆材料单晶硅微结构,采用微尺度磨削技术,利用直径为0.9 mm的微磨棒沿单晶硅(100)晶面进行磨削.首先通过三因素五水平的正交试验分析出影响单晶硅微尺度磨削表面粗糙度的主次因素;其次优化出获得较小表面粗糙度的单晶硅微尺度磨削工艺;最后通过单因素试验研究单晶硅微磨削表面粗糙度(Ra)随工艺参数的变化规律.结果表明:在沿单晶硅(100)晶面的微磨削过程(20 000 r/min≤v_s≤60 000 r/min,20μm/s≤v_w≤170μm/s和3μm≤a_p≤15μm)中,主轴转速对R_a影响最大;当主轴转速(v_s)为50 000 r/min、进给速度(v_w)为20μm/s、磨削深度(a_p)为3μm时,R_a最小;R_a随vs的增大基本呈减小趋势,但v_s过大时机床主轴出现振动,R_a出现增大趋势.R_a随v_w和a_p的增大而增大.     

高温合金K445微磨削表面质量实验研究

为探究镍基高温合金的微尺度磨削表面质量,首先采用0.9 mm磨头直径、500#磨粒的微磨棒对典型镍基高温合金材料K445进行微尺度磨削三因素五水平正交试验.通过极差分析找出影响微磨削表面质量的主次因素:进给速度的影响最大、主轴转速次之、磨削深度的影响最小;优化出了微磨削K445的理想工艺组合,即进给速度fm=20μm/s、磨削深度ap=6μm、主轴转速vg=58 kr/min时,加工表面粗糙度最小,Ra为462 nm.其次通过单因素实验总结出了进给速度、磨削深度、主轴转速及微磨棒悬伸量对K445磨削表面质量的影响规律,并对其原因进行了深入分析,使之为镍基高温合金微小零件的加工提供重要的理论依据.     

基于图解法的BQ分级限定条件及计算公式研究

《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)修改了原标准GB 50218—1994中的BQ(basic quality)分级指标计算公式，但其两个限定条件(岩石饱和单轴抗压强度和岩体完整性系数)没有进行同步修正.通过大量数据研究发现，直接用受岩石饱和单轴抗压强度(R_○c)和岩体完整性系数(K_○v)限定条件折减后的数据进行定量计算，多会导致定性与定量计算结果不吻合.本文对限定条件进行修正，并基于简化的图解法进行分析，得出R_○c限定条件的影响范围较广泛，则以数据库中新增54组数据为样本，由R_○c限定条件折减的数据进行回归分析建立新的计算公式.将得到的修正后的限定条件和新的区段计算公式，依托实际工程数据进行验证.结果表明，本文修正的限定条件和提出的计算公式提高了定性分级与定量分级的吻合度，得到了更准确的分级结果.     

镍基高温合金磨削表面工艺性能试验研究

为了探究镍基高温合金的磨削表面工艺性能,采用单因素试验的方法,分别进行镍基高温合金单晶DD5和多晶GH4169的平面槽磨削试验,得到砂轮线速度、磨削深度和进给速度对其表面质量的影响规律,并对磨削亚表面微观组织和磨屑形貌进行观察.结果表明:随着砂轮线速度的增大,表面粗糙度R_○a不断减小;随着磨削深度和进给速度的增大,表面粗糙度R_○a不断增大.在相同工艺参数下,多晶GH4169更容易加工,可磨削性能更好.随着砂轮线速度的增大,磨削亚表面出现塑性变形层且塑性变形作用减弱.磨屑主要有锯齿状和崩碎状等,其中锯齿状磨屑居多.     

基于水基MQL的DD5单晶合金铣削表面粗糙度研究

为探究DD5单晶镍基高温合金铣削表面质量,基于响应曲面法及水基微量润滑技术,采用四刃整体立铣刀在(001)晶面上沿［110］晶向进行槽铣实验.以主轴线速度、每齿进给量、切削液流速、空气压强及水油流量比为变量,表面粗糙度R_○a为评价指标,基于极差和方差分析,找出显著影响铣削表面质量的冷却和铣削参数,并对其交互效应机理进行深入分析.进而采用逐步回归方法和粒子群优化算法对铣削表面粗糙度进行预测和优化,并基于均匀化设计对预测和优化结果进行评价.     

MgO和矿焦混装对烧结矿熔滴性能的影响

以不同质量分数的MgO烧结矿为原料,考察了MgO质量分数以及矿焦混装对熔化温度、熔化区间以及最大压差的影响,并对熔化温度的变化进行了理论分析.研究表明:当烧结矿中MgO质量分数由1.3%增加至2.0%时,熔化开始温度基本不变,熔化终了温度升高,熔化区间(t_○D-t_○S)由156℃增加到207℃,最大压差Δp_○max由10kPa增加到11kPa;当w(MgO)=2.0%,且烧结矿与矿焦混装时,熔化开始温度由1312℃增加到1324℃,熔化终了温度由1519℃降低到1480℃,熔化区间t_○D-t_○S由207℃降低到156℃,最大压差Δp_○max由11kPa降低到7kPa,故使用矿焦混装可改善高炉熔滴性能.     

纳米MoS2含量对纳米微量润滑磨削CFRPs的影响

为了研究磨削碳纤维复合材料(CFRPs)时,纳米二硫化钼(MoS₂)含量对纳米微量润滑效果的影响,制备了不同质量分数(0%,3%,6%,9%,12%)的纳米MoS₂和棕榈油混合液,作为纳米微量润滑油液,对碳纤维复合材料进行磨削加工.使用光学显微镜,观测分析碳纤维复合材料的表面粗糙度、表面形貌.使用测力仪对磨削力进行测量,并通过磨削力计算出磨削力比.最后对纳米(MoS₂)在纳米微量润滑磨削过程中的作用机理进行了阐述.结果表明,当纳米(MoS₂)质量分数为9%时磨削力比最低,为0.0632,表面粗糙度R_○a值最小,为1.86μm,且表面碳纤维损伤最小.     

轧制态下Cu含量对泡沫铝泡孔结构的影响

采用液相复合-轧制技术制备不同w_○Cu的可发泡预制坯及闭孔泡沫铝材，研究了w_○Cu对泡沫铝泡孔结构的影响.结果表明:随着w_○Cu的增加，泡孔结构的均匀性增加，孔径减小，泡孔合并产生的大泡孔数量减少，但泡沫体的塌缩和老化特征增强.对比不同w_○Cu的预制坯的膨胀曲线，随着w_○Cu的增加，预制坯的最大膨胀率先增大后减小，且达到最大膨胀率的发泡时间明显减少.微观结构分析表明:在AlSi₉合金中加入Cu，生成了CuAl₂O₄和CuAl₂，CuAl₂O₄提高熔体的黏度，减小了重力排液及毛细作用的影响，提高了泡沫的稳定性.CuAl₂先于AlSi₉熔化，在晶界上形成熔池，气泡提前形核长大，使发泡过程提前完成.     

吸附强化焦炉荒煤气重整制氢的热力学分析

采用Aspen Plus软件对焦炉荒煤气重整制氢反应进行热力学分析.研究发现,普通重整(不添加CO₂吸附剂)和吸附强化重整(添加CO₂吸附剂CaO)最佳反应压强都为常压,温度和n_○S/n_○C(蒸汽与C物质的量比)的增加能促使H₂的产量和体积分数(干产气体积分数)增加,但n_○S/n_○C大于3以后增幅不大.CaO的添加会促进重整反应进程,降低最佳重整温度,提升H₂产量和浓度.当n_○S/n_○C=3时,吸附强化重整(n_○CaO/n_○C(CaO与C物质的量比)=1)的最佳反应温度由普通重整的650℃降为450℃,而每100mol焦炉荒煤气产氢量由186mol提升为212mol,氢气体积分数由74%提升为97%,而制氢能耗则由2.26kW·h/m³降为2.00kW·h/m³.