基于椭圆形微裂纹演化与汇合的准脆性材料本构模型

微裂纹演化与汇合是导致准脆性材料损伤及破坏的主要因素.采用复势函数法求解了受远场载荷作用下代表性单元中椭圆微裂纹的变形,讨论了椭圆微裂纹初始取向的变化对微裂纹尺寸增长和偏转角度的影响,并结合微裂纹扩展准则推导了损伤起始的临界应力.基于翼型裂纹扩展过程的能量守恒方程,建立了损伤阶段的本构关系.对裂纹汇合模式进行了讨论,建立了翼型裂纹汇合的几何模型,由翼型裂纹汇合的临界条件给出了断裂失效应变,最后给出了与细观结构演变过程相对应的本构模型,并应用该模型计算了岩石类材料单轴压缩下的应力应变曲线,与实验结果吻合良好.     

致密砂岩层系多尺度波耗散规律及双重分形结构模型

了解地层岩石的多尺度非均质性特征对不同频率弹性波响应的影响,对基于地震资料解释与反演地下介质属性至关重要.本文联合采用超声波实验(550 kHz)、声波测井(约10 kHz)和地震勘探(约30 Hz)手段,对鄂尔多斯盆地延长组致密岩石开展观测,估算了不同频率下致密砂岩中的纵波传播速度和衰减.超声波观测结果显示,随着围压增大,孔隙度对衰减的影响有变小的趋势,而黏土含量的影响随围压增大而增大.不同频率范围内,波速和衰减随孔隙度或黏土含量的变化趋势基本一致.测量结果中值及分布特征显示,从超声波到地震频段,纵波速度趋于下降,而衰减却有增大趋势.从超声波到声波频段,速度减小更为显著,中值减小了362 m/s;而测井速度与地震观测结果较为接近.衰减在声波和地震频率之间的差异更为明显.为解释多尺度观测数据,提出了描述孔隙介质中裂隙和黏土尺寸具有自相似分布特征的双重分形结构模型.模型预测与实验结果对比揭示了相关储层黏土包体和裂隙的分形特征.本研究可为进一步解释复杂岩石宽频带波频散和非弹性现象提供理论模型.     

受压岩石中裂纹发育过程及分维变化特征

利用扫描电镜和光学显微镜对岩石裂纹发育的实时观测已有报道,实验和现场研究结果表明岩石破裂带具有分形特征,本文对大理岩受单轴压缩时裂纹随外载增加时变化过程进行了扫描电镜实时观测研究,通过分维统计,得出岩石构元局部分维值随外载的变化规律.1 实验1.1 岩石试件及加载装置实验所用岩石材料为细料房山大理岩,主要矿物为方解石和白云石,粒径分布0.05～0.35     

基于3D打印技术的岩体复杂结构与应力场的可视化方法

准确表征与直观显示岩体复杂的内部结构与应力场是解决诸多地下工程问题的基础和关键.本文运用CT成像、三维重构和3D打印技术制备了包含复杂裂隙的天然煤岩模型,借助三维应力冻结和光弹技术,直观定量地显示了单轴压缩载荷作用下复杂裂隙煤岩内部的应力场分布特征.研究表明:通过3D打印技术制备的煤岩模型具有与天然煤岩一致的裂隙结构特征;3D模型的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等力学性能指标接近于天然裂隙煤岩;在不连续裂隙周边的高应力分布区域以及应力级差等方面,3D模型的实验结果与数值模拟结果具有较好的一致性;该方法能够直观定量地显示不连续不规则裂隙对煤岩的强度、变形以及应力集中区的影响.3D模型打印与应力冻结技术相结合为实现地下岩体内部复杂结构与三维应力场分布的定量表征与可视化,以及印证数值模拟结果提供了新途径.     

页岩气储层改造的体破裂理论与技术构想

中国页岩气可采储量居世界第一位,但是中国页岩气开发面临气藏赋存条件复杂、地质构造运动剧烈、储层渗透性极低、气藏富集区水资源匮乏等一系列难题,迫切需要创新页岩储层改造的理论和方法,探索适合中国页岩气高效开发的非常规理论与技术.本文简要分析了目前储层压裂改造的主要方法、原理及面临的难题和挑战,提出了储层改造的体破裂理论及技术构想.定义体破裂是三维岩体在载荷作用下,内部孔隙、层理裂隙及人工裂隙互相作用、充分发展和贯穿、并形成新的三维裂隙网络系统这一完整力学过程,是岩体大尺度、多裂隙、高强度的破坏和能量释放的过程.指出页岩三维断裂形态和扩展机理、人工裂隙与结构裂隙相互作用、缝网形态和演化、实现高度体破裂的载荷类型、方式与介质以及真实三维断裂过程的可视化与计算模拟新技术等构建了体破裂力学理论的研究框架.基于早期实验室以及现场实验的探索,提出和分析了实现体破裂的新技术及有待研究的关键科学问题和技术难点.     

晋城成庄矿煤层大裂隙系统研究

城煤区成庄矿3号煤储层内发育有由外生节理、气胀节理、内生裂隙组成的大裂隙系统．气胀节理主要发育在光亮煤分层内，内生裂隙发育在镜煤和亮煤中．外生节理分两种，一种发育在煤层内，另一种则切穿整个煤层进入顶底板围岩．外生节理与气胀节理发育的方向性基本一致，为北北东和北北西两组．大裂隙系统的形成分为煤化作用期的内生裂隙发育阶段；二次煤化作用期的内生裂隙充分发育和气胀节理形成阶段；构造作用形成外生节理阶段．成庄矿3号煤储层的大裂隙系统在三度空间上存在不均一性，在平面上表现为大裂隙带有规律地成组分布，在剖面上表现为存在高渗透率煤分层．煤层中的大裂隙系统的研究可应用于煤层气生产，也可以有效提高煤层瓦斯的排放效率．     

橄榄岩-熔体相互作用: 克拉通型岩石圈地幔能够被破坏之关键

对近年来华北克拉通不同时代地幔橄榄岩捕虏体和捕虏晶的研究结果进行了系统的归纳和总结, 旨在为华北克拉通破坏过程的进一步研究提供新的思路. Re-Os同位素研究结果证明华北岩石圈减薄前岩石圈地幔的确形成于太古代. 这种密度低、难熔程度高的古老岩石圈地幔能够被破坏和减薄的关键是由橄榄岩与多来源熔体的相互作用造成岩石圈地幔的组成和物理性质的改变引起的. 华北克拉通周边板块的俯冲-碰撞作用不仅提供了克拉通破坏的动力来源, 而且俯冲下去的大陆壳或大洋壳物质熔融还为岩石圈地幔组成的改变提供了源源不断的熔体. 120 Ma左右的区域性热异常的存在导致已经被改造的岩石圈地幔熔融, 此时或随后岩石圈的伸展作用以及软流圈上涌进一步加剧了地幔的熔融和岩石圈的减薄. 因此, 华北岩石圈的破坏和减薄是橄榄岩-熔体相互作用(加挥发分)、区域热异常的升高(增温)和岩石圈伸展(减压)联合作用的结果. 这一复杂的地质过程最终形成了华北中生代、新生代高度化学不均一的“混合”岩石圈地幔, 并导致了不同地区不同时代地幔橄榄岩捕虏体组成的巨大差异.     

大陆碰撞过程中地壳深熔的岩石学证据:以苏鲁造山带超高压变质岩为例

岩石学显微结构证据表明,苏鲁造山带西南部超高压变质岩石经历了不同程度的深熔作用.在花岗片麻岩和石英岩中识别出结晶自深熔熔体的锆石,其U-Pb年龄集中在220±2 Ma.少量深熔锆石含有柯石英包裹体,U-Pb年龄主要集中在224±2 Ma,部分与含较低压矿物包裹体的锆石域类似.因此,深熔作用开始于早期折返阶段,部分仍处于超高压变质域.折返过程中多硅白云母脱水熔融是这些岩石发生深熔的主要机制.黝帘石榴辉岩的石榴石和绿辉石中发现了由石英+斜长石±钾长石±重晶石组成的多相固体包裹体.它们具有高钠和变化的钾含量,可能是榴辉岩中黝帘石和多硅白云母脱水分解诱发部分熔融形成,同时深熔过程中有大量绿辉石的参与.超高压变质岩石在地幔深度的部分熔融,可能促进了深俯冲陆壳在俯冲隧道内部的快速折返.     

赋存深度对岩石力学参数影响的实验研究

研究赋存深度对岩石物理力学参数的影响,对于认识深部岩体变形破坏规律,以及分析深部工程灾害事故机理具有十分重要的意义.通过在北京门头沟矿区大台井同一岩层进行现场取样,获得了赋存深度处于410~1010m的7个深度水平上的同一层玄武岩,将其加工成77个标准试件(其中单压21个、三轴35个、劈裂21个),借助MTS815和RMTS150岩石力学实验系统,分别进行了单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂实验,获得了玄武岩密度、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等基本岩石物理力学参数随赋存深度的变化规律.研究发现,统计意义上玄武岩密度、弹模、单拉强度、单压强度、黏聚力、内摩擦角随赋存深度的增大而线性增加,仅泊松比随深度增加而线性减小.另外,还简要分析了造成不同深度同一岩层物理力学参数差异的原因.     

海南万宁辉长岩体及辉绿岩脉侵位机制的磁组构证据

海南岛万宁地区的辉长岩体及穿插其中的辉绿岩脉均为印支期近时基性侵入体.我们对辉长岩和辉绿岩脉进行了磁组构研究.万宁辉长岩体获得61个定向岩芯样品,边杜村辉长岩获得7个定向岩芯样品.横跨7条辉绿岩脉共系统钻取53个定向岩芯样品.岩石磁学分析表明,辉绿岩和辉长岩主要的磁性矿物分别是多畴贫钛磁铁矿和假单畴-多畴贫钛磁铁矿,它们为基性岩中的原生磁性矿物.辉长岩和辉绿岩均具有较低的磁各向异性度(Pj<1.2),它们保留着原生的流动磁组构特征.辉长岩的最大磁化率主轴(K1,磁线理方向)分布相对集中,平均方向为1.9°∠15.7°,绝大多数样品倾角小于30°,显示低倾角正北方向倾伏;7条辉绿岩脉各自的K1主轴集中,且一致性良好,分布在NNW-SSE方向,倾角大致在30°左右.K1分布表明:万宁辉长岩体的侵位方式为以低仰角由北向南侧向侵位,而辉绿岩脉则以中至低仰角从NNW向SSE侧向侵位.它们可能是位于更北部的同源岩浆脉动式侵位的结果,这意味着在万宁北部的印支期花岗岩之下可能隐伏有该期的基性岩体.     

论大体积混凝土的裂缝控制

从大体积混凝土裂缝产生的原因入手,重点分析了裂缝的形成阶段及各自的特点,并最终提出大体积混凝土裂缝的防治措施,在实际工程中具有一定的指导意义。     

半刚性基层防裂性能分析

沥青路面的应用越来越广泛,道路基层也大部分采用半刚性基层,而基层开裂问题一直都是影响道路使用寿命的关键之所在。文章一方面从理论角度来分析和了解道路各结构层产生裂缝原因、影响因素和评价方法,另一方面从实验角度来分析和研究结构层抗裂性能,并提出的基于劈裂模量的收缩应变能抗裂性评价指标体系,从能量的观点把应力和应变结合起来能有效地评价半刚性基层材料抗裂性。     

沥青路面预防性养护时机研究

文章针对疲劳破坏对沥青路面性能的影响规律,对沥青路面预防性养护时机进行了研究。提出了基于裂缝长度的沥青路面预防性养护最佳时机的确定方法。     

中国古代宇宙生成学说的演变

本文认为，中国古代宇宙生成学说的发展经历了三个阶段．观念形成阶段：时间相应于先秦（前２２１－前２０６），人们普遍相信宇宙万物是逐渐生成演化而来的；理论繁荣阶段：时间相应于两汉（前２０６－公元２２０）．先秦时期的“无中生有”说被《淮南子》的“无形生有形”所取代．由此导致了宇宙生成理论的全面发展；成熟阶段：在与宇宙结构理论相协调的过程中，宇宙生成学说进一步完善，到南宋时期（１１２７—１２７９）达到了它的顶峰．     

高压烧结致密非晶SiBCN块体陶瓷的组织结构演化与力学性能

非晶SiBCN陶瓷是一类独特的结构材料，具有低比重、高比强度、优异的高温损伤容限等特殊结构和性能，因此在高温防热结构部件上极具应用潜力。通过合理的结构与化学成分协同设计，可探索陶瓷形貌/微观结构演化及断裂行为的基本特征，从而进一步提高其力学性能，以满足实际应用需求。因此，文章以石墨、六方氮化硼、立方硅和硼等元素粉末为原料，提出了采用机械合金化结合高压烧结技术(1 000 ^oC/3~5 GPa/30 min)制备致密非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的方法。通过XRD、SEM、TEM、TG等表征手段，研究了烧结压力诱导该系非晶陶瓷的组织结构演化、相变及热稳定性，并对其力学性能，特别是断裂行为进行了详细讨论。结果表明，提高烧结压力促使陶瓷基体由完全非晶态向晶态转变，部分块体陶瓷由大量非晶相、少量c-Si和/或t-BN(C)纳米晶相组成，显示出依赖于硼含量的物相组成。高压烧结有效地促进了陶瓷的烧结致密化，导致材料内自由体积的湮灭和“河流状”断裂形貌的产生。随着烧结压力的提高，陶瓷材料的体积密度、纳米硬度和杨氏模量单调增加。在相同烧结条件下，硼含量的增加削弱了非晶Si₂ByC₂N(y=1.5~4)块体陶瓷的力学性能和热稳定性。1 000 °C/5 GPa/30 min烧结制备的致密非晶Si₂B_1.5C₂N块体陶瓷的体积密度、纳米硬度和杨氏模量分别为2.69 g/cm³、33.6±2.2GPa和414.2±16.5 GPa。     

水泥砼路面断板的成因及防治措施

分析造成水泥砼路面裂缝的原因,从施工与角度提出了防止水泥砼路面裂缝的措施。     

退火与“机械退火”对金属玻璃结构和力学性能的影响

金属玻璃是一种新型亚稳态金属材料,具有一系列优良的物理、化学和力学性能。然而在高温或室温长期使用条件下,金属玻璃易于转变为更稳定、更低能量状态的晶体材料,已成为限制其广泛应用的瓶颈之一。研究金属玻璃的退火对其结构、力学性能的影响具有重要的意义。文章综述了常规退火与"机械退火"对大块金属玻璃的结构和力学性能的影响。研究发现:在玻璃化转变温度以下退火时,密度、剪切波速度、纵波速度和弹性模量随退火时间的增加而增加,这是由于在结构上不同程度的原子重排所致;大块金属玻璃在低于屈服强度的恒定应力下"机械退火"密度增加;卸载载荷室温下时效处理超过30天后,屈服强度和断裂强度均降低,并且在塑性阶段锯齿状塑性流动的幅度增加。这个结果可能对于深入理解大块金属玻璃的结构和塑性变形具有一定的指导作用。     

Topology in parity-time-symmetric quantum walks

The study of non-Hermitian systems with parity-time(PT) symmetry is a rapidly developing frontier in recent years. Experimentally, PT-symmetric systems have been realized in classical optics by balancing gain and loss, which holds great promise for novel optical devices and networks. Here we report experimental realization of passive PT-symmetric quantum dynamics for single photons by temporally alternating photon losses in the quantum walk(QW) interferometers. The ability to impose PT symmetry allows us to realize and investigate Floquet topological phases driven by PT-symmetric QWs. We observe topological edge states between regions with different topological invariants. Topological invariants can be defined by winding numbers, Zak phases, general geometry phases and can be calculated. Can they be detected directly? We give an answer by reporting the experimental detection of bulk topological invariants in non-unitary QWs. The topological invariant of the non-unitary quantum walk is manifested in the quantized average displacement of the walker, which is probed by monitoring the photon loss. Furthermore, we report the experimental study of dynamic quantum phase transitions(DQPTs) and photonic skyrmions using discrete-time QWs. We simulate quench dynamics between distinct Floquet topological phases using quantum-walk dynamics, and experimentally characterize DQPTs and emergent skyrmion structures. Our results pave the way for realizing quantum mechanical PT-synthetic devices and augurs exciting possibilities for exploring topological properties of non-Hermitian systems using discrete-time QWs.     

浓度对薄凹液层胶体悬浮液干燥花样形成的影响

研究了不同浓度下厚度较薄的凹液层胶体悬浮液干燥过程及花样, 利用照相机实时拍摄不同浓度下胶体悬浮液的干燥过程. 结果表明随着浓度的增加, 最终干燥花样圆环宽度增加, 而数目明显减少; 干燥过程分为5阶段, 其中包含两阶段马兰哥尼对流; 对流能够影响悬浮液内胶体颗粒的自组装和薄膜形貌, 第一阶段对流导致薄膜边缘厚、中心薄, 第二阶段对流伴随接触线的钉轧-滑移运动, 导致多重宽环花样形成.