岩石节理形貌粗糙度系数与分形维数及几个参数的关系分析

为了更加准确地描述岩石节理形貌粗糙度系数(JRC),利用26组花岗岩试样劈裂形成模拟天然节理和20组人工预制具有不同JRC系数值的试样来模拟节理表面形貌,研究了节理三维形貌各向异性分形特征、JRC以及剖面线平均分形维数和节理表面分形维数之间的关系。并且在前人研究的基础上,分析了其他学者较少研究的几个参数,即节理剖面系数R_p、粗度轮廓的最大波谷深度R_v、粗度轮廓的均方根(RMS)的偏差R_q及峰度系数Sku几个统计参数和JRC之间的相关关系。结果表明,尽管各方向的分形维数差异较小,但是仍然存在各向异性特征。JRC与分形维数之间存在较为明显的指数关系,而剖面线平均分形维数和节理表面分形维数之间存在很强的线性相关关系,JRC与R_p、R_v、Sku之间的相关关系为线性关系,且R_p、R_v与JRC的相关关系拟合结果很相似,均为线性相关。而JRC与R_q之间存在抛物线的关系,拟合结果 JRC=3.80013+4.3267e43.3276Rq。通过运用分形和统计参数联合描述JRC更加全面。     

耦合节理上下表面形貌参数关系

节理的表面形貌特征对节理的力学和水力学性质有重要影响.在地下岩石工程施工过程中,会有大量的人工节理产生,为了研究人工节理表面的形貌特征,采用巴西劈裂法制作耦合良好的人工节理,用 TalysurfCLI2000三维非接触式激光形貌仪扫描各节理的两表面,分别计算了各表面粗糙度的最大峰高、算术平均值、偏态系数值、峰态系数值和 JRC值,对比分析耦合节理两表面的形貌参数值,发现如下规律:1)耦合节理两表面的最大峰高、表面高度的算术平均值和高度分布的峰态系数值近似相等,不同节理的算术平均值和高度分布的峰态系数值相差较大;2)大部分耦合节理两表面高度分布的偏态系数值表现出一正一负,个别节理两表面的偏态系数值同为负;3)耦合节理两表面的峰点分布曲线变化一致,且峰点数量集中分布在节理表面中间高度范围内;4)耦合节理两表面的 JRC值近似相等     

孔隙介质中应力波传播机制的实验研究

采用活性粉末混凝土和聚苯乙烯材料研制了具有与天然砂岩相似孔隙分布特征和物理力学性质的孔隙体模型,通过不同孔隙率模型的SHPB冲击实验和CT扫描实验观察和分析了孔隙体中应力波的传播特性以及传播过程中内部孔隙和固体介质的变化．研究表明：1）孔隙率显著影响应力波的传播特征．相同应变率时,孔隙率越大,反射波幅越大、波峰越多、透射波幅越小;孔隙率降至5％时反射波接近于单峰;应变率越高上述现象越明显;2）孔隙体的能量耗散率WJ／W1随孔隙率增加而线性增加,WJ／W1对应变率较敏感;3）应力波传播性质和能量耗散行为的差异与孔隙的演化机制有关．孔隙率低于10％时内部机制表现为固体介质破裂或形成新孔隙,应力波能量主要被消耗形成新开裂面或新孔隙,原有孔隙变形不大．此过程中应变率对改变孔隙形状的作用不明显;孔隙率高于15％时孔隙演化机制与应变率有关,低应变率时仍以固体介质开裂或形成新孔隙为主,但新增开裂面或新孔隙的数量相对较少;高应变率时内部结构变化同时存在固体介质开裂和孔隙变形两种机制,其中孔隙变形占较大比例,应力波能量大部分被消耗于孔隙变形,表明只有在高孔隙率和高应变率条件下内部孔隙才会发生明显的变形．孔隙离心率e可以较好地刻画应力波作用下孔隙的变形．     

基于BP神经网络方法研究岩石节理形貌粗糙度系数

岩石节理粗糙度系数(JRC)是研究岩石力学性质的重要参数。为了更准确地描述这一参数,本文基于人工神经网络的原理,提出一种研究JRC的新方法——BP神经网络预测法。选取节理表面最大峰高S_p、表面最大高度S_z、表面最大谷深S_v、峰度系数S_(ku)、偏斜度系数S_(sk)、均方根高度S_q、算术平均高度S_a7个表面形貌高度特征参数作为网络输入,剖面线分维值和JRC作为网络输出,以此为基础构建网络模型,并对10组实测数据进行了预测验证。结果表明:该方法误差很小,具有很高的预测精度,可为进一步的研究提供新的思路和方法。     

动静载荷下岩石声发射特性的对比研究

为了对比分析静载和动载下岩石声发射特性的区别,在MTS静载实验设备和SHPB冲击实验系统上对四种岩石(硬度大的花岗岩、硬度小的花岗岩、石灰岩、砂岩)进行了声发射加载实验。实验结果表明:岩石在冲击荷载下的声发射持续时间短,且在早期都存在一个波击,其信号能量、强度、绝对能量明显高于其他波击,而静载荷下的具有大值能量、信号强度、绝对能量的波击绝大部分出现在后期岩石的宏观破坏阶段;静荷载下波击的幅值主要分布在40~60d B,冲击荷载下波击的幅值则分布较分散,且大于70 d B的波击所占比例相对于静载荷下的要高。冲击载荷下岩石声发射峰值频率都低于500 k Hz,主要分布在0~100 k Hz、150~200 k Hz、400~450 k Hz之间,而静载荷下岩石声发射信号的峰值频率分布在0~550 k Hz,也有部分波击峰频大于600 k Hz,其中主要分布在以下4个阶段:0~150 k Hz、150~280 k Hz、280~400 k Hz、400~550 k Hz。     

脉冲电流对Al-Mg合金力学性能和断口的影响

研究了高能量密度0.150 J/mm~3和低能量密度0.105 J/mm~3下,不同脉冲电流参数对铝合金流动应力和伸长率的影响.铝合金在相同的能量密度下产生的温度一致,由此探讨了电辅助成形中的非焦耳热效应.结果表明:脉冲电流的引入能够降低铝合金的最大应力值,提高伸长率.相同能量密度下,随着脉冲电流密度的增加,最大应力值保持不变,但是脉冲电流引起的瞬时应力下降值增加,且伸长率显著增加.通过应力回复模型,准确预测出脉冲电流引起的应力下降值.高能量密度下试样拉伸后的断口韧窝数量变少,并且随着脉冲电流密度的增加,断口韧窝数量减少直至消失,断口伸长率的提高也正是脉冲电流抑制了空洞的形核和长大所致.     

矿岩在动静加载条件下声发射特性的实验研究

通过霍普金森(SHPB)试验系统及RMT-150C型试验机分别对矿山围岩及矿石试样进行冲击加载、单轴抗压试验、巴西劈裂试验,对不同加载方式岩石破裂的声发射特性进行分析。结果表明:冲击荷载下,由于加载时间短、冲击能大,加载初期就出现了大值能量的波击,而在单轴抗压试验及巴西劈裂试验中,试样临近失稳前才会出现声发射能量和计数的激增;在峰值频率分布方面,围岩及矿石试样在不同加载方式下均为0~200 KHz信号占据主导,并且在单轴抗压试验及巴西劈裂试验中,不同岩石声发射信号的主导频段一致,分别为0~100 KHz和100~200 KHz,而在冲击荷载下,矿石声发射信号的主导频段为0~100 KHz,围岩声发射信号的主导频段则为100~200KHz。     

非贯通遍布节理类岩材料单轴压缩破碎的分形分析

为了研究非贯通遍布节理模型在节理倾角α以及节理夹角γ两个参数影响下的破碎规律以及分形特征,采用水泥砂浆材料制作不同节理倾角以及不同交叉程度的相似材料试样,并对节理类岩材料进行单轴压缩实验以及筛分试验。将碎屑定量分为粗粒、中粒以及细粒3种类型,分别对应粒径范围d10 mm,0.25≤d≤10 mm,d0.25 mm。计算各粒级碎屑的质量百分比、各粒径范围内碎屑的频数N以及碎屑尺度-质量分布的分形维数D,得出了碎屑频数N、碎屑的质量百分比随节理倾角α以及节理夹角γ的变化趋势及规律,并研究了碎屑尺度-质量分布的分形维数D随节理倾角α的变化规律,结果表明分形维数能直观反映岩石的破碎程度。     

坚硬顶板深孔爆破卸压技术及其模拟优化

工作面回采过高冲击危险区时,采用深孔爆破技术,提前释放坚硬顸板内储存的弹性能,可以降低冲击危险,能有效地避免冲击地压灾害发生。以济三煤矿6303工作面实际地质情况为研究背景,从岩石爆破机理出发,计算出合理的钻孔间距;利用Ansys有限元非线性动力学软件,对不同爆破孔间距深孔预爆破方案和爆破效果进行爆破效果模拟,分析了爆破应力波传播规律和裂纹扩展情况,找出最优爆破参数。     

应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质,研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程,分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中,孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形,变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变）,以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性,拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

力学冲击试验中激波和类行波的作用

用NASTRAN和ANSYS软件包计算在冲击作用下试件所受的应力,其结果往往比实测值偏大许多倍.本文认为冲击在试件中诱发了激波或类行波,采用Lax-Friendrichs(L-F)格式数值模拟了激波和类行波在固体中的传播,计算结果表明应力波的作用区间很小,而且作用时间很短,表观很大的冲击力及其所做的功实际并不大.计算所得的冲击值分布与冲击试验的实测值趋势符合,定性解释了出现上述情况的物理原因.     

温度对超塑性拉伸稳定变形影响的力学解析

从应力为应变、应变速率和温度的函数的状态方程出发, 导出包含应变硬化指数、应变速率敏感性指数和本文引入的温度敏感性指数、温度起伏指数, 建立了分析超塑性拉伸载荷稳定变形的微分本构方程和几何稳定变形的变分本构方程, 并根据塑性基本理论的普适条件, 进行了温度连续上升条件下和沿试样轴线存在温度不均匀条件下的载荷稳定变形和几何稳定变形的理论分析. 结果表明温度连续上升的快慢和温度的不均匀的大小对稳定变形有影响, 温度上升越快, 温度越不均匀, 载荷稳定和几何稳定所对应的均匀应变越小; 应变硬化效应是超塑性拉伸变形稳定性的必要条件, 在载荷失稳时并不同时产生几何失稳, 而是能持续一段均匀变形才出现; 在超塑性温度区, 恒温不是呈现超塑性的必要条件, 但是在变形过程中温度上升的越慢, 温度越均匀, 变形的稳定性越好.     

爆破冲击荷载下花岗岩残积土的力学响应试验研究

地铁隧道盾构施工前,通常需要对风化层中的孤石进行爆破处理,爆破荷载不可避免地对周围土体产生扰动.为了调查爆破冲击荷载对花岗岩残积土力学行为的影响,开展了不同冲击速率、频率、振动峰值应力及有效围压作用下花岗岩残积土的冲击动力试验,分析冲击荷载引起的超静孔隙水压力和变形的发展规律与破坏模式.结果表明:高速冲击引起的颗粒重排会增大土的内摩擦角,但强度增大的同时也会破坏原生结构强度,土体产生更多裂缝;振动峰值应力与频率对残积土的影响均存在着临界值,振动峰值应力与频率超过临界值时,强度软化且变形量增大;低围压下残积土可能会出现剪胀与剪切带破坏;提出的3种爆破冲击破坏类型中,低频高振动峰值应力的冲击条件下易出现严重的冲击破坏,频率3 Hz、振动峰值应力400 kPa是厦门花岗岩残积土介于破坏型与亚稳定型的临界影响值,因此,工程实践中应关注低频、高振动峰值应力的爆破冲击对周围土体带来的危害.研究可为花岗岩风化层中爆破法处理孤石提供施工参数,也可为考虑爆破振动影响的土层的力学参数确定与评价提供技术支持.     

拉伸变形应变硬化指数的实验测量及其精细分析

从应变硬化指数n的定义出发,从理论上导出了在不同的典型变形路径(恒应变速率,恒十字头速度v和恒载荷p)下用实验参数p(变形载荷),v(十字头速度)和l(试样标距长度)表达的一组n值测量公式,并根据这组公式建立了在恒,恒v,和恒p条件下均能测量n(恒的应变硬化指数),nv(恒v的应变硬化指数)和np(恒p的应变硬化指数)的统一测量方法,同时从分析传统测量方法必然存在理论误差和随机误差出发,提出了精确测量方法.还根据典型超塑性合金的实验给出在同一组恒,恒v或恒p变形路的曲线上对n,nv和np的测量结果,由此判明超塑性与塑性变形的结构敏感性.此外在不同组恒,恒v或恒p曲线上用相同的测量公式所测得的同一个n,nv或np也不相同,由此加深了对n,nv和np的数学表达与实测结果之间关系的认识,从而实现了对参数n实验精细分析的目的.     

混凝土材料非线性多轴动态强度准则

将广义非线性强度理论的4个材料参数转化为混凝土材料的基本强度参数,通过混凝土材料的基本强度特性,分析了4个材料参数的变化规律与取值范围.基于S准则建立了混凝土材料4个基本强度参数的率效应表达式,建立了混凝土材料的非线性多轴动态强度准则,分析了动态强度参数的率效应规律,结果表明,混凝土材料的强度特性随着应变率的提高,逐渐向金属材料的强度特性过渡,在应变率从-3~3,应变率对混凝土动态强度的影响较大,并且动强度不是随着应变率的提高无限增大的,而是存在动强度峰值.通过与3组双轴压-压和2组双轴拉-压动态加载时混凝土材料试验结果的比较,表明非线性多轴动态强度准则可较好地描述混凝土材料双轴动强度规律.在同一应变率下,可较好地描述强度的非线性特性;不同应变率下,动强度面互不相交,即应变率效应与多轴应力状态对强度规律不存在耦合影响.     

钛合金室温和高温三维复合型断裂实验研究

钛合金结构在复杂载荷和工况下的损伤容限对现代飞行器安全十分重要,但至今没有结构三维几何尺寸因素对材料高温断裂性能的影响结果报道.利用新发展的光测断裂试验技术,对航空结构材料TC11高温钛合金制成的紧凑拉伸剪切试样,在3种不同温度条件下进行了多种厚度（1.8～7.1mm）的I/II复合型断裂试验,系统分析了温度、厚度和复合载荷对断裂承载力和裂纹起裂角的影响.结果表明,TC11材料在室温下断裂承载力随厚度增加单调降低;在高温下则呈现与室温下不同的厚度效应：温度明显降低2mm试样的承载能力,而增强7mm试样的承载能力,4mm试样的承载能力则较少变化.I/II复合加载时起裂角在室温和高温条件下都存在一定的厚度效应和温度效应.这些复杂的厚度-温度耦合效应不能用已有断裂理论准确预测,必须发展新的三维复合型断裂理论和评定技术.     

聚乙烯醇／羟基磷灰石复合水凝胶的摩擦磨损机理研究

选用高分子聚乙烯醇（PVA）和纳米羟基磷灰石（HA）为原料,采用反复冷冻-解冻法制备PVA／HA复合水凝胶．在超高精度三维轮廓仪和扫描电镜上观察PVA／HA复合水凝胶的微观形貌,采用平头圆柱压头测定PVA／HA复合水凝胶的压缩弹性模量和应力松弛特性,在微摩擦试验机上开展PVA／HA复合水凝胶与牛膝关节软骨之间的摩擦磨损实验,利用环境扫描电镜表征试样磨损后的表面形貌．结果表明,PVA／HA复合水凝胶具有与天然骨组织相似的交联网状微观结构,随着冷冻．解冻次数和HA含量的增加,PVA／HA复合水凝胶交联度增加,结晶程度增强,弹性模量显著提高,应力松弛速率增大,应力平衡值降低;摩擦系数随冷冻-解冻次数和HA含量的增加而降低,且冷冻-解冻次数越大,摩擦系数达到稳定平衡值的时间越早;PVA／HA复合水凝胶／牛膝关节软骨配副的摩擦变形深度随冷冻．解冻次数和HA含量的增加而减少;PVA／HA复合水凝胶的磨损机理主要表现为塑性流动和粘着现象,磨损轻重程度随冷冻-解冻次数和HA含量的增加而降低．     

高应变率下RPC动态力学性能的试验研究

利用5种钢纤维掺量活性粉末混凝土(RPC)圆柱形试件的SHPB冲击压缩实验研究了10×100~1.1×102s?1应变率范围内RPC的动态力学性能,分析了不同应变率和钢纤维掺量下RPC的应力波动特征、破坏模式、强度及耗能能力的变化规律以及应变率和钢纤维掺量的影响.提出了不同应变率和钢纤维掺量条件下RPC动态应力-应变响应的基本模式与本构模型.研究表明:应力波作用下素RPC的应力响应高于应变响应,脆性特征显著.掺入适量钢纤维后,RPC碎裂时的应变率和变形能力较素RPC有明显提高.相同钢纤维掺量下,应变率增加时,RPC的峰值抗压强度、峰值应变和残余应变均有不同程度的提高,其中残余应变提高的幅度最大.相同应变率条件下,提高钢纤维掺量对于改善RPC碎裂后的残余变形能力作用不大.钢纤维对RPC峰值抗压强度和峰值变形能力的影响不同,相同应变率下,钢纤维率不超过1.75%时,峰值抗压强度随纤维率增加而增加;纤维率超过1.75%后,峰值抗压强度开始逐步下降;峰值应变随钢纤维掺量增加而持续增大.相同应变率下,从冲击开始至残余变形阶段RPC的总耗能Edisp随钢纤维掺量增加而逐步提高,但纤维率超过2%后总耗能Edisp则开始逐步下降.不同变形阶段钢纤维对RPC耗能所起的作用不同.钢纤维率不超过2%时,钢纤维对提高峰值变形前耗能的作用大于对提高峰值变形后耗能的作用.应变率对总耗能和各阶段耗能均有显著影响,应变率越高,各阶段的耗能越大,动态冲击时的韧性越好.给出了RPC峰值抗压强度、峰值变形、残余变形,以及各阶段耗能随应变率和钢纤维率变化的经验模型.采用标准化的应力和应变作为广义应力与广义应变,以应变率和钢纤维率为界,将RPC的动态应力-应变响应模式简化为4类基本模型,并给出了每类模型的数学表达式.     

基于核磁共振技术的石膏粉末型3D打印试样水理特性及裂隙渗流特性初探

基于石膏粉末的3D打印技术目前在岩石力学领域及石油领域应用广泛.为使该技术更广泛应用于有水条件下的岩石和油气工程,对真空渗透固化改进的石膏粉末型3D打印试样进行了水理特性和裂隙渗流特性研究.首先,借助SEM和低场核磁共振技术(NMR)研究了该3D打印试样的微观结构特征和孔隙分布特征.其次,分别对试样在自然吸水和有压饱和条件下开展了吸水→饱和→干燥的干湿过程试验,并借助NMR技术研究了试样干湿过程中的水分迁移特征.在此基础上,分别对干燥和饱和试样开展了单轴压缩试验,研究试样遇水软化特征.最后,基于NMR岩石驱替渗流分析成像系统,对4种含不同粗糙度(JRC)的裂隙打印试样开展了恒围压、渗透压的渗流试验,借助实时核磁T₂谱和成像研究了试样的裂隙渗流规律.结果表明,渗透固化的石膏粉末型3D打印试样内部大小孔隙分布均匀且连通性好,总孔隙度为18.4%;试样自然吸水时以中、大孔隙充水为主,有压饱和时其大、中和小三种孔隙均充水饱和;试样的自然吸水率、饱和吸水率以及饱水系数分别为6.01%, 8.8%和0.68,与一般砂岩很接近;相比干燥时,饱和试样的变形大、峰值强度降低明显,其...     

应变速率敏感性指数的理论和测量规范

应变速率敏感性指数m是判定材料超塑性的重要力学指标, 用拉伸实验测量 m 值的力学研究已有很多, 对超塑性的进展也有很大贡献. 首先从回顾已有拉伸实验测量 m值的公式, 并且把它们归类为定长度 m 值的m_l, 恒速度 m值的m_v和定载荷 m 值的m_P三种典型变形路径下的应变速率敏感性指数. 进而基于拉伸变形的本构方程和塑性力学的基本原理, 建立了广义m值的约束方程. 结合三种典型变形路径规范了m值的力学定义, 并由本构方程定义的广义m值公式统一推导出m_l, m_v和m_P的测量公式. 提出结合典型变形路径用数值模拟测量 m值的精确方法. 测量结果表明, m值不仅不是常数, 而且其变化规律与所处的变形路径有密切关系, 用相同的测量公式测量不同变形路径下的 m 值, 测得的结果相差悬殊, 在同一变形路径下用不同的测量公式测得的结果也各异. 对于 m 值的测量必须指明所处的变形路径, 并且要用对应的测量公式才能测得正确结果. 此外, 还从理论和实验两方面都解答了为什么恒速变形路径下的 m_v值往往是负值, 而定载荷变形路径下测得的m_P值往往会大于1. 对m值的深入分析和精确测量的探讨, 旨在为超塑性宏观变形的力学规律与微观物理机理的衔接的研究提供条件.