岩石节理面在剪切中表面损伤的分形演化

通过剪切实验，对岩石节理的表面损伤演化进行了研究，探讨了描述节理粗糙面分形维数Ｄ和截距Ａ在剪切过程中的变化规律，提出岩石节理表面损伤的分形演化经验公式．     

岩石节理面在剪切中表面损伤的分形演化

通过剪切实验，对岩石节理的表面损伤演化进行了研究，探讨了描述节理粗糙面分形维数Ｄ和截距Ａ在剪切过程中的变化规律，提出岩石节理表面损伤的分形演化经验公式．     

光弹模拟岩石分形节理的抗剪强度

本文用分形维数人为地制成具有分形曲线的节理面以模拟岩石节理粗糙度特征，利用光弹技术测定了分形节理最大剪应力随维数变化的过程．研究表明，岩石分形节理的抗剪强度不会随分维的增加而无限制地增大     

岩石分形节理粗糙性对应力场影响的光弹模拟研究

节理的粗糙性是影响岩体力学特性的重要因素。现有的众多的研究结果表明：不规则的节理面具有很好的自相似特征，可以用分形几何去描述，节理面的分形维数是表征节理面粗糙度（ＪＲＣ）恰当的统计量。基于以上观点，为了能够精确地控制节理面的粗糙性，本文以Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔｗｅｉｅｒｓｔｒａｓｓ函数生成不同分维的分形曲线来模拟实际的粗糙节理面，制成光弹实验试样进行多组的单压和压剪实验，通过光弹条纹和接触点的变化来研究不规则的节理对于岩体变形，应力场的影响，得出了一些有益的结论．     

考虑损伤的节理本构模型

本文在弹塑性损伤的理论框架内，讨论了节理等地质间断面的本构模型。这个模型能够反映节理面的损伤弱化，扩容和弹性刚度劣化等复杂特性。这个模型的另一优点是，塑性变形增量与屈服面是非正交的，但本构矩阵具有对称性。这种对称性在岩石力学的理论研究和数值分析中是至关紧要的。     

节理岩体断裂的损伤与分形效应

本文在岩石断裂的基础上,利用损伤的概念,建立起岩体断裂能与初始损伤的关系,并借助于岩石断裂能与断裂面分形维数的关系,给出了节理岩体的断裂能与断裂面分形维数之间的关系.本法为直接从岩石的断裂参数推出节理岩体断裂参数,提供了一条简捷的途径.     

岩石破碎程度的分形度量

本文用分形几何方法对破碎岩石块度分布进行了统计分析，结果表明，分形维数Ｄ是反映岩石破碎程度恰当的统计特征量，同时指出，分形维数是岩石细观结构、破坏方式及试样形状尺寸等因素的综合反映．     

锡基巴氏合金磨损表面的分形与磨损率

利用结构函数分析法研究了滑动摩擦学系统中金属磨损表面轮廓线的分形特性。结果表明：磨损表面轮廓线在小于Ｓｍ的尺度上具有分形结构。采用结构函数法可以方便地确定粗糙表面轮廓线的分形参数，即垂直于滑动方向上磨损表面轮廓线的分维Ｄ可作为磨损表面分维的特征值，它与金属磨损率的变化有着密切的关系，最佳分维Ｄｏｐｔ值对应于材料的最低磨损率。     

两条粗糙平行节理构型对超声波波速影响的试验研究

基于图形图像学和分形几何学交叉学科理论,采用图像学中的颜色单元体,借鉴将颜色灰度值间接对应节理面高度值的思想,结合分形布朗函数,本文提出了间接描述节理粗糙度的自仿射维数计算方法——YUV维数法。依据本文提出的方法,计算了24个节理岩石共48个粗糙面的YUV维数,剖析了节理面几何构型的分形特征。采用含两条节理岩石超声波试验,探讨了节理岩石的两条节理YUV维数对超声波波速的影响规律。研究结果表明,超声波波速平均值随着任一节理YUV维数、两条节理维数之和减小而增大。在维数减小过程中,尽管波速持续增加,但波速增大速率逐渐降低。当维数减小至某个量值时,波速不再增大,近似趋于一常量。通过类比分析,文中认为上述结论的机理和原因是:维数由大变小的过程,可类比为节理面孔隙缺陷被逐渐压密且分布越来越规则的过程,因为在此过程中,量化的数值体现就是维数逐渐变小。因而,当维数变小,或者说节理面缺陷孔隙被压密且分布更为规则时,超声波波速将由小变大,且最后将趋于一常数。     

应力波穿越岩石节理时能量耗散规律的实验研究

采用材料试验机和大尺度激光表面仪对大理岩和花岗岩两种岩石进行三点弯曲和粗糙断裂面的扫描实验,详细地分析了粗糙断裂面的分形特征。通过SHPB实验,研究并提出了波能量耗散与断裂面分形维数的定量关系;分析了分形维数对波能量耗散的影响规律。研究得出以下结论:1)随着粗糙断裂面分形维数的增大,通过断裂面时应力波能耗将相应增加;2)应力波能量主要是以热能和塑性变形能耗散。分形维数越大,比表面积则越大,粗糙表面粒子相互摩擦和挤压程度相应增加,导致波的机械能转化成热能和塑性变形能部分增加,因而波动能量耗散越大。     

THE SURFACE EFFECT ON THE TENSILE STRENGTH OF MICROMACHINED POLYSILICON FILMS FOR MEMS

In order to accomplish reliable mechanical design of MEMS, the influences of surface roughness and octadecyltrichlorosilane (OTS) self-assembled monolayers (SAMs) on the mechanical properties of micromachined polysilicon films for MEMS are investigated. Surface effect on the fracture properties of micromachined polysilicon films is evaluated with a new microtensile testing method using a magnet-coil force actuator. Statistical analysis of the surface roughness effects on the tensile strength predicated the surface roughness characterization of polysilicon films being tested and the direct relation of the mechanical properties with the surface roughness features. The fracture strength decreases with the increase of the surface roughness. The octadecyltrichlorosilane self-assembled monolayers coating leads to an increase of the average fracture strength up to 32.46%. Surface roughness and the hydrophobic properties of specimen when coated with OTS films are the two main factors influencing the tensile strength of micromachined polysilicon films for MEMS.     

某水电站坝基岩体结构面室内大型直剪试验研究

岩体结构面的抗剪强度是表征岩体强度的一项重要参数,但由于原位试验受场地等诸多因素影响,难以大规模的开展,本文提出在室内用结构面大型剪切试验开展结构面的剪切特性研究,以某水电站坝基砂岩岩体中的硬性结构面为研究对象,取得了较好的成果。试验表明:结构面的多组剪切变形曲线具有一定的应变硬化的特征;达到峰值剪切强度时的剪切位移普遍较大,在8.9mm～44.5mm之间;砂岩中硬性结构面光滑面的“基本摩擦角”为31.4°,结构面“平均起伏角”为6.3°。     

综放顶煤爆破能量的分形研究

基于综放开采预爆破弱化坚硬顶工艺,利用分形理论建立岩石断耗能量与块度分维值之间的理论关系,推导出岩石爆破块度分数维与炸药单耗之间关系,进行了室内相似材料模型爆破实验,验证了上述理论关系,利用爆破岩石表面裂隙分布的分形维数值作了衡量指标,优化爆破孔网参数。     

岩体结构面粗糙度系数定量表征研究进展

1978年,Barton提出的节理粗糙度系数(joint roughness coefficient,JRC)被国际岩石力学学会作为评估节理粗糙度的标准方法.然而该方法存在人为估值的主观性缺陷.就此,国内外学者围绕岩体结构面粗糙度定量化表征开展了大量的研究工作.首先,从二维节理轮廓线到三维岩体结构面,系统地阐述了其粗糙度定量化表征方法研究进展,并总结了各方法参数与JRC的关系;评价了各表征参数的本质特性及其适用性;指出了各方法参数获取过程中存在的问题,主要有:采样间隔的影响,三角形单元划分的影响,如何确定综合参数法中各参数的权重;针对这些问题,给出了笔者的一些想法、建议.与此同时,对结构面粗糙度表征的两个热点问题,即各向异性和尺寸效应的研究也进行了详细总结分析.最后,笔者认为:(1)分形维数因是描述自然界复杂几何体的一种简洁有力的工具,其仍是结构面粗糙度定量描述的有效方法;(2)3D打印技术的应用,有望在开展结构面各向异性、尺寸效应研究方面取得突破性进展.     

基于指数准则在莫尔空间对岩石剪切强度的研究

岩石是多种矿物颗粒构成的天然材料,内部存在不同尺度的孔隙、裂隙等损伤;岩体工程设计及灾害防治所使用的强度准则仍在研究之中.材料的黏结和摩擦在局部不能同时存在,线性的Coulomb准则仅在小范围内近似描述圆柱试样的常规三轴强度,众多非线性强度准则只是经验公式而缺乏物理背景. 作者提出的指数准则可描述岩石剪切破坏时强度与围压的关系;基于对11组试验数据的拟合结果在莫尔应力空间分析黏结力和摩擦力的变化特征:岩石承载的剪切力存在上限即材料的真实黏结力c₀;在试验范围内莫尔概念的内摩擦力达到约为0.38 c₀的峰值,且黏结力在其附近相交. 材料真实黏结力与正应力无关,因而名义黏结力表征了完好材料剪切破裂的面积;基于裂隙面积计算的等效摩擦因子随正应力降低,意味着裂隙滑移的爬坡角减小,而后者取决于正应力与真实黏结力的比值. 等效摩擦因子与指数准则的材料参数具有确定关系,体现了岩石在压应力作用下剪切破裂的物理背景.      

A slip-line plasticity analysis of sliding friction of rough surfaces exhibiting self-affine (fractal) behavior

A plasticity analysis of sliding friction of rough (fractal) surfaces sliding against smooth surfaces was developed based on a slip-line model of a rigid spherical asperity (wear particle) plowing and cutting through a soft semi-infinite medium. Solutions of the fraction of fully plastic asperity microcontacts responsible for the evolution of friction and energy dissipation were obtained in terms of the total normal load (global interference), interfacial adhesion characteristics, topography (fractal) parameters of the hard surface, and elastic–plastic material properties of the soft surface. This was accomplished by incorporating the slip-line model of a single microcontact into a friction analysis of sliding surfaces demonstrating multi-scale roughness. Numerical results provide insight into the effects of global interference (normal load), fractal parameters (surface roughness) of the hard surface, interfacial shear strength (adhesion), and material properties of the soft surface on plastic deformation at the microcontact level, global coefficient of friction, and frictional energy dissipated during sliding.     

节理岩体的分维特征及其工程地质意义

本文用分形理论,对节理网络分布和粗糙度曲线进行分形分析。结果表明,节理的空间分布和粗糙度曲线具自相似性;分维是一个表征岩体强度、岩体损伤程度、岩体质量及节理粗糙程度的几何参数,并可用于评价岩体稳定性、断裂体系活动性及划分风化卸荷带等。     

岩体裂隙网络分数维计算机模拟

岩体裂隙网络的研究是一个方兴未艾的课题,而用分形几何来研究岩体裂隙网络是一种行之有效的手段,本文将介绍由笔者编制的计算机裂隙网络分数维求解方法及程序,以达到快速、便捷而又准确地求解复杂网络的分维数。     

结构面抗剪强度参数对岩质边坡稳定的影响

边坡工程中,结构面抗剪强度是非常重要的力学参数,合理地选择确定抗剪强度的方法,常常要分析c、φ值在边坡稳定中的作用。根据极限平衡原理,对10~30m高的平面滑动型边坡不同抗剪强度的控稳结构面c、φ值在边坡稳定中的作用进行了定量分析。研究表明c值对稳定系数的影响随坡高增大逐渐减弱,φ值对稳定系数的影响随坡高增大逐渐增强。得到了不同坡高下c、φ值边坡稳定作用等值曲线,该曲线很容易确定抗剪强度参数c、φ值在边坡稳定中的作用。