岩石压缩过程应力-应变-磁感强度效应的实验研究

为了弄清岩石挤压产生的磁感强度效应,将钕铁硼Nd-Fe-B磁芯分别植入圆柱形大理岩、石灰岩中,在其周围产生磁场.借助断裂使岩石导磁回路与磁强发生的改变,进行挤压过程中应力、应变和磁感强度三变量测试.研究结果表明:岩石裂隙变化能够引起磁感强度的改变,应力-应变-磁强存在一一对应的数值关系;达到最大应力前,大理岩、石灰岩周围磁感强度出现增大异常的破坏预兆;在岩石裂解阶段,应力-应变曲线与磁强-应变曲线的变化规律具有明确的反对称性.最后还建立了分段表达岩石应力-磁感强度拟合关系式.     

高渗压下水-岩相互作用试验研究

新研发的岩石高压渗透试验仪以静态伺服阀为主要控制元件,在脱离计算机控制条件下可使试样进水端水压保持不变。出水端水压采用调速阀控制,实现了高渗透压力下长时间的水-岩相互作用试验研究。在此基础上,提出了水-岩作用渗透液体不同时段各离子浓度变化的分析方法,并容易得到不同时段试样渗透性变化规律。为研究水-岩作用对岩石强度的影响,按基本相同条件,对该试样及未经长期水-岩渗流作用同一岩性试样进行了高渗压下的常规三轴试验,提出以试样临近破坏时的有效侧向应力大小进行强度分析,并按上述实际所加侧向压力大小及有效侧向压力大小,进行了常规饱水三轴压缩试验。试验得出,所研究蚀变岩在高渗压下水-岩作用结果与常温、常压条件测试结果类似,蚀变岩与库水的水化学反应微弱,对其自身岩体的渗透性及力学性质影响均较小。     

分级加卸载硬岩短时蠕变特性实验研究

由单向抗压强度实验及8级加卸载短时蠕变实验,得到蠕变下限为27MPa的细砂岩试样典型的坚硬岩石脆性断裂特征.应力-应变等时曲线线性回归函数的相关系数均高于0.92,长期强度与瞬时强度之比达94.39%,证明细砂岩试样的整体蠕变特性不强.应力-轴向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数高出应力-径向应变等时曲线线性回归函数的平均相关系数3.92%,因此其轴向非线性蠕变特性相对于径向非线性蠕变特性更弱.随着时间延续,细砂岩试样的非线性蠕变特性总体服从负Gauss分布规律,具有明显的时间效应.随加载应力水平的提高,应力-轴向应变等时曲线和应力-径向应变等时曲线线性拟合函数的平均相关系数下降幅度分别为0.97%和0.67%,线性相关性普遍降低.所以细砂岩试样的非线性蠕变程度随加载应力水平的提高而提高,载荷效应明显.     

胶凝原油蠕变的时间-温度-应力等效性

黏弹性蠕变是胶凝原油重要的流变特性,要描述胶凝原油的黏弹性蠕变行为,必须同时考虑 应力、时间和温度等参数. 于是对胶凝原油进行了不同应力和不同温度下的蠕变实验,利用 时间-温度-应力等效原理分析了胶凝原油的非线性蠕变行为,得到了参考应力和参考温度下 的蠕变主曲线,并用黏弹性流变模型拟合得到了蠕变主曲线的表达式. 从而可以分别通过较 高温度和应力水平下的短期蠕变行为来预测较低温度和应力水平下的长期蠕变行为.     

凿入方程对凿入力-凿深曲线的分析

对岩石的凿入力-凿深曲线的特性作了专门分析,阐明了凿入力-凿深曲线各个阶段的物理意义。以表格形式给出了凿入过程中的凿入力、凿入速度与入射波等各力学量之间的关系。文中还指出,考虑到凿入装置与岩石间的相互作用,将凿入过程中经由钎刃向钎尾方向传播的应力波称为逆波,而不称为反射波较为合适。     

废气涡轮增压器涡轮盘的弹塑性有限元分析

本文用弹塑性有限元分析的增置刚度法对废气涡轮增压器涡轮盘作了强度及变形分析。在分析过程中,材料是否进入塑性状态是根据试验所得应力-应变曲线来判定的;在每一步计算时,作者用已算得的等效应力,在实验应力-应变曲线上插值计算相应的等效应变,以校正变刚度法的偏离误差。变形的计算结果与试验测量值接近。     

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验, 获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系; 基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线, 采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线, 以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟. 载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性, 表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性. 对应9种材料、10类试样的36 个载荷-位移临界断裂点, 通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度, 研究表明, 第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量; 通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态, 提出了$-1$至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.      

砂岩峰后卸除围压过程的渗透性试验研究

为了探讨煤层开采引起的围岩卸除围压过程中砂岩渗透性的变化规律,本文用数控瞬态渗透法在电液伺服岩石力学试验系统MTS815.02上进行了砂岩试样的渗透特性试验。得出了试样峰前渗透系数-应变与应力-应变的关系曲线,以及在峰后保持轴向应变一定卸除围压过程中试样的渗透系数-围压与主应力差-围压的关系曲线;对试验砂岩在变形破坏过程中渗透性变化规律进行了总结,重点分析了其峰后卸除围压过程中渗透性的变化规律;并对试验砂岩峰后渗透系数与有效围压关系进行了拟合,得出了拟合方程式,为煤层开采引起的围岩体应力场与渗流场耦合问题提供参考。     

考虑膨胀力的非饱和介质热-水-应力耦合二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,使用Galerk in方法,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,开发出了一个可考虑膨胀力的用于分析非饱和介质中热-水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序.通过对一个假定的核废料地下处置库的热-水-应力耦合问题的数值计算,比较了无、有膨胀力时的情况,在定性上验证了该程序的正确性.     

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验,获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系;基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线,采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线,以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟.载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性,表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性.对应9种材料、10类试样的36个载荷-位移临界断裂点,通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度,研究表明,第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量;通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态,提出了-1至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.     

长期冻融循环引起黄土强度劣化的试验研究

以陕西杨凌地区黄土为研究对象,进行了不同含水率、不同干密度的黄土在不同冻融循环次数作用下的直剪试验,探索出进行黄土反复冻融循环试验的方法和控制标准,探讨了封闭系统下黄土在反复冻融循环作用下的抗剪强度劣化特性规律。试验结果表明:黄土在反复冻融循环作用下,表面破坏比较严重; 随着冻融次数的增加,黄土的黏聚力先减小后增大,最低值发生在10次冻融循环之内; 内摩擦角基本不变; 反复冻融循环作用在3～5次对黄土强度有较大的影响,会导致黄土强度的劣化现象发生,但长期冻融作用则会主要体现在对黄土表面的变形破坏等其他方面。     

活性粉末混凝土力学性能及冻融性能研究

活性粉末混凝土具有优异的力学性能和耐久性,本文按照正交设计方法设计了9组不同配合比的活性粉末混凝土,通过试验研究了其基本力学性能及抗冻融性能,分析了水胶比、硅灰水泥比和钢纤维含量等因素对活性粉末混凝土力学性能及抗冻融性能的影响规律。研究表明,水胶比是影响活性粉末混凝土力学性能及抗冻融性能最主要的因素,钢纤维含量对活性粉末混凝土抗折和劈裂强度影响较为显著,对其抗压强度和抗冻融性能的影响不明显。本文根据试件破坏的现象对钢纤维作用的机理做了初步的探讨。     

青藏铁路多年冻土区沼泽化斜坡路基稳定性分析

青藏铁路多年冻土斜坡段路基稳定性对铁路长期运营具有潜在的威胁,分析评价当前和未来斜坡路基稳定性可指导路基工程的正确设计和施工,从而保证铁路的安全运营。多年冻土地温变化使斜坡路基稳定性分析不同于普通土路基,其冻融交界面位置是制约斜坡路基稳定性的关键所在。通过对安多试验段3a来的地温监测,分析路基地温变化规律,并预测了未来50a内试验段地温的变化趋势,建立了当前和未来条件下的斜坡路基稳定性模型,计算分析了斜坡路基的稳定性。通过上述研究,取得以下认识和结论:(1)铁路路堤的填筑,引起多年冻土温度场重分布;由于坡向不对称和几何不对称,使得地温场存在不对称;(2)依据冻融界面位置和活动层的地温特征将冻土路基划分为4个不同时期,即冬季严寒期(1~2月)、春夏融化活动期(3~8月)、最大融深期(9~10月)及回冻活动期(11~12月);通过计算对比分析,每年最大融深期的稳定性系数最小;(3)数值分析的预测结果表明,20a以后,安多段试验段路基的多年冻土完全退化,在所预测的第10年最大融深期稳定性系数最小。     

黄土斜(边)坡表层冻结效应及其稳定响应

中国黄土分布于季节性冻土区,年复一年的冻融作用对具有特殊结构黄土斜(边)坡的稳定性有很大影响,促发了大量黄土斜(边)坡灾害,制约着地区经济发展。深入研究冻融作用机理,对减轻黄土斜(边)坡灾害有重要的理论和现实意义。针对黄土斜(边)坡灾害及冻融作用特点,利用表层冻结温度场数值模拟、冻结前后地下水聚集模型分析及实例验证分析等方法、手段,揭示边坡表层土体冻结过程、坡体内地下水集聚过程,探讨黄土斜(边)坡表层冻结效应及其稳定响应。结果是: (1)表层冻结作用由表及里进行,大约在冻结3个月后达到当地最大冻深; (2)以简化的地下水聚集模型分析,推导得到坡体内地下水浸润线方程; (3)冻结滞水作用可使黄土斜(边)坡稳定性降低约25%。     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

优化方法用于模型校核

在工程实际中，常常会遇到需要选择本构模型和校准参数的模型校核问题。文中采用优化方法实现了复杂模型校核的自动化。文中，首先将各种本构模型映射为整数编号，并根据这些编号来激活相应的本构模型和本构模型参数，解决了本构模型的参数化问题；另外，根据模型校核问题的特点选择了试验结果和计算结果相对误差的平方和作为目标函数。通过这些步骤，用实现了优化方法模型校核自动化。     

A three-dimensional yield-criterion-based flow model for avalanches

In this paper, a flow model for avalanches based on the three-dimensional yield criterion is presented in an attempt to allow the relaxation of the assumption of lateral confinement pressure that is adopted in the traditional three-dimensional Savage–Hutter model (S–H model). One of the advantages of this model is that a simplified constitutive relationship for granular flow, which could reveal the internal mechanism of avalanches, is adopted. Additionally, another advantage is that the strength parameters used in the proposed model are readily available for natural materials. The flow properties of avalanches are influenced by the generalized friction coefficient, which is a parameter that can be assessed by introducing the three-dimensional yield criterion. By comparing the results obtained by numerical simulations using the model proposed in this paper and laboratory experiments, a reasonably good agreement can be reached with regard to the prediction of the moving process of avalanches.     

Gravitational forces in dual-porosity systems: II. Computational validation of the homogenized model

Three models are considered for single component, single phase flow in naturally fractured porous media. The microscopic model holds on the Darcy scale, and it is considered to govern the system. The macroscopic, dual-porosity model was derived in Part I of this work from the microscopic model by two-scale mathematical homogenization. In this paper, we show that the dual-porosity model predicts well the behavior of the microscopic model by comparing their computed solutions in certain reasonable test cases. Homogenization gives a complex formula for a key parameter in the dual-porosity model; herein a simple approximation to this formula is presented. The third model considered is a single-porosity model with averaged parameters. It is shown that this type of model cannot predict the behavior of the microscopic flow.This work was supported in part by the National Science Foundation and by the State of Texas Governor's Energy Office.     

A nanoscale model of crystal plasticity

In this paper a nanoscale model of crystal plasticity is introduced. The model is characterized by distinct, separate slip surfaces on which discontinuity for the deformation function takes place. Slip displacements considered on the slip surfaces are a measure of plastic deformation. In the case when the slip surface does not intersect the whole body, evolution of boundary of this surface is also considered. Criteria for initiation and stopping of slips are discussed. Evolution equations for slip displacements and for the boundary of the slip surface displacements are introduced. Nanoscale modelling is expressed in the model by distinguishing slip surfaces as well as by the form of the free energy which takes into account details appropriate for this scale. In particular, criteria for initiation of slip are expressed by means of the form of the free energy. As a result the slip systems are also defined by means of this function. More fine effects such as inhomogeneities in crystal structure, induced by defects and dislocations, are represented within the model by internal state variables. The possibility of creep modelling within the concepts presented is discussed.