乐山泥岩的水土曲线和崩解特征试验研究

红层软岩的崩解性引发显著的软岩风化破裂现象，经常导致坡体不稳定、岩石崩落等不良地质现象。为深入理解泥岩的水土特征曲线(soil and water characteristic curve,SWCC)和浸水崩解特征，以乐山红层泥岩为例，采用滤纸法、浸水法等试验方法系统研究了泥岩的SWCC以及其在水中崩解的特征，构建了适合于该地区的SWCC模型，并讨论了浸水时间对泥岩崩解质量、颗粒级配的影响。结果表明：(1)泥岩的SWCC呈单峰曲线，随着含水率的减少，基质吸力增大。(2)通过与4种典型率定曲线的拟合比较，基质吸力拟合结果表现出良好的相关性(R²≥92%)，其中Fredlund&Xing模型能够更准确地反映该地区泥岩的SWCC(R²=96%)。(3)浸水试验表明，0～6 h为快速崩解期，6～12 h为慢速崩解期，12 h后为长期崩解期。干湿交替浸水可以加速泥岩在亲水初期的崩解速率，但在最终崩解量方面与持续浸水基本一致。(4)浸水崩解后，颗粒粒径变化主要集中在2～20 mm范围内，级配曲线D₆₀,D₃₀     

基于分形理论的高强混凝土动态损伤本构关系

基于高强混凝土（HSC）试块在SHPB冲击实验中的分形损伤演化规律,推导了HSC的分形损伤变量表达式,标定了HSC裂纹的分形维数范围。然后参考ZWT模型,并结合HSC实验过程中的应变率相关性、动态损伤特性及近似恒应变率,推导了分形损伤演化的HSC动态损伤本构方程。采用4组应变率工况下的C60、C80混凝土应力-应变曲线对本构方程进行验证,理论曲线和实验曲线吻合较好。     

岷江上游某水电站工程边坡软岩的崩解特性研究

工程边坡内软岩分布较广,可区分为泥化夹层、煤、炭质页岩、泥质粉砂岩等4种典型岩组。软岩的发育特征、空间展布形态、崩解特性直接关系到边坡整体稳定性和支护措施的方案设计。在重点研究F3断层、L9、L10、Lc、L11等软带内所发育的几种典型软岩岩组的崩解特性后,获知该类软岩极易吸水,遇水后发生泥化、软化和崩解。通过循环崩解试验,发现工程区内软岩的崩解度与泥质含量和崩解次数具有很好的相关性。同时,根据崩解度与崩解物形态,对软岩进行定性划分,分别定出Ⅴ类崩解岩和5种崩解破坏形式。最后就崩解机理作进一步地深入探讨。该成果为指导类似的工程边坡软岩的崩解性试验研究提供新的思路。     

接触式机械密封端面经济加工分形维数

考虑端面形貌对机械密封性能和加工成本的影响,运用分形理论分析了端面分形参数与泄漏率之间的关系,提出了密封端面经济加工分形维数概念.针对GY-70型机械密封进行了密封性能试验和端面形貌参数测量,发现随着运行时间的推移,密封端面分形维数增大速率逐渐减小,泄漏率降低速率逐渐减小.当t为130 h时,泄漏率Q达到允许值5×10-6m3/h,D=1.645.结果表明:基于允许泄漏率的机械密封,具有一定的经济加工分形维数.合理设计密封端面分形维数可以避免盲目提高加工精度,缩短机械密封的磨合时间,实现初始密封.     

枪械射击残留物分布密度的分形研究

为了推测发射枪械类别、弹种、枪械射击距离,利用X光摄影记录六种枪械发射子弹射击残留物的金属微粒密度与射击距离之间的关系,关系曲线表明二者是非线性的且具有分形特征;应用分形理论和线性回归原理,对射击残留物中的金属微粒分布密度进行计算和分析。结果表明,同种子弹由不同种枪发射时,其分形维数相应不同但相差较少;而不同种子弹由不同种枪发射时,其分形维数不同且相差较大。因此分形维数可以用来描述枪械发射子弹时射击残留物中的金属微粒密度分布情况。     

捷联惯组误差系数的分形特征及插值算法

针对传统模型难以描述捷联惯组误差系数的复杂性、突变性和非线性特征这一问题,研究了其多重分形特征,并提出了一种自适应分形插值算法.利用盒维数和MF-DFA方法分析得出捷联惯组误差系数具有明显的多重分形特征.改进了适用于非等间隔数据的垂直比例因子求取算法,根据测试数据间隔大小赋予每个仿射变换不同的概率和使用次数,按照无放回抽样原则进行随机分形插值,在不增加迭代次数的条件下解决了分形插值点分布不均匀的问题.利用加权平均法得到指定时间的标定值.结果表明,所提算法插值准确性比常规分形插值至少提高了3倍.     

古建筑木材振动疲劳破坏特征分形分析

选取古木材为研究对象,进行了不同加载力下的疲劳试验,分析结果并观察断口形态。运用修正盒维法,对试件断口边界分形曲线求取了分维值,进一步探讨分形维数与疲劳寿命之间的关系。结果表明:木材断口可分为三种典型破坏类型,即Ⅰ型-抽出破坏、Ⅱ型-滑移破坏、Ⅲ型-端部破坏,分别对应断裂力学中的张开型、滑开型、撕开型;发生Ⅰ型破坏的试件对应的疲劳寿命最高,而发生Ⅱ型破坏的试件对应的疲劳寿命最低,发生Ⅲ型破坏的试件疲劳寿命居中。将发生典型破坏特征的试件裂纹进行提取,并进行分形分析。结果表明,疲劳寿命和分形维数呈负相关趋势,可根据分形维数初步推断木材断面的破坏形式和疲劳寿命区间。     

干湿循环效应对风化砂改良膨胀土膨胀力影响的研究

本文将0、10%、20%、30%、40%、50%的风化砂掺入膨胀土中,分别进行0、1、2、3、4、5次干湿循环,对干湿循环之后的试样进行膨胀力测试;研究了不同掺量风化砂改良膨胀土膨胀力的大小及增长时程随着干湿循环次数的变化规律,分析了干湿循环作用一定次数后,风化砂掺量对试样表面的剥落程度及裂隙发育的影响。实验结果表明:干湿循环效应对风化砂改良膨胀土的膨胀力影响较为显著,且膨胀力与干湿循环次数间的关系可以用三次方函数很好地进行描述;在风化砂掺量一定时,经过2~3次干湿循环时膨胀力降低幅度最大,且随着风化砂掺量的增加,这一降低幅度在逐渐减少,干湿循环4~5后膨胀力趋于稳定;当风化砂掺量相同时,随着干湿循环次数的增加,膨胀力达到稳定所需要的时间逐渐减少,而膨胀力的增长速度先增大后减小;干湿循环5次后,试样表面的裂隙发育已基本达到稳定,裂隙数量随着风化砂掺量的增加而逐渐减少;当风化砂掺量为30%时,试样周边基本上不存在剥落现象。     

盆地红层嵌岩桩荷载传递性状试验研究

湘浏盆地内广泛分布着内陆湖相沉积的白垩系至第三系红层软岩,具有成岩差、易风化崩解等特性,其嵌岩桩的实际工作性状与《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）规定不尽相同。为研究红层嵌岩桩的承载性能、桩身轴力传递规律、桩侧阻力和端阻力的发挥性状,对４根人工挖孔灌注桩进行了单桩静力载荷试验,分别采用滑动测微计和应变计来测试桩身轴力的变化。结果表明,红层嵌岩桩表现为端承摩擦桩特性,Q-s曲线呈缓变型;桩身轴力传递规律和桩侧阻力的发挥与覆盖层厚度、桩长、桩周土性质密切相关;由于红层具有较强的结构性,发挥极限侧阻所需位移仅为2~6mm,测试得到的极限侧阻力远高于规范值,表现出强化效应,使得红层嵌岩桩具有相当大的承载能力,但端阻力和侧阻力并非同步发挥。设计时应采用承载力和变形控制,参数取值应符合桩的荷载传递规律。     

准噶尔盆地火成岩动态冲击破碎特征研究

针对准噶尔盆地石炭系火成岩难钻地层,利用改进的立式霍普金森压杆装置,开展了准噶尔盆地石炭系的安山岩、流纹岩、凝灰岩、玄武岩四种火成岩的动态冲击破碎实验;分析了4种冲击速度及不同应变率下火成岩的动态峰值应力、破碎特征;建立了应变率与分形维数的关系。结果显示:动态峰值应力与应变率呈较好的正相关性线性关系,玄武岩在应变率为286.7s~(-1)时,动态峰值应力达到653MPa;随着冲击速度增大,岩石应变率持续增加,所有试样的破碎程度明显增大;在冲击速度为16m/s时,岩石试样应变率在157.8s~(-1)～296.3s~(-1)之间,破碎岩屑的平均破碎块度在16mm以下。分形维数能较好地描述岩石的破碎特征,随着应变率的增大,碎屑分形维数呈增大趋势;当应变率超过157.8s-1时,火成岩试样破碎岩屑的分形维数显著增大至1.5以上;在所有冲击破碎实验中,火成岩试样碎屑没有出现粉末状态。相同冲击条件下,四种火成岩中玄武岩表现出更高的强度,动态峰值应力更高。     

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.     

分形力学的数学基础

在分形空间考虑的力学称为分形力学。由于分形理论的特点,分形力学的描述需要引入新的空间概念、新的数学手段和方法。本文从介绍空间、测度和维数入手,引入了分形空间,Ｂｅｓｏｖ空间和分形插值方法,进而介绍了在分形边界和分形体中力学量和力学定律的定义。      

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。     

幂律流体在单根弯曲毛细管中的毛细上升

基于分形理论和数值模拟的方法, 给出了幂律流体在单根弯曲毛细管的上升高 度和上升累积质量随时间的变化关系曲线. 研究结果表明: 在上升初期阶段, 重力因素可以 忽略; 但随着时间增加, 重力因素的影响越来越大; 幂律流体上升的最大高度只与毛细管直 径$\lambda$、幂律流体密度$\rho $有关, 与毛细管弯曲程度$\tau _0 $和幂指数$n$无关; 幂指数$n$越小, 上升初期上升速度越快; 迂曲度分形维数$D_T $越大, 平衡时吸入的幂律流体质量也越大.     

花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响。基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验。研究结果表明：（1）在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01 mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1 mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系。峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系。（3）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能 具有波动性,可释放的弹性应变能 增幅60.42%,耗散应变能 降幅 66.38%, 增幅43.33%, 降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多。（4）加载速率为0.001~0.1 mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程。单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏。     

爆破地震信号的分形盒维数值分析

在岩石场地进行了单段深孔爆破试验,获得了具有该场地特征的爆破地震波传播规律。从理论上推导了爆破地震波振动强度衰减系数K和与分形盒维数D以及盒维数计算中-lg(k) lgNk的双对数拟合直线方程参数b的关系。采用了适用于爆破地震波曲线双尺度特征的矩形盒模型计算了爆破地震波的盒维数D。数据分析表明:在同一场地条件下,爆破地震波的盒维数比较稳定,且爆破地震波振动强度的场地衰减指数与D为两倍的关系;药量和距离对盒维数拟合直线方程参数b的影响明显,且其关系与场地衰减指数对爆破地震波峰值强度的作用相近。通过数据分析,获得了参数b与爆破地震波振动峰值A的关系式:b=0.689lgA+3.0669,其相关系数为0.93。     

砂轮约束磨粒喷射加工表面的分形及摩擦特性研究

对砂轮约束磨粒喷射精密光整加工(Abrasive Jet Precision Finishing,AJF)表面进行分形维数和摩擦磨损特性研究.试验在MB1332A外圆磨床上完成,加工式样为Ra为0.6μm左右的45#钢.加工表面形貌和微观几何参数用MICROMESVRE2表面轮廓仪测量;应用分形维数和功率谱密度函数评价磨削加工和光整加工表面的微观形貌特征;利用MG-2000型销盘式高速高温摩擦磨损试验机研究表面形貌和分形维数对摩擦系数和磨损性能的影响.试验结果表明:磨粒喷射精密光整加工使工件表面高度特性参数大幅度降低,轮廓波动平均间距减小,波纹细密性提高.随着加工循环的增加,Ra值由0.6μm下降到0.2μm左右.光整加工表面摩擦系数和磨损量与磨削加工表面相比明显降低,摩擦磨损试验结果和分形维数变化相吻合.     

材料损伤断裂中的分形行为

本文概述了分形几何学在材料损伤断裂研究中的应用,指出断裂表面的粗糙程度及不规则性可用分形维数给予很好的定量描述,而且分形维数与材料的断裂韧性密切相关。损伤演化过程与逾渗现象极为相似,临近断裂和破碎时,某些物理量所表现出来的异常行为往往满足一定的标度关系。这方面的深入研究有助于认识断裂过程的复杂性及损伤断裂的物理机理。      

分形理论在煤层气非平衡吸附模型中的应用

传统的煤层气动力学模型均是建立在欧几里得几何基础上的,难以描述煤层孔隙结构的复杂性及形状的不规则性。本文以分形理论为基础,通过引入分形维数来刻画煤层孔隙结构的复杂性并考虑煤层的吸附特性、双重介质特征及介质的变形,建立基于Fick第二定律的分形介质煤层气非稳态渗流数学模型。由于流动方程的强非线性,结合各类边界条件用正则摄动法和Laplace变换得到模型在拉氏空间上的近似解析解,再利用Laplace数值反演求得实空间上的数值解。对参数进行敏感性分析并绘制了典型压力曲线,这些结果为煤层气开采提供了理论依据和试井方法。     

虎跳峡龙蟠右岸土石混合体粒度分形特征研究

应用分维理论对虎跳峡龙蟠右岸分布的土石混合体粒度分布的分维规律进行了研究分析,建立了平均粒径与相应的分维数之间的定量关系模型。通过研究表明,土石混合体具有良好的统计自相似性,由于其本身为级配不良土,在分维曲线上表现为双重分形分布,这种特殊的分维分布与土石混合体的成因及形成过程有关。