岩石质量定量描述研究现状及趋向

结构面的存在破坏了岩石的完整性。定量描述结构面引起的岩石质量恶化程度是工程岩体勘测和设计的前提。本文评述了国内外岩石质量的定量描述方法，并指出今后的发展趋向。     

岩石爆破分形损伤模型研究

在Ｋｕｓ和Ｔｈｏｒｎｅ等人研究基础上,利用分形理论及应用成果提出了一种新的岩石爆破损伤模型。新模型将岩体中各种结构弱面视为初始损伤,并将其分形维数作为岩石性质的主要参量,用损伤能量耗散率及与分形维数的关系表征爆破过程中的岩石损伤演化规律,从而弥补了现有模型未考虑初始损伤影响和将损伤演化归结为体积应变函数的不足。还通过模拟试验等手段验证了新模型的如上观点。     

岩石可压裂性分形描述方法初探

岩石可压裂性的定量评价是非常规油气资源开采中一个重要且复杂的问题,利用已有岩心实验数据,考虑岩石的岩性及压裂裂隙的分形特征,建立了岩石压裂裂隙的分维数、岩石抗压强度和裂隙面密度之间的定量关系,并根据所采岩心,利用自行开发的软件计算出其压裂后分形维数,验证了裂隙越复杂,分形维数越大. 提出采用压裂裂隙的分维数来表征岩石的可压裂性, 为定量分析和评价岩石可压裂性与储层开采价值提供了一个新的思路.     

单轴下岩石声发射参数的分形特征

通过采集大理岩和红砂岩单轴压缩声发射信 号,引入关联分维函数,计算了不同应力水平下的声发射过程时间序列的关联维数,得 到了关联分维数与应力水平的变化关系. 结果表明,在同一应力水平下,随着$m$值的 增大, AE过程的分形特征越不明显;在不同应力水平下,关联分维数不同, AE过程参数具有不同的自相似和分形程度. 同时发现,声发射过程参数的分形特 征具有一定的尺度范围.     

岩石流变分数阶模型研究

以Kelvin流变模型为研究对象,提出了一种分数阶Kelvin流变模型。首先,把Kelvin模型中的整数阶导数改为分数阶导数,考虑到岩石材料的频率通常不超过1000 Hz,在分数阶拟合时,拟合频段选取为[0 1000],进而利用Oustalop滤波算法把分数阶表示为整数阶模式;其次,利用试验数据对分数阶模型进行参数识别,考虑到分数阶Kelvin模型具有强非线性的特点,引入了Levenberg-Marquardt优化算法来确定未知参数;最后,对于频域表示的流变方程,利用Laplace逆变换获得流变精确表达式。仿真实例表明本文方法可以很好地反映岩石流变特性。     

岩石材料的一种蠕变损伤方程

通过大量的岩石蠕变试验研究，总结出了以能描述损伤历史的蠕变模量为参数的岩石蠕变损伤方程，由该方程能方便地定出任意蠕变时刻的损伤状态和进行蠕变损伤的测定。     

描述岩石破坏的非线性共振模型

从分子之间作用势出发，根据固体物理学理论和激光共振原理，提出了一种描述岩石破坏全过程微观机理的物理模型，并给出了相应的本构微分方程组，且与多种岩样的实验结果进行了对比。     

砼受压损伤的分形描述

本文采用分形几何描述方法,量化地分析了受压砼内部微裂缝的分形维数变化情况,并给出了损伤变量ω与分数维Ｄ间的关系。     

一种适合于岩石材料的双剪模型

岩土类材料强度理论分为单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论。三类强度理论的典型代表是Mohr -Coulomb强度理论、Drucker-Prager准则和双剪强度理论。单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论都有其相应的单元模型 ,分析单元体上对单元体破坏起主要作用的应力 ,建立各应力分量之间的数学关系 ,形成岩土类材料的强度理论。本文分析岩石围压试验和真三轴试验下的破坏及强度特征 ,提出一种适合于岩石材料的双剪模型 ,与三类强度理论建模方法相同 ,可以得出一系列新的强度理论     

Estimates of Barometric Pumping of Moisture Through Unsaturated Fractured Rock

We present a theory for the motion of water vapor at depth in a discretely fractured permeable medium induced by atmospheric barometric pressure fluctuations, or barometric pumping. The theory involves multiphase mass and energy transport in a fracture/matrix system, with discrete representation of the fracture system. The barometric pressure fluctuations are approximated as periodic in time, with amplitude corresponding to measured values. To simplify the analysis, a single-horizon approximation is applied in which the time-mean gradient is used to evaluate the vertical advective flux in the fractures. Time-periodic solutions are obtained numerically, enabling the calculation of the net efflux of moisture per cycle. The model is applied to material representative of the Yucca Mountain region of southwestern Nevada. The results indicate that the efflux of moisture carried upward from significant depths by barometric pumping is much less than the near surface efflux that is commonly estimated by assuming that air enters the medium dry and is returned to the atmosphere fully saturated with water vapor. This near surface efflux consists primarily of moisture discharged from the upper layer which is frequently replenished by precipitation. Of greater interest to nuclear waste repository design and estimations of net infiltration in arid regions is the fraction of the total moisture efflux that comes from significant depths. This deep transport is quantified by the fracture/matrix transport model described here. Although the transport by barometric pumping from depth is small compared to the total moisture expelled from the surface layer, it is an order of magnitude greater than the vertical moisture flux carried from depth by diffusion.     

深部软岩新型相似模拟材料的研制

在总结以往相似模拟材料特点的基础上,结合深部软岩强度、变形特征,本着相似材料组分简单、模型制作便捷等原则,研制了仅以河砂为骨料,松香酒精溶液为粘结剂的深部软岩新型相似模拟材料。通过对不同配比试样进行单、三轴压缩、巴西劈裂试验,获得了不同配比条件下该相似模拟材料的强度、变形、破坏特征。研究表明,通过简单的配比调配,该相似模拟材料可以较好地模拟深部大多类型的软岩,且具有组分简单、模型制作便捷、力学性能稳定、无毒无污染、价格低廉、一定程度上可重复利用等特点。     

往复条件下织构表面的摩擦学性能研究

为研究往复运动条件下织构表面的润滑减摩性能,选取销-盘式摩擦副,考察了0%、7%、11%和20% 4种织构密度在不同的速度下对摩擦系数的影响规律。结果表明：表面织构的引入使摩擦副在较低的速度下进入流体润滑区域,扩大了流体润滑区域的范围,这与摩擦副在相对转动条件下的结论一致;处于流体润滑区域的织构表面的摩擦系数不一定小于同等工况条件下处于混合润滑区域的无织构表面的摩擦系数;当无织构表面处于流体润滑区域时,试验所涉及的同等工况条件下的不同织构密度表面反而增大了摩擦系数。研究结果也说明了在对表面织构进行摩擦学设计时,应当考虑摩擦副的运动形式因素。     

基于约束关系的下颈椎运动测量新方法

下颈椎各个关节准确稳定的运动参数是医生对颈椎病进行诊断的重要依据。本文提出了一种满足颈椎耦合约束关系,基于双目视觉原理的下颈椎运动参数测量方法。首先,根据下颈椎围绕瞬时旋转中心运动的特点和下颈椎耦合运动的规律,建立了满足耦合约束关系的下颈椎运动学模型;其次,在下颈椎解剖学特征位置(棘突和横突)上布置标志点,借助多台摄像机,基于双目视觉原理和三维数字图像相关(3D-DIC)技术,直接测量不考虑耦合约束关系的下颈椎前屈、后伸、左旋、右旋及侧屈等运动时的角度;最后,利用考虑耦合约束关系的运动学模型对下颈椎运动角度变化曲线进行了校正。波动范围的分析结果表明测量的稳定性得到了提高。利用本方法实现了对下颈椎关节运动角度的实时测量,提供了一种对下颈椎关节运动进行稳定测量的有效手段。     

单裂隙流-固耦合渗流的试验研究

通过对较大尺寸的单裂隙岩体试块进行不同侧面加载的渗流试验,在实验室里开展了单裂隙流 固耦合渗流研究,模拟核废料贮藏库的围岩自由面的最危险部位的渗流量 应力耦合状态。分析了裂隙岩体渗流与应力的耦合机理,获得了几种典型情况下的试验数据,并拟合出不同应力条件下单裂隙岩体渗流量与应力间数学经验公式。从而说明并非任一方向的应力增加都能使渗流量减小,而是裂隙岩体的渗流量随着双向压应力的增加而减少,随着平行于裂隙面方向的单向压应力的增加而增加。缝隙开度虽然随着法向应力的增加而逐渐减小,但最终不可能完全闭合,所以,此时流量不可能为零。同时,在试验过程中还通过闭环控制来实现被加载面的均匀受力,这为大尺寸岩体试验提供了一种很好的加载方法。     

旋涡与行进表面水波相互作用的实验研究

采用振动板式造波器在二维水槽中生成近似单色的行进表面水波，采用夹板式涡发生器生成稳定上浮的涡对，在Ｆｒｏｕｄｅ数约为０．５的条件下，得到了水下涡对与不同波长和振幅的行进表面水波相互作用时的干扰图象，以实验方法验证了理论分析和数值计算的结果，并为进一步研究旋涡与行进表面水波的相互作用提供了一种实验研究方法     

On stability of stationary motion of a nonconservative nonholonomic rheonomic system

One considers, in this paper, the motion of a mechanical system in a nonstationary field of potential and positional forces, subject to the action of rheonomic holonomic and nonholonomic linear homogeneous constraints. Assuming that differential equations of motion of the system considered satisfy the conditions for the existence of Painlevé's integral of energy, formulated in [Painlevé, P., 1897. Leçons sur l'intégration des équations de la Mécanique, Paris] and [Appell, P., 1911. Traité de mécanique rationnelle, T. II, Dynamique des systémes – Mécanique analitique, Gauthier-Villars, Paris] and generalized in [Čović, V., Vesković, M., 2004. On stability of motion of a rheonomic system in the field of potential and positional forces, BAMM-1720/2004, No-2233, 93–100] and [Čović, V., Vesković, M., 2005. Hagedorn's theorem in some special cases of rheonomic systems. Mechanics Research Communications 32 (3), 265–280], the original mechanical system is substituted by an equivalent one whose Lagrangian function, nontransformed with respect to nonholonomic constraints, does not depend on time explicitly. Using the properties of the equivalent system, which, in contrast to the original one, moves in a stationary field of potential forces and in a nonstationary field of gyroscopic forces, the definition of cyclic coordinates is generalized, as well as sufficient conditions for the existence of (cyclic) first integrals, corresponding to coordinates mentioned and linear in velocities are established. Further, the conditions for the existence of steady motion of the system considered are found. In the case of existence of such a motion of the system, the Theorem of Routh's type on stability of that motion, based on the minimum of reduced potential for which it is shown that, in contrast to known cases (see, for example, [Gantmacher, F., 1975. Lectures in Analytical Mechanics. Mir Publisher, Moscow; Neimark, J., Fufaev, N., 1972. Dynamics of Nonholonomic Systems. Amer. Math. Soc., Providence, RI; Pars, L., 1962. An Introduction to Calculus of Variations. Heinemann, London; Karapetyan, A., Rumyantsev, V., 1983. Stability of conservative and dissipative systems. In: Itogi Nauki I Tekhniki: Obschaya Mekh., vol. 6, VINITI, Moscow, pp. 3–128 (in Russian)]), it includes the influence of the positional forces field, is formulated. Thus, the Routh's Theorem on stability of steady motion of a conservative mechanical system is extended to the case of a nonconservative system.     

复合型表面裂纹疲劳门槛应力的估算

表面裂纹是工程构件常见的缺陷，由于实验数据的缺乏及其他困难，断裂力学应用于表面裂纹的疲劳扩展，其经验和成果还十分有限。本文利用复合型断裂准则，对圆棒试样表面小裂纹的门槛应力进行分析和估算，得到了较满意的结果。     

裂纹在冲击载荷作用下起裂的临界载荷面

采用有限元方法研究裂纹在I型短脉冲载荷作用下应力强度因子随时间的变化 ,用应力强度因子的初始上升时间Tr 对时间坐标无量纲化 ,对应力强度因子初始上升段进行曲线拟合 ,得到了上升段的曲线表达式。运用简单弹性梁理论和Lagrangian运动方程 ,获得载荷与时间对裂纹作用的关系式 ,结合有限元的结果 ,得到了上升时间Tr 的计算表达式 ,并进一步推出了裂纹在冲击载荷作用下起裂的临界载荷面。     

一种岩石断裂韧度试样应力强度因子的三维边界元法标定

用三维边界元法(BEM)标定了一种岩石断裂韧度试样的柔度,求出了这种试样的平均无量纲应力强度因子(SIF),并得到了对应于最大载荷时的临界裂纹长度和平均无量纲SIF的最小值.