单轴压缩下断续节理岩体动态损伤本构模型

断续节理将对工程岩体的强度及变形等力学特性产生显著影响,损伤力学中视节理为岩体的一种宏观损伤,因而采用损伤张量来刻画其对岩体的影响。目前学术界提出了用节理的几何、强度及变形等3类参数来描述节理的物理力学性质,而目前的岩体损伤张量计算方法都只涉及前2类参数,均没有涉及其变形参数即法向及切向刚度。为此,在前人研究的基础上,基于断裂及损伤理论提出了考虑节理法向及切向刚度的单轴压缩下单条断续节理引起的损伤张量计算公式,进而通过考虑节理间相互作用给出了单组单排或多排节理岩体损伤张量计算公式。其次,以岩石细观动态损伤模型为基础,结合宏细观损伤耦合观点提出了一个能够同时考虑节理几何、强度及变形参数的断续节理岩体动态损伤本构模型。最后,利用该模型讨论了节理参数及载荷应变率等对岩体动态力学特性的影响,认为节理长度减小及摩擦角增大将导致岩体动态峰值强度及弹性模量增大;岩体动态峰值强度及弹性模量则随着节理法向及切向刚度的增大分别减小或增大;而当节理法向及切向刚度按照同一比例增大时,岩体动态峰值强度及弹性模量则是增大的。岩体动态峰值强度与载荷应变率呈正相关。     

共面闭合断续节理岩体直剪强度特性研究

介绍了节理面和岩桥各自的抗剪强度机制,引入法向变形协调条件,基于Mohr-Coulomb理论,推导了共面闭合断续节理岩体的直剪强度公式。模型试验发现,剪切破坏面以拉剪复合破坏为主,同时岩块中伴随大量的拉张微裂隙。试样的强度和变形具有明显的阶段性,全应力应变曲线主要经历了线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段。对比发现,理论计算结果与试验值吻合较好。     

节理岩体爆生裂纹扩展动态焦散线模型实验研究

应用动态焦散线测试系统，模拟含节理岩体断裂爆破过程，进行了PMMA模型透射式动态焦散线实验，着重研究了爆炸初始裂纹与节理面夹角不同的情况下，裂纹尖端动态强度因子的变化规律、裂纹穿过节理面的扩展规律、以及炮孔与节理距离不同时裂纹穿过节理扩展的规律。实验结果分析表明，爆生裂纹穿过节理面时，裂纹尖端的动态强度因子和裂纹扩展速度显著下降，穿过节理面后，强度因子又增强；裂纹穿过节理面时，裂纹会沿节理面偏离一段距离后沿原方向继续扩展。实验结果还表明，炮孔与节理间距适宜的情况下，裂纹才会穿过节理继续扩展，间距太小和过大都不利于裂纹的扩展。     

不连续岩体变形破坏过程中AE的空间演化与意义

通过一些典型节理化岩体模型变形破坏过程中的AE事件的定位分析和破裂面形态的研究,探讨了不连续岩体变形破坏过程的空间演化特征。结果表明：单节理岩体变形破坏的空间动态特征受节理角控制,随着节理角从小变大,岩体的变形破坏方式从AE在局部集中的突发式失稳向AE弥漫于整个节理层面的类似渐进式的破坏形式发展；失稳破裂面从简单的整体状岩-膏界面变成形态复杂的层内复合破裂面；复杂节理岩体的变形破坏受一条（组）主导构造控制,强AE事件集中发生在不连续构造交汇部位,在包含多条主构造的岩体模型中最终失稳破裂面只与最后阶段AE的位置一致。     

单节理岩体在真三轴压缩状态下强度特性的分析

本对单节理岩体在真三轴压缩状态下的强度特性进行了分析,重点讨论了中间主应力对单节理岩体强度特性的影响诸问题。研究认为,中间主应力对节理岩体的强度特性是有影响的,在一定条件下,甚至可以成为主要的影响因素。     

深部节理岩体塑性损伤耦合微面模型

采用微面模型理论和损伤力学方法,建立了节理岩体的弹塑性损伤耦合微面模型. 在节理岩体的微面上,将岩体视为由节理面与岩石组成的二元介质,以节理连通率作为岩体沿该方向的面积损伤变量,考虑微面法向拉应力和压应力下的不同塑性变形和损伤耦合作用机制,基于塑性理论建立了节理岩体的微面塑性损伤增量本构关系. 采用微面物理量与宏观物理量的几何约束模型,根据微面方向积分导出了节理岩体的宏观弹塑性增量本构关系. 编制了节理岩体微面模型的MARC有限元子程序,对节理岩体的单轴拉伸、压缩试验和泥浆压力作用下的井壁稳定问题进行了数值模拟研究. 数值计算结果表明,该模型能很好地揭示载荷作用下节理岩体的各向异性非弹性变形和次生节理演化过程.      

层状岩体的Cosserat介质均匀化

将层状岩体视为由Cosserat介质组成的复合体,对其进行均匀化等效,在MATLAB平台上进行有限元编程,得到新等效本构关系。不仅能反映层状岩体的弯曲特性,而且可以对节理岩体的力学性能进行宏观和细观描述。通过对洞室算例进行显式节理模型、横观各向同性模型以及均匀化Cosserat等效模型三种方法的数值计算比较,证明理论分析与计算方法可行有效。     

含节理岩体爆生裂纹扩展的动焦散模型实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟含节理岩体断裂爆破过程,进行了PMMA模型透射式动态焦散线实验,着重研究了爆炸初始裂纹与节理面不同夹角的情况下,裂纹尖端动态应力强度因子的变化规律,裂纹穿过节理面的扩展规律,以及裂纹扩展速度的变化规律。实验结果分析表明,爆生裂纹穿过节理面时,裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度显著下降,穿过节理面后,应力强度因子又有所增强;裂纹穿过节理面时,裂纹会沿节理面偏离一段距离后沿初始裂纹方向继续扩展。研究结果可以为节理岩体的断裂爆破提供理论依据。     

基于非线性统一强度理论的裂隙岩体圆形隧道扩张问题的弹塑性研究

由于节理岩体具有复杂的力学特性,因此节理岩体圆形隧道扩张问题的弹塑性解要复杂得多。节理岩体的力学特性可以很好地用考虑了岩体结构的强度参数m,s和α以及中间主应力影响的非线性统一强度准则来表达。本文根据非线性统一强度准则确定了瞬时摩擦角,强度参数m,s和α是瞬时摩擦角的函数,获得了节理岩体圆形隧道扩张问题的弹塑性解和支护应力的封闭形式的理论解,并给出了算例。     

考虑裂隙间相互作用情况下围压卸荷过程应力应变关系

岩体的稳定性和变形特性主要决定于裂隙，同时裂隙间的相互作用对岩体的稳定和变形产生显著的影响。裂隙岩体在加载和卸荷条件下的力学特性有显著的区别。为此本文首次利用位错模型法结合叠加原理研究在围压卸荷条件下裂隙间的相互作用对岩体的变形的影响问题。文中推导了考虑裂隙间的相互作用情况下裂隙岩体围压卸荷过程的应力应变关系及应力强度因子表达式，且进行了数值计算。     

SHPB冲击作用下层状千枚岩多尺度破坏机理研究

通过分离式霍普金森杆对层状千枚岩施加动态载荷，得到不同层理倾角下层状千枚岩的动态抗压强度与宏观破坏模式。采用三维激光仪获得断裂面细观形貌，引入分形几何定量计算断口面粗糙度；结合SEM观察到的微观尺度下不同层理倾角断口破坏机理，分析了不同层理倾角下层状岩石的动态破坏机制。研究结果表明:动态压缩下层理弱面对岩石的抗压强度影响较大；不同层理倾角千枚岩的断口形貌分形维数随层理倾角增大呈U型变化；从强度与裂纹扩展两方面考虑层理弱面对层状岩石破坏特征的影响，对于层理倾角为0°的试样，强度由岩石基质控制，但层理弱面仍对岩石破坏的裂纹分布与走向产生较大影响；对于层理倾角为22.5°的试样，强度与裂纹走向受岩石基质与层理弱面共同控制；对于层理倾角为45°～67.5°的试样，强度与裂纹走向受层理弱面控制；而对于层理倾角为90°的试样，动态抗压强度受岩石基质的影响较大，在层理弱面较早形成纵向宏观裂纹，导致该层理弱面角度下裂纹受层理弱面的影响较大。     

无限大基体中双圆形夹杂的应力干涉问题研究

建立了一种新型圆形夹杂单元,用于考察y向拉伸情况下无限大板中双圆形夹杂互相干涉问题,分析材质、位置关系与间距等对夹杂应力场的影响.算例考虑了两夹杂连线与Z轴的夹角φ2分别为0°,45°和90°三种情况,计算结果表明:(1)该模型能够用较少的单元数获得令人满意的计算结果,尤其适用于多夹杂的应力分析;(2)夹杂/基体刚度比k不同时,夹杂/基体界面上的周向应力的最大值与最小值的出现位置差异可能很大;(3)两夹杂的距离越近,夹杂之间基体的正应力σ_y会急剧上升或下降,具体变化趋势取决于k和φ_(21);(4)特定φ_(21)的情况下,夹杂/基体刚度比k使夹杂之间基体的正应力σ_y单调变化.     

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

为研究复杂地况下含特征层理煤岩的动态力学行为，采用■50 mm分离式霍普金森压杆实验系统，对含层理(0°、30°、45°、60°、90°)煤岩进行动态三轴循环冲击实验研究，并结合3D轮廓扫描仪量化其断裂界面，分析层理效应和围压效应对煤岩动态力学特性及其损伤破坏规律的影响。研究表明：围压的施加使煤岩应力-应变曲线出现弹性后效现象；较无围压状态，抗压强度提高3.9～4.2倍，失效应变增大2.59～3.05倍。随着层理角度的增大，煤岩的动态抗压强度、弹性模量和能量透射率均呈现先降低后升高的U形分布，在层理角为45°时均达到最小值；能量吸收率和断面粗糙度呈现先增大后减小的∩形分布，损伤变量呈现N形分布，在层理角为45°时达到最大值。煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可概括为张拉破坏（0°）-剪切破坏（30°、45°和60°）-劈裂破坏（90°）的演变过程，所得特征规律可为实际复杂环境下煤层气资源安全高效开采提供理论支持。     

页岩层理方位及强度对水力压裂的影响

为了研究页岩天然层理倾角及强度等对水力压裂裂纹扩展的影响,采用室内水力压裂实验,通过监测孔直接对裂纹扩展的实时监测和注水压力信息及试件压裂后的剖切,分析层理倾角、强度等对压裂裂纹扩展的影响。实验结果表明:水力压裂过程中,垂直最小地应力稳定扩展的主裂缝遇层理时,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越小,主裂缝越易沿着层理面方向扩展,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越大,主裂缝遇层理面时越易贯穿层理面沿原方向扩展;层理方位,地应力及基质抗拉强度不变,层理的抗拉强度远弱于基质抗拉强度时,主裂缝与层理面相遇后越易沿着层理面方向扩展,层理抗拉强度与基质抗拉强度越相近,主裂缝遇层理时越易贯穿层理沿原方向扩展;层理方位和强度不变,地应力及应力差越大,主裂缝遇层理后越易贯穿层理面沿原方向扩展。     

裂缝角度对含气多孔介质热流耦合特性影响研究

为研究含裂缝多孔介质内部流体的流动和传热特性,通过热-流耦合传热实验测试对5种裂缝倾角(0°,15°,30°,150°,165°)多孔介质进行了研究。结果表明:裂缝角度γ=0°的多孔介质达到稳态需要时间最长,约为720min,传热速率最慢,适用于削弱传热应用;裂缝角度旋转方向对多孔介质内高低温流体的混合能力影响较大,裂缝逆时针旋转时,其传热速率大于裂缝顺时针旋转时传热速率,适用于强化传热应用。     

基于数字摄影测量的结构面信息表征及应用研究

结构面的存在直接影响岩体的强度、变形特征及破坏机制。为探究夏甸金矿矿区结构面的存在对岩体力学参数和岩体质量情况的影响，利用数字摄影测量技术快速获取研究区域结构面几何信息，并通过三维建模、激光扫描技术以及VR-Platform虚拟现实平台实现了结构面二维几何信息的真三维表征。基于此，利用广义Hoek-Brown强度准则分析计算了各研究区域的岩体力学参数，并根据岩体基本质量指标BQ值进行了岩体质量分级评价。结果表明，夏甸金矿岩体力学参数指标和岩体质量指标均较好；矿体下盘距离矿体方向越远，岩体完整性系数和岩体力学参数越低；利用广义Hoek-Brown强度准则计算所得岩体力学参数除内摩擦角外数值均与前期试验所得数据基本一致，计算所得岩体内摩擦角度偏大的原因，可能是其未考虑结构面自身的颗粒直径和形态等对岩体内摩擦角的影响。     

圆柱附加旋转整流罩表面压力分布及气动力特性

对圆柱附加固定整流罩的已有研究表明,它在降低升阻力和抑制涡激振动方面有优良的效果。但固定整流罩具有方向敏感性,当来流方向改变后效果会受到显著影响,甚至起到增加升阻力和加剧涡激振动的反作用。本文给圆柱附加了圆弧直径为40mm,形状夹角α分别为30°、45°、60°、75°和90°五种尺寸的旋转整流罩,并进行了风洞实验。其中整流罩可以自由地围绕圆柱轴线旋转。实验结果表明:旋转整流罩在流体力产生的力矩作用下,旋转至一个偏离尾流中心线固定角度的动态平衡位置,而平衡位置偏转角δ随着形状夹角α的增大而增大。附加旋转整流罩后,相对单圆柱能够提高尾迹区域压力,并能使时均阻力和脉动升力分别在α=30°和α=75°时获得最大43.5%和67.0%的降低。此外,对于小α(α≤60°)情况,漩涡脱落频率明显高于单圆柱情况,而对于大α(α≥75°)情况,则与单圆柱情况相接近。所有旋转整流罩升力主频的幅值较之单圆柱有了很大程度的降低,可见旋转整流罩在抑制漩涡脱落方面有很好的效果。     

过渡层对锆/钢爆炸复合板剪切强度的影响

为了考察钛作为过渡层提高锆/钢复合板结合强度的有效性,同时给出合理的爆炸焊接碰撞参数,对双层锆/钢和三层锆/钛/钢进行了小倾角法爆炸焊接实验研究。借助金相显微技术测量了复合板结合界面的波形参数,采用光滑粒子动力学法模拟得到了不同位置的碰撞速度和碰撞角,并按照国家标准(GB/T 6396-2008)测量了复合板结合界面的爆炸态及退火态的剪切强度。结果表明:钛作为过渡层能够显著提高锆/钢界面的剪切强度;退火消除加工应力后,锆/钢及钛/钢结合面的剪切强度会有所降低;当锆/钛界面的碰撞速度为734~805 m/s,碰撞角为19.8°~20.8°,钛/钢界面的碰撞速度为803~904m/s,碰撞角为19.5°~20.5°时,锆/钛/钢三层复合板的锆/钛和钛/钢界面的剪切强度都能高于140 MPa。     

矩形倾斜腔体中的两种对流斑图和分区

为了研究矩形倾斜腔体中普朗特数Pr=0.72的流体对流斑图和分区,本文基于流体力学方程组进行了数值模拟。在相对瑞利数r=6.0的情况下,观察了倾角θ=10°和θ=60°时对流斑图随着时间的发展,发现系统存在单圈型对流和多圈型对流两种斑图。流线随着倾角的变化说明:随着倾角增加,对流圈数逐渐减少,对流波长逐渐增加,对流波数减小;然后,随着对流圈数显著地减少,系统由多圈型对流过渡到单圈型对流。根据模拟计算结果,给出了多圈型对流过渡到单圈型对流的临界倾角θc随着相对瑞利数r变化的关系曲线。对流在θ-r平面上分为两个区域:θ<θc时系统是单圈型对流,θ>θc时系统是多圈型对流。对流最大振幅A和努塞尔数Nu随着倾角θ的变化曲线被临界倾角θc分成两段,它们有不同的变化规律。因此,临界倾角也可以由对流最大振幅A或努塞尔数Nu的变化曲线来确定。     

基于磁偶极子的磁场梯度张量局部缩并及试验验证

基于磁偶极子的磁场梯度张量缩并理论虽然可较好地描述磁源,不受测量系统的朝向的影响,但在实际的磁场梯度张量测量中通常仅可测得部分磁场梯度参数,没有获得磁场梯度张量中的所有张量分量,如何有效利用这些部分磁场梯度参量,已成为目前磁场梯度张量缩并理论及在磁场定位的应用中亟需解决的问题。基于磁偶极子理论提出磁场梯度张量局部缩并的方法,给出磁场梯度张量的局部模量的概念,分析了磁场梯度张量的局部模量及相关参数的三维空间分布规律,结果表明:局部模量CXY及kXY值随着g先增大后减小,在g=39°时取最大值,在g=90°时取最小值;局部模量C_Z及k_Z值随着g先减小后增大,在g=63°时取最小值,在g=0°时取最大值。提出磁场梯度张量局部模量中重要参数的近似计算公式,并通过试验进行验证。试验结果表明,试验值与理论计算值基本一致,可为磁场梯度张量局部缩并理论的应用提供依据和参考。