封闭应力方向对巴西圆盘试验影响的数值模拟

为揭示封闭应力对巴西圆盘应力分布和破裂演化过程的影响,开展不同方向封闭应力对巴西圆盘破裂二维数值模拟研究。将封闭应力的区域等效成一个封闭的包裹体分布在岩体中,探究不同方向封闭应力对圆盘应力分布和裂纹扩展的影响。结果表明,施加封闭应力的部位出现局部应力变化明显高于未施加的区域,随着加载的进行,施加封闭应力区域的局部应力小于周围未施加封闭应力的区域;对比有无封闭应力存在时加载过程中最大米塞斯应力,得出当封闭应力与加载方向夹角为0°时最大,为20.78 MPa;当无封闭应力和封闭应力方向为0°时,圆盘中心起裂,封闭应力方向为30°,60°,90°时,圆盘的裂纹带发生倾斜并出现多条倾斜短裂纹,圆盘未中心起裂。     

隧道围岩弹-脆-塑性应力的三剪统一解

基于三剪统一强度准则,采用更符合脆性岩石峰后强度特性的弹-脆-塑性模型,推导了考虑第二主应力和脆性软化共同影响的隧道围岩应力解,并与广义Hoek-Brown强度准则解进行了比较。研究结果表明:第二主应力、围岩材料模型、脆性软化均对围岩应力大小及分布具有显著影响。本文准则参数b=0时的应力解析解与广义Hoek-Brown强度准则应力解的峰值和分布规律均有较好的一致性,说明了本文应力解的合理性;当岩体强度具有明显的第二主应力效应时,广义Hoek-Brown强度准则已不再适用,但本文准则参数b>0时的应力解则具有很好的适用性。同时,理想弹-塑性模型低估了围岩塑性区范围,在准则参数b分别为0、0.05、0.1的情况下,弹-脆-塑性模型的围岩塑性区半径R相比理想弹-塑性模型平均可以增大45.5%;考虑第二主应力效应可以更加充分发挥岩石材料的强度潜能,随着准则参数b的增大,即第二主应力σ2效应的增大,围岩塑性区半径R和临界支护力py均不断减小,相比准则参数b=0时最大值分别减小了18.9%和10.8%。峰后粘聚力cr对围岩应力的影响也很显著,随着峰后粘聚力cr的增加,塑性区半径R不断减小,cr=0.11 MPa时的塑性区厚度比cr=0.055 MPa时减小43.3%。     

岩石多轴与常规三轴强度的关系

在各向异性应力状态下,岩石强度的中间主应力效应已被很多的试验所证实.基于真三轴试验结果和多轴强度准则,研究了同一中间主应力系数下岩石的多轴强度与常规三轴强度之间的关系.结果表明,在相同的中间主应力系数下,岩石的多轴与常规三轴的强度曲线具有相同的形式.对于常规三轴强度特征符合Mohr-Coulomb准则的岩石,中间主应力...     

TiN薄膜掠射侧倾法应力测试

由于薄膜厚度很薄,使得在应用传统X射线法测试薄膜应力时,存在透入深度过深且衍射强度不够的缺点;而且一般气象沉积膜都存在择优取向的情况,应用常规法（或侧倾法）测试时易发生sin^2ψ曲线弯曲现象。准聚焦衍射几何也使得常规法在无应力情况下产生正、负ψ的sin^2ψ曲线发生分离现象。故与传统方法相比,掠射侧倾法具有透入深度浅、透入深度随ψ角变化不大以及对织构影响不敏感以及没有无应力试样的正、负ψ曲线分离等优点,所以掠射侧倾法是一种更适于薄膜应力测量的测试方法。本文应用掠射侧倾法测量了PVD和PCVD工艺的TiN薄膜的内应力情况,结果表明制备工艺对于气象沉积膜内的应力状态有较大影响,而且薄膜内的应力状态比较复杂,一般处于三向应力状态。     

RESEARCH PROGRESS OF LOCKED-IN STRESS IN ROCKS1)

封闭应力对岩石力学特性的影响不容忽视。从陈宗基提出岩石的封闭应力定义以来,研究的学者较少。本文从前人对封闭应力的定义出发,结合岩石力学发展现状,对封闭应力概念进行了拓展,提出了新的定义。将岩石力学研究中符合封闭应力定义的应力形式进行了归纳和分类,总结了各类封闭应力的变化规律及其计算公式,讨论了封闭应力与地下工程开挖之间存在的关联性及其影响的表达形式。本文对于推动封闭应力的深入研究具有积极意义,将为解释深部岩石力学特殊现象提供新的途径。     

岩石中封闭应力研究进展

封闭应力对岩石力学特性的影响不容忽视。从陈宗基提出岩石的封闭应力定义以来,研究的学者较少。本文从前人对封闭应力的定义出发,结合岩石力学发展现状,对封闭应力概念进行了拓展,提出了新的定义。将岩石力学研究中符合封闭应力定义的应力形式进行了归纳和分类,总结了各类封闭应力的变化规律及其计算公式,讨论了封闭应力与地下工程开挖之间存在的关联性及其影响的表达形式。本文对于推动封闭应力的深入研究具有积极意义,将为解释深部岩石力学特殊现象提供新的途径。     

含预制单裂隙石膏裂纹孕育与能量演化的应变率效应研究

基于高速相机和MTS万能试验机对含预制裂纹石膏样品进行了单轴压缩应变率效应试验研究,在应变率10~(-5)/s～10~(-3)/s之间选取6种应变率进行单轴压缩试验,对应力应变曲线、裂纹扩展路径、起裂应力、起裂角、弹性模量、峰值强度等与裂纹扩展相关的信息进行了应变率效应分析,并基于岩石材料破坏能量演化原理对其进行解释。试验表明:应变率在10~(-5)/s～2×10~(-4)/s范围时,石膏样品应力应变曲线台阶式上升或回落,波动较多,翼型裂纹发展充分,起裂应力、弹性模量、峰值强度等相差不大,裂纹起裂角82°左右,验证了最小应变能密度因子理论;应变率在5×10~(-4)/s、 10~(-3)/s时,石膏样品应力应变曲线峰前斜率较大,峰后跌落快,表现出岩石类材料典型的脆性特征,起裂应力、弹性模量、峰值强度等力学参数明显增大,起裂角为105°,此时应变能密度因子理论不再适用。     

二氧化碳在砂岩透镜体中充注封存的盖层岩石抗断裂性能分析

把CO2这一主要的温室气体注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中进行封存和隔离,已被公认为是有效减少CO2排放量的一种比较安全的技术途径。砂岩透镜体油气藏具有良好的圈闭构造和储层物性,油气濒临枯竭的砂岩透镜体是较理想的CO2地质封存箱。基于币形裂纹模型和水力致裂原理,将纵向厚度和横向展布长度均远小于盖层岩石尺度的水平产状砂岩透镜体简化为盖层岩石中的I型币形裂纹,从岩石断裂力学角度分析封存箱盖层岩石的抗断裂性能。采用叠加原理给出了盖层岩石币形裂纹尖端（砂岩透镜体尖灭部位）应力强度因子的计算公式,在此基础上提出了断裂力学判别准则（K=KIC）和临界有效压应力判别准则（P=PC）,从岩石断裂力学角度为砂岩透镜体封存箱盖层岩石抗断裂性能分析和评价提供了一种新的研究思路。     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出:层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26°时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.      

冲击加载石灰岩形变的X射线分析

我们使用炸药透镜对石灰岩样品实施冲击加载,冲击加载的压力分别为:9.9、14.0、23.0 GPa。把回收的样品用Y-2型X射线衍射仪进行分析,衍射分析选择2=2830～30之间的方解石(104)特征反射面衍射峰 其结果表明冲击峰压值与方解石(104)特征反射面衍射光的特征间具有密切关系。方解石(104)特征反射面衍射峰的形变对冲击峰压的响应是敏感的,X射线技术对受冲击方解石(石灰岩)形变的分析是一个行之有效的手段。     

细颈倾角对挠性接头力学性能影响分析

为确定某单平衡环挠性接头的最佳细颈倾角,对挠性接头进行了力学性能分析。首先给出了挠性接头的离散动力学模型,然后利用ANSYS仿真分析软件对不同细颈倾角结构的挠性接头进行了抗冲击能力和等刚度的力学性能分析,得出了细颈倾角在30°～60°范围内的冲击响应和等刚度性能。最后结合两种力学性能分析可知:当细颈倾角为44°时,该挠性接头在加速度幅值为40g、脉宽为11ms冲击条件下的轴向最大响应应力为448MPa,径向最大响应应力为584MPa;在该倾角情况下挠性接头由不等刚度造成的g2项误差优于0.06(°)/h。综合两方面的性能指标可最终确定挠性接头的最佳细颈倾角为44°。     

双连通截面柱体Saint-Venant扭转问题

1.基本方程和边界条件在任意正交曲线坐标系α～β中,确定应力函数ψ的偏微分方程和边界条件是△ψ=1/(h_αh_β)[(?)/((?)α)((h_β)/(h_α) (?)/((?)α)) (?)/((?)β)(h_α/h_β(?)/(?)β]=-2 (1)式中h_α和h_β为坐标系α～β的Lamé系数.应力τ~*=τ/(Gθ)=-(?)/((?)n) (2)式中:τ——应力,G——剪切弹性模量,θ——单位长度扭转角,(?)——应力线ψ=const 的法线矢量.边界条件:沿封闭的外边界周线S(图1),应力函数值     

含不同倾角单裂隙类岩石单轴强度及蠕变速率的研究

为了研究裂隙类岩石材料在单轴压缩和蠕变条件下的力学性质及裂纹扩展规律,通过预埋铁片的方法制作出含不同倾角的单裂隙类岩石试件,建立贯通裂隙类岩石单轴压缩强度模型,分析破坏形式。研究表明,预制裂隙倾角对类岩石试件峰值强度的影响显著,裂纹倾角越小,单轴抗压强度越低,即倾角为0°时单轴抗压强度为6.98MPa,90°时为10.85MPa,呈单调递增的趋势。建立裂隙面模型,分析类岩石试件的破坏形式,大致为两类:一类是通过预制裂隙拉剪破坏;另一类是通过裂隙的拉伸破坏。蠕变速率随着裂隙倾角的增大先增大后减小,在90°时的蠕变速率最低,在30°时蠕变速率最高。     

三轴试验中岩石的应力状态和破坏性质

本文叙述了三轴试验中岩石的应力状态及破坏性质的改变,指出了中间主应力α_2对强度影响的区间性.文中论证了试验过程中保持应力状态类型参数a一致的必要性和重要性,并提供了利用两种砂岩进行探索性试验的结果.文中对作者所设计的330型岩石三轴试验机也作了简单的介绍.     

恒定主应力偏转角下黏土不排水剪切特性分析

天然土的结构性、各向异性对其强度有影响.进行固结压力100kPa、主应力轴恒定偏转角为0°,15°,30°,45°,60°的恒定主应力轴偏转角的固结不排水剪切试验,分析了不同恒定主应力轴偏转角对饱和软黏土固结不排水剪切强度影响;推导了总应力控制恒定主应力轴偏转角剪切试验总应力路径,编制了总应力控制剪切三维点积分程序,对比恒定主应力轴偏转角饱和软黏土固结不排水剪切强度计算值与试验结果,表明程序能很好地反应各向异性对土剪切强度影响.     

考虑水化学损伤的岩石真三轴蠕变本构模型

为了准确描述岩石在酸性环境下真三轴蠕变行为的各阶段特征,基于水岩作用的化学动力学理论,定义了考虑PH值与时间的化学损伤因子,将弹性体,非线性Kelvin体,线性Kelvin体和黏弹塑性体进行串联,并考虑岩石在真三轴应力作用下的实际情况,建立岩石酸腐与真三轴应力耦合作用下的损伤蠕变本构模型,通过已有的蠕变试验数据对该模型进行参数辨识与验证,并通过数据拟合得到岩石在真三轴应力下的屈服面方程,探讨中间主应力对蠕变模型的影响.结果表明,推导的本构模型能很好地描述岩石在酸腐作用下真三轴蠕变行为的各阶段特性,验证了其合理性与准确性.     

动静载作用下充填节理砂岩应力波传播特性研究

为研究节理角度和不同围压作用下的充填节理岩石的动态力学特性和应力波传播规律,利用改造后的动静组合加载霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置,对充填节理厚度为8 mm的砂岩试样进行冲击试验,研究不同围压等级(0、4、6和8 MPa)和不同节理倾角(0°、15°、30°、45°)下充填节理试样的动态力学特性和应力波传播的规律,采用应力波斜射理论并进行验证。试验结果表明：(1)完整砂岩的反射波幅值最小,以0 MPa为例,反射波幅值从0.194×10^-3增长到0.299×10^-3,与倾角成正相关,透射波幅值与倾角成负相关,且从0.169×10^-3减小到0.053×10^-3;以0°为例,反射波幅值与围压呈负相关,且从0.194×10^-3减小到0.074×10^-3,透射波幅值相反从0.169×10^-3增长到0.257×10^-3;(2)在冲击动载作用下,一定程度围压可以起到限制...     

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。     

WZDX型斜射器

在一般光弹性试验中我们所得到的等差线只能反应模型构件的主应力之差,但在很多场合我们需要获得单独的主应力值,这个过程称为主应力分离.斜射法是进行主应力分离常用的方法.一般传统的斜射法是将试件放在与试件材料折射率相同的液体槽中进行的,操作麻烦,精度低.北京科学仪器厂生产的 WZDX型斜射仪是利用一对光学棱镜达到使光线斜射的目的.它比一般传统的方法有明显的优点:操作简便,在视场中可以同时看到正射和斜射的等差线条纹,斜射角准确稳定,斜射平面可根据测点的主应力方向灵活转动.仪器提供30°和45°两种斜射角的棱镜组,试验者可根据不同的试验情况来选择使用.     

基于动态光弹性方法的冲击载荷作用下自由边界主应力研究

当物体在冲击载荷作用下,物体内部会产生应力波,研究应力波的传播过程及规律对研究物体受冲击载荷作用具有重大的意义.应力波在物体内传播时,在自由边界处产生的主应力状态对于理论求解和计算有着重要意义.采用动态光弹性方法,结合新型动光弹系统及相关实验设备采集物体在冲击载荷作用下的等倾线和等差线条纹图,通过分析等倾线的条纹,得出等倾线与自由边界相交所成角度不为0°或909,得出在物体自由边界处两个主应力均存在且不为零的结论.针对上述结果,采用电测方法进行验证,两试验结果相符合,方案可行且准确.