大理岩冲击加载试验碎块的分形特征分析

应用分形几何的方法对冲击加载试验中大理岩破碎块度分布进行统计分析。结果表明,大理岩的冲击破碎块度分布具有分形特征,采用破碎分形维数对岩石破碎过程进行定量描述,可以合理地反映大理岩冲击破碎的程度;大理岩的平均破碎块度与冲击加载速率有着较强的相关性,随着加载速率的提高迅速减小;建立了能量吸收与破碎分维的关系,从能量吸收的角度可以较好地解释破碎分维的变化规律。破碎分维是评价岩石冲击破碎块度分布的理想指标,可较为全面地反映岩石冲击破碎的全过程。     

岩石结构分形维数与岩石压缩强度关系的探讨

运用分形几何学的理论和方法研究煤层顶板岩石的结构，发现岩石的粒度结构和孔隙结构均具有自相似性，粒度分形维数和孔隙分形维数与岩石压缩强度之间有良好的相关关系，故可以用岩石结构的分形维数定量表述岩石的压缩强度。     

温度循环作用下深埋隧洞围岩细观结构的定量描述

高温作用和温度循环作用是岩石力学发展面临的新课题。从经历温度循环的裂隙岩体的微裂隙扩展机制研究入手,采用SEM仪器进行了各温度下大理岩断口细观结构试验。基于统计学理论,从细观层次对不同温度下的岩石断口微裂隙参数数据统计分析,得到了岩石微裂隙几何参数在不同温度下的分布概型,并运用Monte-Carlo随机模拟的方法,再现微裂隙在工程岩体中的分布。进行了二维裂隙网络模型的分形计算,分析不同温度条件下岩石细观损伤的分维数及其演化的分形特征,为从传统的力学方法来探索岩石内部介质的微观变化提供了理论依据和参考。     

岩石破裂带的分维及变化特征

用盒维数方法估计了受压岩石表面断裂带的分维值,研究了分维值随载荷、结构(平板伏试件合圆孔或与加载方向成不同角度的割缝)、岩性(大理岩、灰岩、砂岩)和粒度的变化特征,分析了统计自相似性成立的范围与岩性和粒度的关系。研究结果表明。在微裂纹发育未连通为宏观断裂带阶段,分维值随载荷上升而上升,当宏观断裂带形成之后,分维值保持为常数,且随岩性不同而不同。对于所测三种岩石,自相似性成立的尺度范围的上限为颗粒尺寸的Zyljlo倍。最后,结合岩石破裂过程的能量耗散机理,讨论了岩石分维断裂的物理意义。     

钻井岩屑分形分析的现场应用研究

岩屑是反映地层资料的重要依据,在实验条件下岩石的可钻性与岩屑的分形维数存在明显的相关性,但现场岩屑的几何特征及粒度分布受到钻进过程中多因素的综合影响,不同条件下获得的岩屑粒度分布规律不同。因此采用分形理论对不同工程及地质条件的岩屑进行分析,总结各因素对岩屑分形规律的影响及其影响程度。结果表明：岩屑粒径分布具有良好的分形特征;现场岩屑分形维数是对井下各种因素的综合表现,比较符合实钻情况;等破碎概率Pc是判断钻进效率的参数之一,可通过调整钻进参数降低Pc值,提高机械钻速。     

断裂尺度的分形分布与其损伤演化的关系

借助于分形几何学和损伤力学的方法,重新考察和分析计算了有关的岩石断裂实验所提供的实验数据。分析计算结果表明:岩石断裂的损伤演化过程具有良好的统计自相似性,断裂尺度分布的分形维数能够很好地刻画岩石的损伤程度,并且在岩石断裂的损伤演化过程中,断裂尺度分布的分形维数(D_L)随外载荷(σ)呈线性增大。对断裂尺度分布的分形维数而言,损伤演化过程是一个增维过程。根据计算结果给出了分形维数(D_L)与损伤变量(ω)之间的经验关系。      

原生煤岩组合体界面力学效应数值模拟研究

原生煤岩组合体界面是非均质的且包含大量复杂的微观结构。为透明求解非均质煤岩界面导致的复杂物理场,采用工业CT对原生煤岩组合体试件进行了扫描试验,重构了原生煤岩组合体界面三维模型,计算了非均质煤岩界面的分形维数;基于此建立了原生煤岩组合体数值模拟模型,模拟分析了单轴压缩条件下原生煤岩组合体的应力及损伤特征,并通过煤岩组合体单轴压缩试验结果验证了数值模拟规律的可靠性。研究结果表明：原生煤岩组合体界面具有复杂的微观结构且具有分形特征,分形维数能够反映界面宏观形态;单轴压缩状态下,原生煤岩组合体中垂向应力呈非均匀分布,煤岩界面的存在会在煤体中派生水平压应力,在岩石中派生水平拉应力,煤岩界面附近水平应力呈拱形分布;原生煤岩组合体的损伤破坏主要发生在煤体中,煤体的损伤首先发生在远离界面的煤体中并逐渐向界面处扩展,界面分形维数与试件出现初始损伤对应的轴压呈正相关;由于煤岩界面压应力拱的存在导致原生煤岩组合体整体的强度高于煤体,破坏后的煤体呈拱形分布。预期研究结果对于煤岩动力灾害防治具有一定意义。     

花岗岩电镜扫描图像二值化阈值对分形维数影响的研究

电镜扫描应用于岩土工程研究,能观察到岩石的细观结构,从另一个视角揭示岩石力学机理。分形维数是对岩石表面不规则、非线性裂纹裂隙的定量描述,是一个重要的参数指标。本文首先通过花岗岩电镜扫描实验,获得了花岗岩细观图像;其次研究不同二值化阈值下的图像和分形维数,结果显示分形维数随二值化阈值增大而减小;最后,对比迭代法、双峰法和Otsu法三种求最佳二值化阈值方法,表明Otsu法简单易行,得到的图像能反映岩石表面细节,求出的分形维数具有参考对比价值。因此将Otsu法图像二值化阈值得到的分形维数作为对比参考的标准,对岩石细观研究具有重要的参考价值。     

散体云母片岩粒度分形特征及其与抗剪强度参数的关系

在室内试验的基础上,应用分形几何理论研究某露天矿排土场散体云母片岩的粒度分形特征,探讨了分维数与散体云母片岩物料中粗颗粒含量及其抗剪强度参数的相关性。研究结果表明：（1）分维数与散体物料中粗颗粒含量呈反方向变化关系,即分维数会随着粗颗粒含量的增大而减小;（2）当分维数值在1.887～2.631范围内时散体云母片岩粒度组成级配良好,说明分维数可以代替Cu、Cc用来表征散体岩石物料的粒度组成及其级配优良性;（3）在优良级配下分维数与散体剪切强度参数中的内摩擦角之间具有比较好的相关性,并呈负指数函数关系,而黏聚力与分维数规律性不明显。     

岩石材料微、细、宏观断裂机理尺度效应的分形研究

基于同一现场不同尺度的岩石材料,从大量三轴MTS试验岩石断口边痕、试样切割面或磨光面的节理痕迹和现场断裂迹线3个尺度层次,进行了岩石材料微、细、宏观断裂机理尺度效应的分形研究。提出圆与正方形相耦合的分形维数算法,探讨了其优越性并应用于岩石断裂的分形特征研究,得到岩石材料的微、细、宏观断裂机理存在无标度区域。在无标度区0.002 mm～4 000 mm内,岩石断裂构造的分布规律具有自相似性,是岩石材料的微、细、宏观断裂机理内在联系的外在反映,为跨越尺度界限研究岩石节理裂隙的破坏机理提供了可行途径。     

动态载荷下大理岩断口形貌特征试验研究

为了探究动态载荷下大理岩的断口形貌特征,本文先利用分离式霍普金森压杆对岩样进行不同弹速下的冲击压缩和动态劈裂试验。接着,采用钨丝灯扫描电镜对岩样断口形貌进行细观观察,对比分析了不同试验条件下岩样的断裂模式。最后,引入分形维数定量表征了岩样断口细观形貌及其粗糙程度与冲击弹速间的内在关系。结果表明:在动态载荷下大理岩断口呈脆性特性,其基本断裂模式为沿晶断裂或穿晶断裂;高弹速冲击下,岩样断裂花样变小变密,表面附着岩粉趋多;相对于动态劈裂试验,动态压缩后岩样的破碎程度要高,断口花样中穿晶断裂形式所占的比重较大;随着弹速的增加,动态劈裂和动态压缩断裂模式均由耗能较低的沿晶断裂向耗能较高的穿晶断裂转变,分形维数值相应增大,但动态劈裂试验中分形维数值比动态压缩试验的应变率敏感性更加明显。     

高应力卸荷条件下大理岩破裂面细微观形态特征及其与卸荷岩体强度的相关性研究

岩石的破裂性质及破裂面的起伏粗糙特征对岩石的破裂机制及破裂面的参数取值具有重要的理论和应用意义。采用高精度的三维激光扫描和扫描电镜技术,结合分形理论,揭示高应力条件下大理岩卸荷破裂性质及破裂面的细微观形态特征,阐述主破裂面粗糙度分形维与卸荷岩体强度间的相关规律。在高应力卸荷条件下,大理岩岩样随着卸荷速率的递增宏观破裂性质由剪切、拉剪复合向张拉劈裂发展。初始围压越高卸荷速率越快,主破裂面越起伏粗糙,而初始围压越高卸荷速率越慢,主破裂面越平坦光滑。随卸荷速率的增大,微观上大理岩逐渐由穿晶剪切断裂、沿晶面张裂+穿晶剪切的复合断裂、沿晶面张裂或劈裂的变化特征。卸荷岩体的内摩擦角随破裂面粗糙程度分形维D的增大而增大,而黏聚力随D的增大而减小。     

构造断裂的分形分析

本文介绍了分形理论在构造断裂问题研究中的应用及构造问题中分形维数的计算方法与测试方法,并对当前这一研究工作中的一些问题进行了评论。     

岩石碎裂作用的分形尺度(英文)

各种各样的统计幂定律关系经常成功地被用来描述碎屑大小分布和断口形状 (不平整度 )的分级规律 ,表明碎裂作用是一种尺度不变的作用过程。一条新的有关岩石碎裂作用破裂能量的尺度律 ,可以由分形几何以及Griffith能量平衡的概念推导出来 ,而且它与先前三条关于大小缩减或Hall Petch关系的理论是相一致的。从材料强度的观点来看 ,断口形状的分形维数是形状因子和岩石Weibull均质系数的函数。在任何一次采集中 ,如果碎屑都是致密压实的 ,那么大小分布和碎屑不平整度的分形维数是相同的。然而有些地壳碎屑在三维体积上已不再是致密压实的 ,破裂的地壳可被当作分形的多孔物质来处理。在此情况下 ,地壳碎屑形状的分形容量与地壳断口大小分布的分形维数相关 ,可以预期 ,在大地构造及地震强度的分形分析中 ,地壳断口大小分布的分形维数可作为断裂制约条件之一。     

深部开采上覆岩层采动裂隙网络演化的分形特征研究

借助相似模拟材料模型试验,模拟了在深部开采条件下上覆岩层采动岩体裂隙分布状态,运用分形几何理论研究了采动岩体裂隙网络分形维数随开采宽度、采场矿山压力、岩层沉降的动态演化规律,并分析了断层对采动岩体裂隙网络分布演化的影响以及采动岩体裂隙网络在三带的分布特征。结果表明：随开采宽度增加,采动岩体裂隙网络分形维数呈现总体增大趋势,在断层影响下表现出降维特点;分形维数与超前工作面压力和岩层沉降均具有非线性关系;三带采动岩体裂隙网络均具自相似性,冒落带、裂隙带、弯曲带分形维数比为1.082 3:1.139 4:1。     

锦屏大理岩蠕变损伤演化细观力学特征的数值模拟研究

岩石的蠕变损伤和断裂是岩石流变效应的重要表现形式,但其损伤演化过程往往难以直观观测,为此,采用二维颗粒流数值模拟方法(PFC2D)对岩石的蠕变损伤和断裂的细观力学机制进行了分析。在锦屏大理岩室内试验基础上,利用颗粒流应力腐蚀模型(PSC),建立了能反映其短期和长期强度特征的柱状岩样数值模型,并开展了大量数值试验。结果表明,蠕变损伤的演化过程与暂态的损伤演化过程具有明显的差异。在岩样蠕变损伤过程中,其内部微裂纹多沿加载方向开裂且分布均匀,先快速增加再稳定扩展,最后则发生快速断裂。当荷载较小时,岩样宏观上呈现劈裂破坏特征,当荷载较大时,岩样呈现剪切破坏特征。在岩样蠕变损伤初始和稳定演化阶段的前期,荷载大小对岩样的损伤演化过程影响不大;在稳定演化阶段的后期至断裂过程中,低荷载下岩样的损伤增速比高荷载下快。     

排土场散体岩石粒度分布与剪切强度的分形特征

应用分形理论研究了矿山排土场散体岩石粒度分布的分维规律,建立了分维数与排土场散体物料剪切强度参数的定量关系式。研究表明,排土场岩石块度分布具有良好的分形结构,分维数值大小随着排土场高度的增加而增加,但不超过3。当采样尺度范围一定时,分维数越大,散体中细颗粒含量越多,平均粒径也越小。分维数与散体岩石的剪切强度参数摩擦角?呈负指数关系。分维数值可用于排土场粒度资料的统计分析与剪切力学强度参数的预测。