多矿物岩石流变性的有限元计算

本文利用有限元计算方法从单矿物的流变关系式来确定其组合而成的岩石整体的流变规律建互了三维不可压缩流体的粘弹性有限元模型，计算模型的骨架矿物橄榄石为立方体，填充矿物尖晶石分别取为立方体、单一球体和多个球体，模拟双矿物在三轴压缩实验条件下的蠕变变形过程。首先，本文验证了使用有限元方法数值模拟双矿物在三轴压缩实验下的蠕变变形的可行性。其次，计算研究了当填充矿物为弱矿物时几何外形对整体流变强度的影响，结果表明，填充矿物的几何外形为立方体时比球体时对整体的流变强度有更大的影响。当填充矿物体积不同时，随着填充矿物体积的增加，填充矿物对整体流变强度的影响也不断加大。最后利用三维模型得到的双矿物整体的流变强度结果，归纳出了填充矿物尖晶石占体积5％，10％，15％，20％时和骨架矿物橄榄石构成的双矿物岩石的蠕变关系式。与Tullis利用平面应变模型归纳出的双矿物经验流变关系式比较，发现Tullis的经验流变公式存在较大的误差，而本文得到的双矿物蠕变公式与理论结果更好地符合、本文结果为研究地幔多矿物岩石流变规律提供了新的途径。     

岩石古流变性质的构造研究进展

岩石古流变性质研究是大陆动力学研究的一个重要方面。岩石古流变性质研究的一个发展方向是通过比例模型,建立流变参数与构造变形几何参数之间的定量关系,再利用天然岩石构造变形几何参数的定量测定,反推在形成这些变形时所处物理化学条件下的岩石流变参数。对利用露头尺度地质构造的定量测量研究岩石古流变性质的方法与进展做了重点介绍。     

大陆下地壳麻粒岩的流变学研究进展

大险下地壳麻粒岩的流变学研究可以解释地壳变形、壳幔物质交换以及岩石圈深部动力学过程等科学问题.前人通过研究各矿物的显微构造变形特征与变形机制,运用广义混合流变律探讨多矿物复合岩石的流变性质,结合水与流体对岩石变形强度的弱化作用,阐明在大陆下地壳变形环境下复矿麻粒岩的塑性变形和韧性流变性质.目前人们致力于对天然变形岩石和...     

基性岩流变的复杂性与成分对岩石流变影响的实验研究

在采用天然基性岩样品进行的流变实验中,存在因实验温度低而样品处于半脆性变形域与因实验温度高而样品颗粒边界出现熔体的矛盾。文献中给出的流变参数中,应力指数n的可靠性高,具有良好的重复性,激活能Q在一定范围内具有重复性,而系数A重复性差。采用6种样品进行流变实验。结果表明,矿物成分对岩石流变的影响比根据端员组分确定的双组分和多组分岩石流变物理模型要复杂得多。由斜长石、单斜辉石和角闪石组成的样品中,当斜长石和单斜辉石含量接近,而角闪石含量低于10%,斜长石和单斜辉石控制了岩石的流变;如果样品中有超过10%的角闪石参与流变,角闪石在变形中所起作用非常显著。由斜长石、石英和角闪石组成的样品,当石英含量小于10%而斜长石和角闪石含量接近时,斜长石和角闪石控制了岩石的流变;当斜长石含量达到70%时,样品变形更接近长石特性;如果石英含量超过20%时,石英在变形中起到主要作用。选择与基性麻粒岩中主要矿物成分接近的天然辉长岩(辉绿岩),或者从天然基性麻粒岩中挑选出主要矿物,通过热压合成人工样品,进行高温流变实验是研究基性麻粒岩流变的最有效途径。     

加锚岩体流变特性及锚固控制机制分析

通过室内蠕变试验和理论分析,对加锚改善岩石流变力学特性进行了研究,并探讨了锚固控制岩石流变的力学机制。采用RLJW-2000型流变试验机,对红砂岩及其加锚试件进行分级加载（100 h以上）单轴压缩试验,结果表明,加锚后岩石的流变应力阀值提高了20%～30%? c,且不同应力水平流变量均能得到一定控制,加锚使试件的长期强度增加了5%～10%? c。此外,基于整体协调变形原理,建立了加锚体流变本构方程,推导出了一维B-K模型解答,算例分析表明,锚杆密度越大,对岩石流变控制效果越好,得出锚杆等效刚度是约束岩石流变的主导因素,但从技术经济角度考虑,锚杆支护密度与岩石流变参数之间存在一个合理的匹配区间。研究结果对长期使用的岩体工程锚固支护设计提供了理论依据。     

构造变形流变场分配多尺度数值模拟研究

流变场分配(flow field partitioning)现象在自然界高应变岩石中十分常见。传统的基于固体连续变形机制理论的变形分析中,流变场分配问题往往被忽略,致使应变带中流变场如何分配一直都缺乏深入认识。Eshelby阐述了嵌入均匀介质中的椭球体内流变场的数学方法,为探讨流变场的分配奠定了理论基础。本文从固体连续变形机制入手,重点介绍基于Eshelby理论的多尺度数值模拟思路和方法,探讨流变场分配问题。模拟结果表明:嵌入基质中的椭球体内分布的流变场主要取决于椭球体与基质间的相对流变强度,椭球体的相对流变强度越低,其变形越接近于简单剪切,且有限应变积累越快。模拟还揭示,不同流变强度的椭球体内模拟拉伸线理和面理产状的总体格局反映基质流变场特征。由此得到以下结论:(1)在流变场分配现象显著的区域,局部小尺度上应变、涡度测量分析结果无法直接揭示区域流变场运动学边界条件,对这些区域的构造变形分析必须是多尺度的;(2)基于Eshelby理论的以实质变形组构为约束的多尺度数值模拟分析,能更为合理地揭示高应变岩石中流变场的分配。     

大陆岩石圈的流变学性质和矿物中的水

评述了近些年来岩石圈(尤其是大陆岩石圈)流变学研究中的主要进展。这些研究中最重要的一个发现是水的存在可以显著地增强岩石的变形,从而对其流变性质产生明显影响。大陆岩石圈的流变性质比大洋岩石圈要复杂得多,尤其是较深处的下地壳和岩石圈地幔之间流变性质的对比和差异成为近些年来人们争执较大的问题。大陆岩石圈的流变性质可能具有显著的不均一性,不仅体现在垂向上,也体现在横向上。根据流变学实验研究的进展和对深部壳幔捕虏体中主要构成矿物结构水含量的测定,对华北克拉通深部岩石圈的流变性质进行了定量计算。结果表明华北克拉通在重力梯度带两侧的岩石圈有着截然不同的流变特征,这种差异可能对两侧不同的岩石圈动力学过程有重要的影响。     

岩石单轴压缩光纤光栅传感检测方法研究

通过在岩石试件表面粘贴光栅与应变片的方法,测试了岩石单轴加载过程中轴向、环向的应变变化。将测试结果相对照,研究了光纤传感技术在岩石变形检测中的应用。加载方式为循环加载,最后一次至试件破裂,仅测试试件破裂前小变形阶段的变形。3次加载后结果显示光栅与应变片的测试结果一致,二者数据相吻合,证明光纤光栅传感技术可以应用于岩石试件变形检测中,对于提高岩石变形的测试手段具有一定的意义。     

矿物成分对软黏土流变性质影响的试验研究

采用改进的直剪蠕变仪,对矿物成分及其含量对软黏土流变性质影响进行试验研究,在相同试验条件下完成了3组含高岭土、膨润土不同百分比试样流变性质的测试。测试结果表明,矿物成分及其含量是影响软黏土流变性质的重要因素之一,土体的黏滞系数随黏土矿物含量的增加而减小,即流变变形阻力随黏土矿物含量的增多而减小。试验结果分析认为,黏土矿物通过颗粒表面的结合水影响土的流变性质,其中强结合水是土体产生流变的主要因素,而弱结合水则是相对次要因素。试验结果有助于进一步认清土体流变的起因,对改进和完善现有流变变形计算理论有一定指导意义。     

香肠构造流变计的超微观构造依据

在同一场变形过程中 ,由于岩石之间、不同地质层块之间的流变学差异 ,会引起牛顿流和非牛顿流的扰动 ,这种扰动以构造变形的方式保存下来。通过理论研究和模型实验 ,我们可以利用保存在天然岩石中的构造形迹或应变型式 ,反演形成这些构造变形时所处物理化学条件下的岩石古流变参数。这类采用构造形迹或应变型式来反演岩石流变性质的方法 ,国外学者称为流变计。目前已提出的构造流变计主要有香肠构造流变计、能干层褶皱流变计、应变折射流变计等 ,其中香肠构造流变计的研究程度较高。Ｆｌｅｔｃｈｅｒ (1974 )和Ｓｍｉｔｈ (1977)推导出幂率…     

等效连续岩体流固耦合流变分析模型

位于地下水位线以下的岩体洞室围岩承受应力场与渗流场的耦合作用,而且其变形随时间的持续而发展。本文以岩体水力学和流变力学的基本理论为基础,研究建立了岩体应力场与渗流场耦合作用下的流变分析模型,导出了相应的流变有限元计算格式。所建立的两场耦合有限元流变分析模型,可用于对地下洞室和边坡工程等进行两场耦合流变条件下的长期稳定性分析。     

深部岩体多孔介质流变模型的研究

考虑到传统流变模型在反映载荷水平影响和描述加速蠕变阶段方面的缺陷,在改进传统流变元件模型的基础上,引入非理想黏性元件,建立了在数学上能体现载荷水平影响并能描述加速蠕变的新的改进流变模型;同时从定义出发,考虑到孔隙度的动态性,对孔隙度和通用有效应力公式进行修正;鉴于岩体的孔隙性和不均匀性,把岩体看作多孔介质,应用多孔介质理论中的有效应力代替改进岩土流变模型中的恒应力,计入温度和孔隙压的影响,最终建立了深部（高温度、高地压和高孔隙压）岩体多孔介质流变模型。     

节理岩体等效损伤流变模型初步研究

对节理岩体等效损伤流变模型进行了初步研究,假设岩石为各向同性体各向同性损伤,节理面的法向和切向损伤不同,分别建立了岩石和节理面流变损伤演变函数。假设材料无损,计算应力采用有效应力,推导了节理岩体等效损伤流变模型有限元计算公式,编制了相应的有限元程序。算例分析表明,采用的节理岩体等效损伤流变模型是可行的,可较好地反映节理岩体的损伤演变过程。     

绿片岩三轴流变力学特性的研究(Ⅰ):试验结果

为了解锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性，采用岩石全自动流变伺服仪对绿片岩进行了三轴压缩流变试验。基于试验结果，研究了绿片岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律，讨论了流变特性对岩石应力一应变曲线的影响，探讨了不同应力水平下的轴向以及侧向流变速率变化趋势，分析了不同围压下流变的破裂机制，掌握了绿片岩三轴流变的基本规律，从而为该水电站工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的依据。     

绿片岩三轴流变力学特性的研究(I):试验结果

为了解锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性,采用岩石全自动流变伺服仪对绿片岩进行了三轴压缩流变试验。基于试验结果,研究了绿片岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,讨论了流变特性对岩石应力-应变曲线的影响,探讨了不同应力水平下的轴向以及侧向流变速率变化趋势,分析了不同围压下流变的破裂机制,掌握了绿片岩三轴流变的基本规律,从而为该水电站工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的依据。     

高温钻孔测斜仪研制

针对高温高压干热岩钻井定位轨迹探测设备存在耐高温高压性能差、稳定性差、测量精度不高、电能消耗大等问题,研制一套高温钻孔测斜装置,解决高温高压多点连续钻孔测斜及测温问题。选择耐高温元器件,设计控制和测量电路;采用自动间歇供电方法,减少散热,降低功耗;设计保温探管、承压探管,利用ANSYS有限元软件对承压外管的屈服强度和保温探管的温度场与压力场进行耦合分析和校核。最后进行仿真测试和野外试验,根据测试数据表明,设备能在280℃和12 MPa高温高压环境条件下实现深井倾角、方位角、工具面向角及温度的测量。      

向家坝水电站地下厂房围岩稳定的黏弹塑性有限元分析

考虑流变作用,建立三维有限元模型进行数值计算,以洞室变形和点抗滑安全系数为指标,针对向家坝水电站地下厂房围岩的特殊性进行稳定性研究,结果表明,随着围压的增高,流变速率逐渐减小,初始应变逐渐减小;软弱夹层处流变速率较其他岩体减小缓慢,且开挖后流变达到稳态状态时软弱夹层最终流变位移较大;黏弹塑性下围岩位移分布及变化规律与弹塑性一致,但黏弹塑性下计算位移明显要比弹塑性大;流变效应对岩体变形和稳定性,以及对支护结构有重要影响;黏弹塑性情况下,洞室围岩特征点抗滑安全系数比弹塑性条件下小,软弱夹层出露处和拱顶点抗滑安全系数较低,点抗滑安全系数分析还表明,软弱夹层对其稳定性影响明显,验证了位移分析结果。     

膏岩三轴压缩试验及高温相变特征研究

采用伺服刚性试验机对天然膏岩开展三轴压缩试验,研究了温度及围压对膏岩强度及变形特性的影响。结果表明,膏岩在不同围压下均具有良好的塑性流动特性,加载后无明显的剪切破坏面,而是出现明显的侧向膨胀。根据三轴试验结果,利用摩尔-库仑定律得到了膏岩的强度准则及抗剪强度参数。升高温度导致膏岩强度降低,且高温下石膏发生晶型转变,从二水石膏脱水转变为半水石膏,利用扫描电镜和X衍射对此过程进行了研究。脱水过程导致瞬间孔隙应力增加,膏岩破坏特性由延性转变为脆性。随着持续加载,破裂断面逐渐愈合。膏岩显著的塑性流动能力及快速的裂隙愈合能力对于天然气盖层的封闭稳定性具有重要意义。     

动静组合作用下刀具破岩机制数值分析

基于细观损伤有限元方法,模拟分析了刀具在单一动载、动静联合荷载、静态围压条件下动静联合荷载3种情况下岩体破碎的全过程。模型采用黏弹性人工边界剔除了边界应力波反射对模拟结果准确性的影响。数值模拟结果表明：在弹性情况下,静压的存在对岩体内部最小主应力值影响不大,却显著提高了材料内部最大主应力水平,增大了剪应力的大小,导致剪切破坏可能性增加;当有围压存在时,岩体内部受拉区域减少,岩体强度有所提高。单一动载和动静联合荷载破岩时,岩体内部除刀头附近呈现少量压破坏外,破坏均以拉破坏为主;而围压条件下,岩体破碎面积相对减小,裂纹在围压的作用下向两侧自由面延伸,岩体内部破坏形式则趋于多样化,压破坏比重明显增大,整体表现为拉压复合作用。模拟结果还表明,刀头侵入量主要受动载力大小影响,在相同幅值增量下,动载力增加导致的刀头侵入量远大于静压增加所导致的侵入量。相对单一动载和静压作用下的岩石破碎机制来说,动静组合加载破岩的研究还需更为深入的探讨。研究结果可望对岩体破坏机制以及地下工程作业等实际应用提供一定的参考。     

岩体工程中流变问题的有限元分析

在岩体工程的稳定分析中时间常常是一项不可忽视的因素.但是目前进行的许多非线性分析工作一般说来仅考虑了岩体、节理等应力一应变关系的力学非线性性质和强度特性,对于时间因素很少顾及.特别是根据实测的节理面、软弱夹层等的流变性质进行相应的分析的例子还很少.