岩石试件尺寸对裂纹应力场影响的数值分析

用数值方法和岩石力学实验模拟地震断层的破裂过程时, 模型或试件的尺寸选取不合适将影响断层附近的应力场. 本文利用二维弹性有限元方法, 计算了一个含椭圆孔的岩石试件在不同尺寸下的应力场, 并与相应的无限域椭圆孔问题的解析解进行了比较. 数值分析结果表明, 含椭圆孔的岩石试件在单轴压缩情况下, 其边界效应对内部应力场的影响不容忽视; 试件的临界尺寸长宽比约为3:2, 孔的尖端到边界的距离与孔的长轴的比值约为7.3. 这种数值分析试件尺寸的方法, 不仅可以为岩石力学实验提供理论依据, 同时也为确定数值模拟断层错动等问题中几何模型的大小提供了参考价值.      

带窗洞加强肋复合墙体抗震性能及抗侧刚度影响因素研究

进行了1榀开窗洞1:2比例的加强肋复合墙体模型的伪静力试验,通过对墙体中钢筋应变进行分析,研究墙体的受力性能和破坏模式,探究在低周反复荷载作用下带窗洞加强肋复合墙体的承载力、滞回及耗能能力、延性和刚度退化等抗震性能,并与不开洞墙体的抗震性能进行对比。在试验研究的基础上,建立具有不同窗洞参数的有限元数值模型,探究窗洞位置、大小、肋柱截面及肋柱配筋率的改变对加强肋复合墙体抗侧刚度的影响。结果表明:带窗洞加强肋复合墙体按照砌块-外框-肋梁的顺序依次破坏,破坏模式以弯剪型破坏为主;相比不开洞加强肋复合墙体,带窗洞墙体的抗侧刚度等抗震性能明显较差;相同窗洞尺寸情况下,窗洞居中时加强肋复合墙体的抗侧刚度相对较大;窗洞开洞率小于12.9%的墙体洞边可不设肋柱;洞边加强肋柱对开窗洞墙体的抗侧刚度提升作用显著,但其提升作用随着窗洞肋柱截面的增大而逐渐减弱;增大加强肋柱配筋率对墙体抗侧刚度的提高不明显。     

山东济阳坳陷岩层空隙比与应力传递速度的相关性研究

统计了不同深度测层的群井降水附加应力从开始传递到水位响应的间隔时段，在此基础上建立了应力在地层中传递深度－时间相关模式，进行了有关参数反演，并结合相关地质、气象等资料，提出了岩层空隙比－应力传递速度的相关模型。该模型说明了应力传递速度与岩层结构、构造的内在联系，为不同类型应力在不同空隙比岩层中的单层传播速度、组合层段传播所需时间计算提供了简单、有效的方法，也为识别降水引起的附加应力对深井水位动态的干扰提供了依据     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值（计算得到的泊松比）。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力-侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加栽阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0．5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

伪谱算法在声波数值模拟中的数值频散分析

本文推导了声波方程频散函数, 分析了伪谱法的空间网格大小和采样周期对数值频散的影响, 通过数值模拟实验得到了最佳空间参数选择方法。 结果表明: 伪谱方法稳定数值模拟的最大空间采样间距选取原则是使中波长(奈奎斯特频率的一半)的采样点数为2个; 对于所有维度, 稳定性随空间采样间距的增加而增加, 但不易变化太大, 变化太大时需要适当减小震源子波的主频, 以满足空间合理采样; 空间采样间距的大小设置, 需要考虑满足采样定理和稳定性计算条件, 并且稳定性条件对空间采样间距的要求更加严格; 伪谱法数值模拟的最佳(数值频散最小)空间参数选择为中波长2个采样点, 对应主波长约6~7个采样点。 以上研究对于采用伪谱法进行声波方程数值模拟过程中, 如何合理选择模拟参数提供一些参考。     

采用接触预压式元件的钻孔变形法地应力测量的全过程力学分析

本文考虑了元件预加接触压力、套芯应力解除和元件率定等手续,对采用接触预压式元件的钻孔变形法地应力测量的全过程进行力学分析,得出了孔壁折算位移的精确公式,从而揭示了初始接触压力、套芯解除半径和率定实验的试件大小等因素对折算位移的影响。文中对围压率定法优于哈斯特率定法的原因作了进一步解释;还讨论了围压法率定中围压室隔层对围压传递的影响。文末提出了恰当使用这种地应力测量法的若干建议。     

剪切破裂与粘滑——浅源强震发震机制的研究

周口店花岗闪长岩的高温高压三轴实验和理论分析表明,剪切破裂和摩擦滑移具有类似的孕育过程和发生机制。剪切破裂贯通强度就是一种摩擦强度。剪切破裂和摩擦滑移各自都有渐进式和突发式之分。突发式摩擦滑移是已有断层的粘滑滑移。突发式剪切破裂则是完整岩石的初始粘滑滑移。考虑到地壳温度随深度增加,完整岩石剪裂强震要求较高的围压,因此,多数浅源强震的发震方式很可能是已有断层的粘滑     

含湿孔隙岩石有效热导率的数值分析

本文采用有限元方法研究含湿孔隙岩石的有效热导率,即随机划分网格并指定材料性质,建立三维含湿孔隙岩石的有限元模型,模型的上下表面施加不同的温度,侧面绝热,计算出总热流,然后结合上下表面的温度梯度计算出岩石的有效热导率.考虑到单个随机模型不一定具有代表性,对给定的孔隙率和饱和度均生成了200种矿物、水、空气随机分布的岩石模型,进行Monte Carlo实验和统计分析,统计分析结果与前人实验结果吻合良好.数值分析结果表明,孔隙岩石的有效热导率与岩石的孔隙率、饱和度、固体矿物组分及孔隙的分布情况有关,数值计算的误差随着网格数目的增加而减小.此有限元方法可以用来估算岩石的有效热导率,在已知组分性质的多矿物岩石物性计算方面有广阔应用前景.     

利用钻孔形变测量介质中应力场——有关地应力测定中的元件和测量数据处理的讨论

在坑道中或地表上,对地壳形变所进行的各种观测,是了解地下应力活动的重要手段。目前,国内外开展在岩石中钻孔进行应力测定存在的问题,是受局部偶然因素的影响较大,需要注意克服。 求取地下岩体中的实际应力值,不仅是地震预报工作的需要,也是建筑、水坝、隧道、     

地电阻率年变化的方向性与中国大陆构造应力场

本文先研究了矿井中岩体(或矿体)和混凝土胶结充填试件受力作用下地电阻率(s)年变化的方向性.结果表明,平行压力方向的地电阻率年变化幅度最小,垂直压力方向则最大,与压力方向成45夹角的则介于二者之间.根据此结果,我们统计了全国98个地电台的地电阻率资料,并将中国大陆按应力场方向划分为三大应力场区:1.中国西部应力场区,其方向为近南北向;2.中国北部应力场区,其方向为近北东向;3.中国东南部应力场区,其方向为近东西向.因此,可以利用同点三向等极距地电阻率年变化法来测量当时当地不同方向的应力场作用.      

橡胶砂芯组合砌块动力特性及隔震效应数值分析

在混凝土空心砌块的空腔中填入橡胶砂形成的组合砌块（RSMCB）可作为简易隔震层应用于村镇建筑防震减灾。建立RSMCB的三维数值分析模型,进行循环剪切试验以及隔震分析,研究不同橡胶砂配比、竖向压应力、盖板尺寸和盖板埋深对隔震砌块动刚度和阻尼比的影响,分析不同的上部配重、输入地震波、橡胶砂配比、盖板尺寸和铺设方式对RSMCB垫层隔震效果的影响。结果表明:（1）橡胶砂芯组合砌块应变软化现象明显。（2）RSMCB的水平动刚度随橡胶砂配比增大而减小,随盖板埋深、盖板尺寸以及竖向压应力的增大而增大。（3）阻尼比随橡胶砂配比、竖向压应力、盖板尺寸和埋深的增大而减小,橡胶砂芯组合砌块隔震消能效果显著。在隔震数值模拟中,输入加速度在经过橡胶砂芯组合砌块垫层过滤后均有不同程度的降低,且被过滤掉大部分高频波。隔震效应随着盖板尺寸的增大而减小,上部结构配重越大,隔震效应越明显,橡胶砂配比为30%时RSMCB垫层隔震效应更好。橡胶砂芯组合砌块符合在村镇欠发达地区低成本隔震的要求,表现出广阔的应用前景。     

地壳应变场观测中体应变与面应变转换系数的计算

将钻孔体应变仪与分量式应变仪的观测资料在面应变平台上进行整合,对于解决目前两种应变仪观测数据的评估、分析、处理和地震预报问题有实际意义．根据潘立宙-陈沅俊和Evertson理论及弹性力学知识,分别建立了平面应力作用下体应变和面应变观测的力学模型,推导了观测钻孔、空孔和无孔岩石体应变与面应变转换系数的计算公式,发现它们都可以归结为同一公式描述,差异仅在于k（体应变仪钢筒内壁或无孔岩石面应变与空孔岩石面应变之比）的取值不同．用Evertson理论推导的公式与空孔岩石情形相近,当岩石弹性模量为4times;1010——8times;1010 Pa时,二者都可以看成是对潘-陈公式的一种简化、近似计算;无孔岩石的情况则相当于在岩石弹性模量为1times;1010 Pa时对该式的一种估计. 文中结合实际情况对转换系数的各种影响因素进行了详细分析．      

水压致裂试验过程中的地电效应研究

本文总结了在水压致裂试验现场多台电法仪器测量和记录到的加压过程中的地电效应,并得到一些能反映岩石破裂情况的有意义的结果:（1）随着压力增加,电阻率明显上升.当压力超过岩石临界应力的一半以后,电阻率即很快地下降,卸压后又逐步回升,其变化椭圆的长轴方向与岩石破裂面的延伸方向是一致的;（2）以压力孔为中心的自然电位及ZK2,ZK14孔的井下电位都伴随着加压过程而变化,强烈反映了过滤电场与孔隙水压力的相关性.      

瓜什则盆地的地应力场分析与模拟

基于水压致裂法地应力测试的原理,系统性研究分析了瓜什则盆地区域内的地应力场特征,这为成宁铁路控制性工程甘青特长隧道的选线设计提供了重要的参考依据。首先,根据区域内钻孔的地应力测试结果,采用有限元方法进行了区域地应力场的三维数值模拟,确定了该区域内的水平应力大于垂直应力的基本特征;其次,根据多个水平构造应力场的水平切片,分析了水平构造应力场随深度的变化,说明了该区域内水平构造应力场具有由东北向西南挤压的应力变化特征;然后,根据区域岩体抗拉强度分布,发现该区域内存在一个低抗拉强度带,它的地层结构相对较复杂,且其工程地质特征主要表现为地层破碎带或断层;最后,采用最小二乘法拟合了CK方案隧道横截面最大切向应力与最大水平主应力的线性回归模型,并预测了该方案隧道地层的岩爆发育程度。     

水平层状介质中基阶瑞利面波椭圆极化特征数值分析与研究

近年来的工程实践表明,以速度频散特性为理论基础的传统瑞利面波法的实际应用存在场地限制的瓶颈问题.为克服该困难,本文从面波的基础理论着手,在前人建立的水平层状介质中瑞利面波速度频散方程的基础上,推导了水平层状介质中瑞利面波质点位移的解析解公式.以工程中常见的几种典型的水平层状地层模型为例,结合地脉动单点谱比法(HVSR,Horizontal to Vertical Spectral Ratio),对基阶瑞利面波的椭圆极化特征进行了数值模拟研究.研究结果表明:与瑞利面波的速度频散特性类似,其椭圆极化同样具有频散特性,且椭圆极化时的质点位移水平分量与垂直分量的频谱比与地层泊松比结构有关.瑞利面波的这种椭圆极化特性展示了利用单点瑞利面波的多分量评价地层泊松比结构的理论可行性.     

A method of accelerating transport simulation when groundwater pumping is simulated

In solving groundwater transport problems with numerical models, the computation time (CPU processing time) of transport simulation is approximately inversely proportional to the transport time-step size. Therefore, large time-step sizes are favorable for achieving short computation time. However, transport time-step size must be sufficiently small to avoid numerical instability if an explicit scheme is used (and to guarantee enough model accuracy if an implicit scheme is used). For a transport model involving groundwater pumping, a small transport time-step size is often required due to the high groundwater velocities near the pumping well. Small grid spacing often specified near the pumping well also limits the time-step size. This paper presents a method to increase transport time-step size in a transport model when groundwater pumping is simulated. The key to this approach is to numerically decrease the groundwater seepage velocities in grid cells near the pumping well by increasing the effective porosity so that the transport time-step size can be increased without violating stability constraints. Numerical tests reveal that by using the proposed method, the computation time of transport simulation can be reduced significantly, while the transport simulation results change very little.     

镜质组反射率测试及其所反映的构造应力场

为了利用煤镜质组反射率推断豫北构造应力场,基于构造应力是造成镜质组反射率各向异性（VRA）的主要控制因素,对在豫北焦作、安阳、鹤壁三个矿区井下取的定向煤样品进行了室内显微镜下反射率测试,对测试数据按有关公式进行计算后就得出了由最大反射率值、中间反射率值、最小反射率值为轴组成的镜质组反射率椭球体（VRI）.结果表明,研究区煤样显示二轴晶正光性,它们经过了强烈的构造变形,研究区煤样镜质组反射率各向异性是由构造应力所引起;由镜质组反射率椭球体（VRI）得出的豫北构造应力场与钻探、节理统计、河南省区域构造应力场分析等方法得出的应力场基本上是吻合的,但也有一定的区别,主要体现在应力场到安阳、鹤壁矿区后发生了向左的偏转.总之,利用煤镜质组反射率各向异性推断构造应力场的方法是可行的、是有效的.     

岩石介质中多裂纹扩展相互作用及其贯通机制的数值模拟

运用岩石破裂过程分析RFPA^2D系统，通过对岩石试样中预置的一组右行右阶雁列式裂纹扩展过程的数值模拟，研究了非均匀岩石介中多裂纹扩展的相互作用模式及其贯通机制。数植模拟再现的受压混合型裂纹扩展过程中逐步演变的全场变形过程，以及与细观非均匀性有关的声发射和断续扩展模式的“岩桥”现象，清晰地揭示出多裂纹扩展的相互作用及其贯通机制。模拟结果说明，对于岩石这种地质介质而言，忽略其非均匀性影响，可能会掩盖岩石变形与破裂过程中的许多与非均匀性有关的特殊现象，包括声发射或微震模式、岩桥或雁行断裂等。     

岩石在破裂孕育过程中声发射变化特征的物理机制研究

根据声发射原理，并假设岩石中颗粒断裂的总几率符合Ｗｅｉｂｕｌｌ型极值函数，由此导出声发射总数Ｎ与应变能Ｗ，材料断裂构造形状参数ｍ，试样几何尺寸Ｂ及颗粒总数Ｌ的关系。对同一材料的同一试件而言，ｍ对Ｎ的变化形态有显著影响，而应变能的大小则对Ｎ的大小有显著影响，并同时导出声发射率与上述变量及能率的关系。同样，的变化形态受ｍ的制约，的大小则与应变能的大小及能率大小有关。进一步推导还表明，在岩石主破裂前，前兆时间ｔ和的变化不仅与极值应力前后的应变硬化及应变软化程度有关，且与环境刚度（压机刚度）及岩石自身的力学性质有关。摸拟了几条理论曲线，它与实验结果非常一致。     

A minimum sample size required from Schmidt hammer measurements

The Schmidt hammer is a useful tool applied by geomorphologists to measure rock strength in field conditions. The essence of field application is to obtain a sufficiently large dataset of individual rebound values, which yields a meaningful numerical value of mean strength. Although there is general agreement that a certain minimum sample size is required to proceed with the statistics, the choice of size (i.e. number of individual impacts) was usually intuitive and arbitrary. In this paper we show a simple statistical method, based on the two‐sample Student's t‐test, to objectively estimate the minimum number of rebound measurements. We present the results as (1) the ‘mean’ and ‘median’ solutions, each providing a single estimate value, and (2) the empirical probability distribution of such estimates based on many field samples. Schmidt hammer data for 14 lithologies, 13–81 samples for each, with each sample consisting of 40 individual readings, have been evaluated, assuming different significance levels. The principal recommendations are: (1) the recommended minimum sample size for weak and moderately strong rock is 25; (2) a sample size of 15 is sufficient for sandstones and shales; (3) strong and coarse rocks require 30 readings at a site; (4) the minimum sample size may be reduced by one‐third if the context of research allows for higher significance level for test statistics. Interpretations based on less than 10 readings from a site should definitely be avoided. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.