微粒对多晶冰及冰川流变行为的影响——(Ⅰ) 基于位错的弛豫模型

为量化冰及冰川在流变过程中位错密度随流变应力的变化,发展了一个基于位错的非线性弛豫模型.模型的计算表明：在冰的指数蠕变阶段,滞弹性试验所形成的应力/应变滞后环的宽度与面积随流变应力的增加呈线性增加,位错密度随流变应力的增加呈平方增加;在冰的线性蠕变阶段,滞弹性试验所形成的应力/应变滞后环的宽度、面积和位错密度保持不变.     

饱和砂岩滞弹性弛豫衰减机理的探索

本文采用从法国引进的Metravib热机械分析仪用正弦波加载方式,首次对四种不同孔隙度的饱和砂岩的衰减进行了实验研究,在5~400 Hz的频率,-50 ℃~100 ℃的温度范围获得衰减的热弛豫规律,由此求得它们的激活能和原子振动频率,其激活能和弛豫时间是处在原子和电子的激活能和弛豫时间之间.可见,在饱和岩石的晶粒间界缺陷处参与扩散的是原子、电子.并得出随孔隙度增大,衰减强度和激活能增大,原子的振动速率加快,弛豫时间缩短.在交变应力作用下,由多种矿物晶体胶结而成的饱和砂岩是一种多晶、多相的固体,由于内部结构复杂,损伤、缺陷广布,弛豫衰减是普遍存在的.饱和砂岩中存在的晶界、相界等许多缺陷,以及缺陷间的相互作用,比如饱和岩石中的饱和液体与岩石骨架之间的作用等等都可以产生弛豫衰减峰,弛豫过程还受晶界上原子扩散所控制.由于饱和岩石中的种种缺陷、相界等等导致上述矿物颗粒或晶界之间的多重弛豫,才使弛豫衰减峰变宽,分布宽度增大.用饱和砂岩中特有的饱和液体及砂岩内部结构的复杂性解释了饱和砂岩的衰减机理,很自然地将其宏观衰减特征与微细观结构紧紧联在一起.衰减及其机理的研究既具有科学意义,对地球物理勘探又具有实用价值.     

饱和砂岩滞弹性弛豫衰减机理的探索

本文采用从法国引进的Metravib热机械分析仪用正弦波加载方式,首次对四种不同孔隙度的饱和砂岩的衰减进行了实验研究,在5~400 Hz的频率,-50 ℃~100 ℃的温度范围获得衰减的热弛豫规律,由此求得它们的激活能和原子振动频率,其激活能和弛豫时间是处在原子和电子的激活能和弛豫时间之间.可见,在饱和岩石的晶粒间界缺陷处参与扩散的是原子、电子.并得出随孔隙度增大,衰减强度和激活能增大,原子的振动速率加快,弛豫时间缩短.在交变应力作用下,由多种矿物晶体胶结而成的饱和砂岩是一种多晶、多相的固体,由于内部结构复杂,损伤、缺陷广布,弛豫衰减是普遍存在的.饱和砂岩中存在的晶界、相界等许多缺陷,以及缺陷间的相互作用,比如饱和岩石中的饱和液体与岩石骨架之间的作用等等都可以产生弛豫衰减峰,弛豫过程还受晶界上原子扩散所控制.由于饱和岩石中的种种缺陷、相界等等导致上述矿物颗粒或晶界之间的多重弛豫,才使弛豫衰减峰变宽,分布宽度增大.用饱和砂岩中特有的饱和液体及砂岩内部结构的复杂性解释了饱和砂岩的衰减机理,很自然地将其宏观衰减特征与微细观结构紧紧联在一起.衰减及其机理的研究既具有科学意义,对地球物理勘探又具有实用价值.     

地幔内变粘度的滞弹性流体运动的三维有限元模型

建立了描述具有无限大Ｐｒａｎｄｌｔ数，变粘度的滞弹性流体运动的稳态和动态三维有限元公式，其中运动方程的有限元公式是由用应力分量表示的平衡方程，再利用牛顿流体的本构关系导出的。这种处理方式，不仅能够分析流体粘度变化所起的动力学作用，而且还能够直接计算温度分布和由流体运动所引起的扰动压力。最后，论证了导出的有限元公式和程序的正确性和可靠性，并给出了具有三维流动特征的算例     

滞弹性衰减特征及其损伤的累积效应

在地铁、高速铁路等基础设施的快速发展下, 长期滞弹性微损伤累积效应应引起人们的关注, 尤其是对动载和高频效应的关注.本文在频率0.01~1000 Hz、温度-50~200℃内研究了弹性范围内的饱和砂岩、大理岩, 在强迫共振、单轴循环加载下的温度和频率的滞弹性行为的弛豫衰减峰.结果显示, 弹性模量和波速随温度的升高而下降, 且下降梯度比一般岩石的力学实验结果要陡; 随着频率提高, 弹性模量和波速显著增大, 频散效应会加强.该结果反映了在应力诱导下岩石内部微缺陷等微损伤之间的运动和相互作用的微观过程, 该过程会导致微结构变化, 进而引起微观的位移, 产生微损伤; 微损伤经历一段时间或很长时间的积累过程, 就可能造成疲劳损伤断裂.岩石内部微观结构的非均匀性和矿物晶粒间界等缺陷是最薄弱的部位, 在循环应力作用下再次形成新的微裂纹系统, 从而加速损伤的积累, 引起断裂.除此之外, 岩石中多种渠道的残余应力会导致疲劳损伤; 振动频率的提高, 也会加速岩石的损伤; 结合温度升高的综合效应会引起岩石内部微裂纹增长, 导致岩石微结构变化并引起微损伤, 虽然这是在屈服点以下引发的滞弹性微损伤, 但最终它们都将使岩石的品质劣化.

     

地幔滞弹性对Chandler摆动的影响

基于简正模扰动理论和勒夫数扰动方法,采用Zschau 的地幔流变模型,在假设Chandler摆动的能量全部耗散于地幔滞弹性摩擦的条件下,导出Chandler 摆动Q(Q_w)的理论值.还考虑了滞弹地球的平衡极潮对摆动的影响,所得结果与绝大部分天文实测值非常一致.分析表明.平衡部分的影响大,地幔滞弹性很可能是Chandler 摆动最主要的能量耗散源,Q_w 的理论值约为71.还推算了吸收带模型参数α,研究了该模型的适用性,并讨论了Q_w 与地幔Q(Q_m)的关系.     

风的垂直切变对滞弹性大气中静力适应过程的影响

本文基于描写滞弹性大气静力适应过程的线性方程组,从波动频散关系、气团运动规律和能量转换的角度出发,研究了水平基流及其垂直切变对该模式大气静力适应过程的影响.构造四种水平基流垂直分布模型进行比较,分别为常数型、线性切变型、反气旋切变型和气旋切变型,得到结论：（1）具有重力波性质的波动是滞弹性大气静力适应过程中扰动能量传播的方式,当垂直折射指数大于零时,基本气流及其垂直切变的存在,不仅改变了波动频率的大小,而且改变波动传播的方向;（2）在静力适应过程中气块的运动轨迹呈椭圆形,水平基流及其垂直切变影响椭圆的扁率,同时也影响扰动物理量之间的偏振关系;（3）水平基流的垂直切变是扰动能量和水平基流能量发生转换的媒介,当存在垂直向上的动量输送时,正的垂直风切变对应扰动能量的衰减,水平基流能量的增加,负的垂直风切变对应扰动能量的增加,水平基流能量的衰减;（4）不同的风的垂直切变模型,对静力适应过程的影响不同;对于水平基流呈反气旋切变型和气旋切变型,扰动发展的波动垂直结构为,急流轴上方波动等相位线自下而上向西倾斜,急流轴下方波动等相位线自下而上向东倾斜,反之亦然.

     

钢筋混凝土核心简的剪切滞变模型

通过对比评价现有可用于剪力墙的剪切滞变模型,并结合现有国内外钢筋混凝土核心筒体试验结果,选取了带捏缩的修正Takeda模型作为核心筒的剪切滞变模型,并给出了模型的细部滞变规则。     

弱形式时域完美匹配层——滞弹性近场波动数值模拟

本文旨在构建适用于滞弹性近场时域波动有限元模拟的高精度人工边界条件：完美匹配层（Perfectly Matched Layer：PML）,其中阻尼介质时域本构基于广义标准线性体建立.与以往研究不同,本文采用复坐标延拓技术变换弱形式波动方程构建了可直接用有限元离散的弱形式时域PML,规避以往独立对无限域内波动方程及界面条件进行延拓可导致的PML场方程和界面条件匹配不合理引发数值失稳、计算精度低下等问题.其次,针对PML中多极点有理分式与频域函数乘积的傅里叶反变换难以计算的问题,利用PML精度对复坐标延拓函数中延拓参数微调不敏感这一特点,明确给出了参数微调准则以规避多重极点,进而利用有理分式分解给出了一种普适、简便的计算方法,极大地简化了PML计算.基于该方法可实现任意高阶PML.最后,将本文构建滞弹性PML与高阶勒让德谱元（高精度集中质量有限元）结合得到滞弹性近场波动谱元离散方案.基于算例验证了滞弹性PML的计算效率、精度及新离散方案的长持时稳定特性.新离散方案可应用于计入实际介质阻尼的地震波动正、反问题数值模拟,提高波形模拟的精度以及地下波速结构反演的精度和可靠性.

     

冰川均衡调整对南极冰质量平衡监测的影响及其不确定性

本文研究了新的全球冰川均衡调整(GIA)模型对南极冰盖质量平衡监测的影响,考虑现有冰川负荷模型和地幔黏滞度模型的差异,完整评估了结果的不确定性,最后结合GRACE和卫星测高的结果进行了对比分析.结果表明,GIA对GRACE监测的等效水柱变化有重大影响,较大的GIA影响出现在西南极,沿罗斯冰架-卡姆布冰流-罗尼冰架-南极半岛分布,最大值在卡姆布冰流,达到29.8 mm/a;GIA对南极整体冰质量平衡的影响达到134±28 Gt/a.在不确定性的方差中,西南极和东南极分别以冰负荷模型差异和地幔黏滞度差异影响为主,对整个南极,冰模型差异影响占88.4%;在一些典型地区,GRACE监测的等效水柱在扣除GIA前后分别是,卡姆布冰流~32.8 mm/a和~6.3 mm/a,阿蒙森海湾~-95.3 mm/a和~-102.5 mm/a,Enderby Land~13.6 mm/a和~8.1 mm/a.整个南极冰盖总质量变化在扣除GIA贡献后为-82±29 Gt/a,该估计与卫星测高结果较吻合.此外,GIA对卫星测高监测的冰面高程变化的影响一般不超过8%.本研究为空间大地测量监测南极冰质量平衡提供了新的改正模型.     

基于Park三参数模型的剪切滞变模型

针对深梁、短柱和剪力墙等剪跨比较小的构件在结构非线性分析中需要考虑剪切效应的情况,在Park三参数滞变模型的基础上,参考大量文献后,建议了短柱、剪力墙和核心筒三种构件的剪力-剪切变形曲线本构关系特征点的参数取值,给出了剪跨比较小构件的剪切滞变模型。采用该模型分别对短柱、剪力墙和核心筒三个试验模型进行了模拟和分析,分析结果与试验结果的对比表明,所给模型可较好地模拟试件的剪切效应及实际抗剪承载力水平。该模型的建立可为结构非线性分析中有效考虑剪切效应提供参考。     

弹性滑移支座力学性能的试验研究

介绍了弹性滑移支座的原理、构造和特点;通过对其在不同工况下的性能试验,研究了竖向荷载、位移幅值以及加载频率对弹性滑移支座力学性能的影响,并给出了试验值与理论计算值之间的对比。研究结果表明：弹性滑移支座具有良好的工作性能,滞回曲线饱满,耗能能力强;竖向荷载和加载频率对弹性滑移支座的力学性能有一定的影响,而位移幅值对其影响较小;弹性滑移支座的恢复力模型,可以用考虑速度的指数摩擦力模型来描述,并且模拟得较为准确。     

有效应力对岩石弹性波速的影响

在围压和孔隙压力作用下,对饱和癸烷砂岩弹性波速随有效应力的变化进行了测试,分析了有效应力对岩石波速影响的基本规律,确定了描述波速随有效应力变化数学模型的基本形式,利用Han和Freund的测试数据,进行了有效应力对波速影响的多元非线性回归分析,得出了干燥和饱和水砂岩的波速模型.对波速随有效应力增大的机理、回归参数的物理意义以及岩石波速应力敏感性的影响因素进行了分析,并讨论了回归模型在孔隙度、孔隙压力、地应力和微裂隙反演中的应用.     

结构动力弹塑性与倒塌分析(Ⅰ)——滞回曲线改进、ABAQUS子程序开发与验证

详述并明确了钢材静态损伤滞回模型中3种类型加卸载路径,重点改进了混凝土滞回规则中再加载路径拐点前的二次曲线与拐点后的直线规则,定义了再加载至骨架曲线的刚度退化指数型表达式。进而,开发了直接能够与ABAQUS主程序保持数据相互调用的UMAT隐式和VUMAT显式算法子程序,并给出子程序与ABAQUS主程序链接的框架示意图。最后,通过5种具有试验结果的构件对所开发程序加以检验。结果表明:(1)改进的混凝土再加载滞回规则可较好描述混凝土加载曲线,克服了二次型规则的再加载曲线与卸载曲线在拐点前相交的可能性,体现了拐点后再加载至骨架曲线的刚度退化;(2)开发实现的隐式算法UMAT与显式算法双精度VUMAT子程序不仅可行,而且具有足够的计算精度。     

PREM-ZSCHAU滞弹地球模型对表面负荷的脉冲响应

利用PREM模型及ZSCHAU的地球内部粘滞性模型,解算了地球对表面负荷的脉冲响应问题,包括频率域和时间域的解.得到的复勒夫数及复格林函数表明,在ω>10~(-8)/s的频段内,地球的响应可视为基本上是弹性的,只有像冰后调整、地幔对流这样长期的运动,粘滞性才起重要作用;在ω<10~(-13)/s的频段,地球响应呈流体状态.     

地震孕育体源流变模型(三)--前兆场

在三维流变介质体源孕震模型的粘弹性位移场与应变场理论基础上,建立了流变介质体源孕震模型的前兆场理论解,导出了流变介质中任意一点（x,y,z）的地倾斜、地下水位、电阻率的粘弹性解析解,并对地电阻率的应用作了初步分析,为地震孕育过程中前兆分析提供了一定的理论基础.      

PREM-ZSCHAU滞弹地球模型对表面负荷的脉冲响应

利用PREM模型及ZSCHAU的地球内部粘滞性模型,解算了地球对表面负荷的脉冲响应问题,包括频率域和时间域的解.得到的复勒夫数及复格林函数表明,在ω>10~(-8)/s的频段内,地球的响应可视为基本上是弹性的,只有像冰后调整、地幔对流这样长期的运动,粘滞性才起重要作用;在ω<10~(-13)/s的频段,地球响应呈流体状态.     

地震孕育体源流变模型(二)——应变场及其应用.

在弹性包体理论的基础上，建立了流变介质包体模型理论的应变场的理论解，导出流变介质中的包体在任意一点产生的正应变、剪应变及体应变的粘弹性解析解，即正应变、剪应变和体应变的表达式. 通过计算三维粘弹性介质中球形硬包体与软包体在地面引起的体应变场的时空演化过程，得到了一些非常有意义的结果，即球形硬包体在地面产生的体应变随时间的变化曲线出现了特征不同的3个阶段(, , )，它与大量地形变资料出现的, , 阶段相似，而球形软包体却没有这个特征. 这些结果对地震前兆的形态特征、前兆的象限性、前兆时空演化的阶段性、短临前兆突发性以及前兆异常时间的地区性等的解释具有启示意义. 这为地震前兆物理模式的建立提供了理论基础，并将为实现地震的物理预测发挥作用.      

利用三维孔隙弹性模型探讨紫坪铺水库对汶川地震的影响

本文基于三维孔隙弹性理论,建立了紫坪铺水库及周边地区的有限元模型.根据紫坪铺水库开始蓄水到汶川地震发震时刻的水位变化情况,计算了整个区域的孔隙压力和库仑应力.详细讨论了断层及周围地层的弹性模量和扩散系数对计算结果的影响.计算结果表明:从弹性角度看,断层的弹性模量对汶川地震震源处的库仑应力影响很小;震源处的库仑应力随着断层和周围地层的扩散系数增大而增大.当给定弹性模量和扩散系数代表性值的时候,计算结果表明在汶川地震发震时刻,震源处的库仑应力变化量为+1 kPa左右,这表明紫坪铺水库使得汶川地震发震断层更加危险.是否这个量级的库仑应力就能够触发汶川地震还需要进一步探讨.通过分析库区周边小震的分布,发现小震分布区域均是库仑应力增加的地区,因此紫坪铺水库周边的小震应该与紫坪铺水库蓄水有直接关系.     

基于数字岩心的碳酸盐岩孔隙结构对弹性性质的影响研究(上篇):图像处理与弹性模拟

碳酸盐岩复杂的孔隙结构如何影响其弹性性质一直是地球物理研究的难点问题,在此基础上如何半定量甚至是定量地对碳酸盐岩储层预测,特别是如何有效地获取孔隙结构参数相关的地震属性体一直是油气工业界追求的目标.本研究从数字岩心角度入手,联合测井以及地震数据尝试探究这一问题的解决方案,包括如下几个方面：（1）代表性碳酸盐岩储层样品获取;（2）CT扫描数字岩心数据体获取;（3）数字岩心数据的图像处理;（4）数字岩心数据的静态弹性模拟;（5）数字岩心子数据体的孔隙结构因子提取;（6）孔隙结构因子表征与分类下的弹性性质与孔隙度的定量化量版建立;（7）数字岩心-井-地震联合的孔隙度属性提取;（8）孔隙结构因子的地震属性体获取.

本研究分为两篇系列文章上篇与下篇,上篇主要阐述如上提出的（1）-（4）方面,重点在于针对碳酸盐岩二值化图像处理的流程建立与验证,以及数字岩心静态弹性模拟的理论方面,这两方面是基于数字岩心获得精确的碳酸盐岩弹性性质模拟结果的关键所在;下篇主要阐述利用数字岩心数据获得孔隙结构因子的思路、理论与流程,以及为碳酸盐岩储层预测为目标而获得孔隙结构因子的地震属性体的实际应用方面.由于两篇文章共享数字岩心数据,同时所涉及的研究思路与流程形成一个有机整体,因此写成两篇系列文章而非两篇独立文章.本文为两篇系列文章的第一篇：上篇.