一种三维土压力盒的工作原理及其应用

基于应力理论,设计了一种能测量土中三维应力状态的三维土压力盒,由一个开槽的十二面体基座和6个常规土压力盒组成。根据任一方向上正应力与常规应力表示方法6个分量之间的关系,建立了三维土压力盒测试数据与常规应力表示方法之间的转换矩阵,给出了由测试数据到常规应力状态的计算方法,并进行了误差分析。考虑基座加工便利性和测试过程的便利性要求,着重阐述了等菱形十二面体三维土压力盒的工作原理、制作过程、测试方法和数据处理等关键环节。对某不饱和重塑土进行了一维压缩,并用测试装置测量了土中6个方向的正应力,推演出了对应的常规应力表达值。结果表明,常规应力表示方法中的两个水平应力基本相等且小于竖向应力,同时水平面和两个竖直面上的剪应力很小,与一维压缩的力学特点吻合,测试装置的设计合理。     

断层的三维应变分析方法及其在康山金矿的应用

文中介绍了滑动模型、奇轴模型及其在康山金矿区的应用情况,认为该矿区北东和北北东向容矿断层呈斜方对称,是由区域应变场诱导的局部应力场引起的,并求出了三维应变场的主应变方位和主应变比率.     

利用任意三个互不平行的截面进行三维应变计算的一种改进算法

进行有限应变测量是构造地质学的一项重要任务,而如何通过平面二维应变计算三维应变椭球就成为有限应变测量中的一个重要问题．现行的由任意三个互不平行的平面上进行计算三维应变椭球需要首先要进行相容性和误差调整,造成了计算过程的复杂性。本文在前人工作的基础上,利用数学方法,将相容性调整和应变椭球系数的计算合二为一,从而简化三维应变的计算。     

青藏高原现今岩石圈的三维应变

根据质量守恒原理,建立恒定体积条件下青藏高原岩石圈三维应变计算模型,模型以GPS资料提供的水平位移速率作为地表的边界约束.计算结果表明,青藏高原现今岩石圈的变形仍以南北向挤压缩短增厚为主,东西向伸展吸收的南北缩短量＜30%.高原岩石圈深部的变形总体遵循粘滞性应变模型.综合层析成像资料和钾质、过碱性钾质火山作用的时空分布规律,提出岩石圈脉动增厚-减薄的高原隆升机制.     

应变软化岩体分析原理及其应用

应变软化是指应力-应变曲线中轴向应力随应变的增加而减小的现象,许多种类的岩土介质在工程扰动的作用下呈现应变软化的行为。在分析应变软化问题时,其应力-应变关系式中的切线刚度矩阵是非正定的,由此导致计算求解的困难。将岩体应变软化过程简化为一系列脆塑性过程,于是应变软化问题的求解归结为一系列脆塑性过程的分析。基于经典弹塑性力学理论,提出了应变软化过程模拟方法及其相应的有限元求解过程,编制了计算程序,研究了应变软化本构模型中不同强度弱化速率对圆形洞室围岩塑形区分布的影响,进一步分析了应变软化模型对应的隧道径向变形沿洞轴方向的分布特征,并与已有监测数据得到的分布规律进行了对比。初步的研究结果表明,应变软化模型得到的计算结果是比较合理的     

三维地质体对AMT二维反演的影响研究

为探究三维地质体对二维反演结果地影响以及二维反演中极化模式的选择问题,设计了一系列二维、三维地电模型进行正演计算,并对正演结果进行二维反演计算。研究结果表明:相位受到三维畸变的影响较小,视电阻率较大;当三维异常体模型走向延伸较小时,TE模式的反演结果误差较大,TM模式的反演结果相对较好,但是反演得到了虚假的下覆构造,TE+TM联合反演结合了TE和TM模式反演的优点,可以较好地反映异常体的赋存位置及电阻率值;当三维异常体模型走向延伸长度增大时,三维数据的二维反演结果是可靠的,用TM和TE+TM模式反演都比较合理。     

一种适用于孔隙体积应变的有效应力方程

土力学奠基石Terzaghi有效应力原理被广泛应用于油藏孔隙和渗透率应力敏感研究中,然而其对于岩石孔隙体积应变的适用性存在争议。对颗粒不可压缩和颗粒可压缩的多孔介质分别进行了受力分析,推导了总体积、颗粒骨架、孔隙体积的有效应力表达式,与Biot、Skepmton有效应力方程对比,建立了适用于孔隙体积应变的新型有效应力方程,并进行了试验论证和应用举例。研究表明:在颗粒不可压缩多孔介质中,有效应力为超出平衡孔隙流压之外的颗粒间宏观等效应力;在颗粒可压缩变形多孔介质中,有效应力为其相同应变下的等效应力,有3种有效应力分别适用于总体积应变、颗粒体积应变、孔隙体积应变;新提出的孔隙体积有效应力方程与孔隙度、岩石总体积压缩系数、颗粒压缩系数、总应力和流压相关,4个理论计算式计算结果在3种多孔介质试验测试结果中的偏差均在5%以内;孔隙体积有效应力系数解决了如何定量增总应力来等效模拟储层降流压生产过程这一关键问题,3个压缩系数关系式理论计算准确方便。     

岩石有限应变测量Rf/Φ法的一种改进方法

本文提出了利用 Rf/Φ法进行有限应变测量的一种改进方法。在最大主伸长方向未知的情况下 ,利用多元线性回归的方法 ,也可以求出应变椭圆的轴率 Rs等参数。利用本方法 ,对初始为椭圆 (球 )形标志体进行有限应变测量时不需要通过别的方法确定最大主伸长方向 ,不必假定初始椭圆为随机取向 ,因而大大提高了 Rf/Φ法在实际中的可操作性     

有限应变的一种计算方法及其应用

构造地质分析和矿田构造分析中经常运用变形椭球体,用它形象地表示不同方向上的变形大小和主应变方向,由此进一步判断主应力方向,帮助分析一个地区的受力方式。不过这些椭球体的形态绝大多数是假想的,分析结果也只是定性的。近十几年构造地质学的研究逐渐从定性分析向定向方向发展。岩石有限应变测量引起了广泛的注意,它为人们提供了必要的数字信息,可以使我们了解到:一个区域或某个构造内部应变场的特征,探讨     

一种基于应变能的新型黄土结构性参数研究

在对当前常用土体结构性参数分析的基础上,提出一种新型的应变能结构性参数。以赤峰地区黄土为例,将原状黄土和重塑饱和黄土分别进行不同围压下的常三轴固结排水试验,绘制应力-应变曲线,计算应变能结构性参数,并与应力差结构性参数进行对比,总结该地区黄土的结构性特点,探讨基于应变能的结构性参数的适用性。研究表明,应变能结构性参数与应变差结构性参数的值变化范围在1.5～2.0之间,与试验中围压的大小并没有直接相关关系;这种新型的应变能结构性参数可以用来描述土体结构性。     

基桩低应变法三维干扰最小点位置的影响因素及确定方法

通过工程实测信号和数值模拟分析,证明了瞬态集中荷载敲击下,桩顶三维干扰速度信号的强度沿径向先递减后递增,存在干扰最小点,并对比了不同学者提出的干扰最小点位置处的信号。参数分析表明,三维干扰最小点的位置与桩径、桩长、荷载脉宽、桩身混凝土弹性模量、土层剪切波速及土层泊松比等桩、土参数几乎无关,但与桩身混凝土泊松比密切相关,且泊松比越大,干扰最小点的位置越靠近桩中心。给出了干扰最小点位置与桩身混凝土泊松比之间的函数表达式,可方便应用于实际工程。     

Plane strain deformation of a multi-layered poroelastic half-space by surface loads

The Biot linearized quasi-static theory of fluid-infiltrated porous materials is used to formulate the problem of the two-dimensional plane strain deformation of a multi-layered poroelastic half-space by surface loads. The Fourier-Laplace transforms of the stresses, displacements, pore pressure and fluid flux in each homogeneous layer of the multi-layered half-space are expressed in terms of six arbitrary constants. Generalized Thomson-Haskell matrix method is used to obtain the deformation field. Simplified explicit expressions for the elements of the 6 × 6 propagator matrix for the poroelastic medium are obtained. As an example of the possible applications of the analytical formulation developed, formal solution is given for normal strip loading, normal line loading and shear line loading.     

Numerical modeling of heterogeneous flow fields around rigid objects with special reference to particle paths, strain shadows and foliation drag

With the help of two-dimensional numerical models this paper investigates three aspects of heterogeneous deformation around rigid objects: (1) the nature of particle paths; (2) the development of strain shadow zones; and (3) the drag patterns of passive markers. In simple shear, spherical objects develop typically a concentric vortex motion, showing particle paths with an eye (double-bulge)-shaped separatrix. The separatrix has no finite dimension along the central line, parallel to the shear direction. Under a combination of pure shear and simple shear, the particle paths assume a pattern with a bow-tie shaped separatrix. With increase in the ratio of pure shear to simple shear (S_r), the separatrix around the object shrinks in size. The axial ratio of the object (R) is another important factor that controls the geometry of particle paths. When R<1.5, the loci of a particle close to the object form an elliptical shell with the long axis lying along the central line. With increase in axial ratio R, the loci form a doublet elliptical shell structure. Objects with R>3 do not show closed particle paths, but give rise to elliptical or circular spiral particle paths.

The development of strain shadow zones against equant rigid bodies depends strongly on the strain ratio S_r. When S_r=0 (simple shear), they develop opposite to the extensional faces of the object, forming a typical σ-type tail. The structure has a tendency to die out with an increase in the pure shear component of the bulk deformation (S_r). The initial angle of the long axis of the object with the shear direction (φ) and the axial ratio of the object (R) determine the development of strain shadow zones near inequant rigid objects. Objects with large R and φ between 60 and 120° form pronounced zones of low finite strain, giving rise to strain shadow structures. A geometrical classification of diverse drag patterns of passive markers around rigid objects is presented along with their conditions of formation.     

基于CT三维重建与逆向工程技术的煤体数字模型的建立

为了建立能够表征煤体真实孔隙结构的数字模型,进而进行数值模拟研究,通过μCT225kVFCB高精度CT系统扫描得到了大柳塔煤矿长焰煤CT数据,可观测到的最小孔隙直径为1.94 μm。使用基于Matlab语言的三维重建程序结合逆向工程技术,提出了一种将煤体CT三维数据转换为CAD数字模型的方法。以Ansys建立的煤体有限元模型为例,对煤体瓦斯渗流进行了模拟,分析了煤体孔隙内的速度及压力分布规律,并计算了沿X、Y、Z方向的渗透系数。计算结果表明：在微观尺度下（< 100 μm）煤体渗透系数呈现各向异性,其受煤体结构的影响较明显。提出的基于CT三维重建结合逆向工程技术构建的煤体CAD数字模型不仅可进行有限元分析,同时也可以被EDEM等离散元分析软件所使用,拓宽了煤体CT三维数据的应用范围,丰富了煤体在微观尺度上的研究方法。     

真三轴气固耦合煤体渗流试验系统的研制及应用

为了更真实地模拟煤岩在掘进巷道迎头等环境下的应力状态,研究三向应力环境下煤岩的损伤变形及瓦斯渗流情况,自主研发了真三轴气-固耦合煤体渗流试验系统。该装置主要由真三轴压力室、液压伺服系统、气体渗流系统和监测与控制系统组成,采用的试件尺寸为200 mm×100 mm×100 mm,可施加的最大轴压(?1)为70 MPa、最大侧压（?2）为35 MPa、最大侧压（?3）为10 MPa、最大瓦斯压力为6 MPa。该装置具有以下特点：(1) ?1、?2采用刚性压头加载,?3采用柔性加载,三向应力分别独立加载;(2) 设计了刚柔性压头及传压滑杆,使得?1与?2方向压头在同时加载过程中互不干扰;(3) 通过伺服液压系统控制加载功能,使得装置性能稳定,应力与位移加载精确,易于控制;(4) 气体渗流系统采用蜂窝孔对试件进行面通气,确保试件进气端瓦斯压力均匀分布;(5) 采用多种高精度传感器进行监测,实时记录煤体所受应力值、变形量及瓦斯渗流量。用两种不同应力路径下的渗流试验对该系统准确性和可靠性进行了验证,结果表明,该装置性能稳定可靠。该装置可用于揭示煤与瓦斯在三向应力条件下的耦合作用机制,为防治瓦斯灾害及研究瓦斯抽采提供了可靠的试验基础。     

基于状态参数的粗粒土应变软化和剪胀性模型研究

基于状态参数的概念,将粗粒土峰值应力比和剪胀比视为状态参数的函数,同时考虑初始模量随围压的变化,提出了一个弹塑性模型和模型参数的确定方法。该模型形式较简单,概念清晰,可以描述较大的密度和压力范围内粗粒土的应变软化和剪胀性,以及它们对物理状态和有效围压的依赖性。通过比较模型预测与粗粒土的三轴试验结果,证明了模型的合理性。     

基于应变响应包络的颗粒材料增量力学行为研究

砂土的力学响应具有显著的增量非线性特征,这与离散颗粒的微观结构,即组构特性密不可分。采用应变响应包络可以较好地获得材料在不同加载方向上的增量力学响应。在物理试验中无法同时获得同一试样在不同加载方向下的宏、微观响应,故采用离散元方法,对具有不同应力历史、不同应力状态和不同级配的试样在Rendulic平面上的增量力学响应进行了系统研究和分析。离散元模拟结果表明,传统的塑性理论不能很好地描述具有复杂应力历史试样的增量力学响应,而基于颗粒间接触法向的组构增量与剪应变之间在多种不同的工况条件下均具有较强的线性相关性。当砂土的相对密实度相同时,该线性系数主要与围压的大小有关,对颗粒级配、应力历史以及应力比的变化均不敏感。由于组构的大小可以较好地量化砂土的内结构各向异性程度,进而表征应力历史的作用。上述模拟结果为在本构建模中引入组构演化机制,综合反映外荷载和内结构各向异性对砂土增量本构关系的影响提供了较好的微观物理依据。     

运用3DEEMs及荧光偏振方法研究pH、离子强度及浓度效应对腐殖酸荧光光谱特性的影响

利用三维荧光激发.发射光谱(3DEEMs)及荧光偏振法研究了3例腐殖酸和1例湖泊溶解有机物(DOM)在不同腐殖酸浓度、离子强度和pH条件下的荧光光谱特性.实验结果表明,随着浓度增大,各腐殖酸样的荧光强度增大,其中垃圾渗滤液腐殖酸和Pahokee泥炭腐殖酸的荧光峰出现红移.随着浓度进一步增大,腐殖酸的荧光偏振值增大,由此推断在此浓度范围内腐殖酸由于分子间的排斥作用使其构型出现伸展.离子强度增大导致腐殖酸及阿哈湖DOM的荧光强度降低.随着氯化钾(KCI)浓度增大,Fluka腐殖酸的荧光峰A蓝移,荧光峰B的荧光偏振值出现减小,推测是由于静电中和作用使其荧光基团发生卷曲造成的.离子强度对其余腐殖酸样和阿哈湖DOM的其他荧光特性没有明显的影响.总的来说,pH值的变化对腐殖酸和湖泊DOM的荧光特征的影响是很明显的.随着pH值增大,腐殖酸和湖泊DOM的荧光强度增强.而pH值减小时,Fluka腐殖酸和Pahokee泥炭腐殖酸的荧光峰(A峰)蓝移,当pH值降到5时,Fhka腐殖酸的荧光峰突然红移到最大,随后又继续蓝移;垃圾渗滤液腐殖酸和阿哈湖DOM的荧光峰位无明显的漂移.所有样品的荧光偏振值都减小(但阿哈湖DOM的A峰变化不大),但在pHi≤5时又增大,这种现象表明随着pH值降低,腐殖酸和湖泊DOM中有机大分子发生卷曲,但在pH≤5时由于羧基的质子化又以平面伸展构型出现在溶液中.     

土工膜应变计的研制及其应用(Ⅰ):研制

土工膜应变计作为监测软土地基的一种加固材料——土工织物(土工膜)变形的新型测试手段,经过国家“七五”、“八五”科技攻关研究,解决了将该应变计应用于监测土工织物这类低弹模柔性材料大应变的一系列特殊技术难题;克服长标距特种大应变计的粘贴难点,探讨合理的粘贴方法,使其在土工膜上的粘贴达到最佳效果;寻求合适的低弹模应变胶,要求其固化后的力学特性与被测土工膜材料的力学特性相接近;采用特殊的率定方法对粘贴上特种应变计的土工膜材料进行率定,以求得特种应变计的灵敏系数k和土工膜材料特性A这两项重要参数;以及解决现场实测埋设中的安装、防护等难题。经过攻关研究,使得单薄、脆弱的特种大应变计能够成为可靠、耐用的新型测试手段,应用于三峡工程二期围堰监测防渗土工膜的变形,取得了满意的监测成果。