应力主轴往返旋转条件下砂土变形规律试验研究

在已有空心圆柱扭剪仪上开发新的控制模块,实现应力主轴以任意初始方向角开始并以任意角度幅值进行往返旋转。在此基础上,对丰浦砂开展系列应力主轴往返旋转试验。试验结果表明:1应力主轴往返旋转角度幅值和初始主应力方向角均对砂土变形有不可忽视的影响;2不同于应力主轴连续循环旋转的情形,应力主轴往返旋转时砂土由于"楔入效应"可能出现体胀。     

应力主轴循环旋转条件下饱和砂土的变形特性

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪对日本标准丰浦砂进行了3个系列、每个系列包含中主应力系数=0.1、0.5和1.0三种不同情况的纯应力主轴循环旋转排水试验。试验过程中控制作用在砂样上的有效主应力的幅值不变,仅应力主轴在0°至180°之间循环旋转。着重分析了纯应力主轴循环旋转条件下饱和砂土的剪切变形特性、体应变的发展规律及中主应力系数的影响。     

致密储层岩石应力各向异性与材料各向异性的实验研究

本文在实验室中对四组来自不同地区的致密砂岩和页岩的波速和波速各向异性开展了研究.结合扫描电镜分析和波速应力敏感性测试,分析了引起致密砂岩和页岩各向异性的主要影响因素及规律.研究结果：（1）层理和微裂隙是引起致密砂岩各向异性的主要影响因素,而页岩的各向异性主要由定向发育的矿物成分导致,本研究中所用的致密砂岩各向异性强于页岩的各向异性.（2）平行地层方向的岩石波速高于垂直地层方向的岩石波速,超声波速随着应力增加而增加（3）波速各向异性随应力的变化分为两阶段,第一阶段随应力增加而减弱的应力各向异性,与定向排列的微裂隙相关.第二阶段随应力不再发生变化的材料各向异性,与基质中的矿物成分相关.（4）利用体积应变获得的裂隙孔隙度,以及矿物成分含量验证了这两类各向异性,应力各向异性与裂隙密度成正比,材料各向异性与黏土矿物含量线性相关.（5）根据波速各向异性随应力变化的两阶段,可以定量区分裂隙和基质（矿物）对岩石各向异性的影响,研究结果对体积压裂的裂缝扩展具有重要的意义.

     

基于主轴各向异性介质的三维张量CSAMT正演模拟

在地质情况复杂化以及地质勘探精细化的要求下,有必要开展张量CSAMT正反演研究.考虑到各向异性对正反演结果影响较大,本文开展基于主轴各向异性介质的张量CSAMT正演研究.根据含源的电场控制方程,引入主轴各向异性介质的张量电阻率,将电场总场分解为一次场和二次场,一次场由Key的算法得到,二次场利用有限差分法计算,即实现了...     

基于有限内存拟牛顿法的电阻率法三维主轴各向异性反演研究

基于各向同性假设的电阻率法三维正反演方法成熟并得到广泛应用.由于地下介质普遍存在电阻率各向异性,为提高反演精度,各向异性介质的三维正反演问题有待深入研究.本文将三维正演中总场分为一次场和二次场计算,二次场使用非结构网格有限单元法求解,基于有限内存拟牛顿法,系统研究了电阻率法三维主轴各向异性反演.通过设计低阻异常体与双异常体模型,利用地表、地井、井地与井间多种观测方式的合成数据进行了反演试算.反演结果表明：三维主轴各向异性反演能够可靠恢复异常体的位置与形状.与仅在地表采集数据的反演结果对比,地井、井地与井间多种观测数据的加入,反演结果能更好地恢复异常体的各向异性特征.证明了本文基于有限内存拟牛顿法电阻率三维反演方法的可行性与有效性.     

应力诱导各向异性介质中地震波的传播

主要讨论了应力变化如何影响各向异性介质中波速度的问题。推导了一般各向异性介质在初始应力下的Christoffel方程,得到介质中3种波的相速度和初始应力的关系表达式;通过实验数据验证了单轴应力能够诱导各向异性,当施加单轴应力时,速度在沿应力的方向增加最大,在垂直应力的方向增加最小,实验结果与理论推导一致;用Christoffel方程的数值解模拟在3种对称情况下的弹性各向异性介质中初始应力对波速度的影响。数值结果表明:初始应力对各向异性介质中波传播速度的影响,随着各向异性强度的增加而增大,而且速度越慢,影响越大。     

不同应力水平下结构性黏土动力特性试验研究

对天津滨海地区典型结构性软黏土进行了压缩试验和不同固结应力下的循环三轴试验。结果表明:结构性软黏土的静力变形特性以先期固结应力和结构屈服应力为分界点可分为3个阶段;不同固结应力下的动应变-振次关系曲线上存在着一个临界动应力比,且该值随着围压的增大而降低;孔隙水压力的变化以结构屈服应力为转折点呈现出不同的变化规律;当振动频率为2Hz时固结应力的改变对轴向动应变的影响不明显。     

主应力轴旋转情况下土的各向异性研究进展

从理论和实验两个方面对国内外主应力轴旋转情况下土的各向异性研究进行了对比和总结,并提出了一些研究建议。指出:在理论方面,应对屈服面方程采用应力分量表示的模型在三维空间里进行屈服面性状的描述,并考虑不同加载方向下屈服面的变化特性以及旋转硬化的问题;而实验方面,则应多以粘性土为研究对象,结合理论进行对加载方向变化时土体屈服面变化特性的实验研究以及旋转硬化规律的实验验证。     

基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演

各向异性介质对大地电磁观测数据的影响往往不可忽略,因此需要提高大地电磁各向异性三维反演的可靠性和有效性.为了满足大地电磁各向异性三维反演的需求,本文研究了一种基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演算法.根据大地电磁平面波理论假设,正演方程采用背景场与二次场分离的计算方式,二次场利用交错网格有限差分法求解.由于各向异性反演的多解性,本文将各向异性介质简化为主轴各向异性,并在此基础上进一步采用有限内存拟牛顿LBFGS法实现三维各向异性反演.为了提高各向异性反演的分辨率,反演目标函数中引入交叉梯度项,利用先验的结构信息,对三个方向的电阻率参数进行结构约束,最终的反演进一步利用MPI（Message Passing Interface,消息传递接口）技术实现分频并行计算,测试结果显示并行接近线性加速比.

     

风浪荷载作用下扩底桩基础桩周土应力特征分析

扩底桩基础在承受水平风浪荷载时,基础周围的地基土表现出复杂的应力变化特性。基于有限元程序ABAQUS,针对近海风机单桩基础受力特点,分别建立扩底桩和等直径桩的有限元模型,着重分析扩底桩受风浪荷载时桩周土的应力特征,并对扩底桩和等直径桩桩周土的应力主轴旋转角度规律进行对比分析。结果表明:扩底桩在承受风浪荷载时,上部桩桩周土偏应力和主应力方向角的变化较为明显,扩底段部分桩周土受动荷载的影响较中段更为明显;随着桩周土与扩底桩距离的增加,桩周土主应力方向角旋转幅值逐渐减小,直到减小为一个较为稳定的值;扩底桩桩周土与等直径桩桩周土的主应力方向角旋转幅值变化规律有所不同。     

根据走滑大地震前后应力轴偏转和应力降求取偏应力量值的研究

运用走滑地震造成的地震前后应力方向偏转和地震应力降Δτ推导得到地震震源处偏应力量值τ的解析表达式为τ=［Δτcos2(φ′[KG-*2]P-E)］/sin2(φ′[KG-*2]P-φP)(其中,φ\-P和φ′[KG-*2]P分别为地震前后的统计P轴走向,E为地震断层走向.).当震前P轴与震后P轴与断层走向夹角为45°时,该公式失效.对偏应力值与应力降比值随应力场主压应力轴与断层走向夹角及应力场主压应力轴偏转的变化进行分析表明,相同应力降造成的应力轴偏转越大,地下偏应力越小; 断层走向越接近主压应力轴方向,地震应力降场对偏应力场的贡献越小.将该方法运用于Landers地震震源区,求得了该地震Homestead Valley段的偏应力量值为10MPa.     

主应力轴持续旋转条件下饱和松砂的振动孔隙水压力特性

利用新研制的“土工静力-动力液压三轴-扭剪多功能剪切仪”,针对福建标准松砂,在三向非均等固结条件下,进行了能够模拟海洋波浪荷载作用下主应力轴连续旋转的循环耦合剪切试验。通过试验着重探讨了初始主应力方向、振动过程中主应力方向连续变化对不排水条件下砂土的振动孔隙水压力增长特性的影响。实验研究表明:在振动过程中主应力轴连续旋转的条件下,初始主应力方向对砂土的动孔压比与振次比之间关系具有显著的影响,随着初始大主应力与竖向之间夹角的增大,动孔压比的增长速度明显加快,具有较好的规律性;归一化孔压比与广义剪应变之间的关系基本上与初始主应力方向角和振动剪应力幅值无关。     

地铁列车荷载作用下黏弹性地基动应力特征分析

基于Kelvin空间半无限体黏弹性解,以单个轮轴荷载为例,研究地铁列车荷载下地基土动应力状态、应力路径及主应力轴旋转等应力变化规律,并与相应弹性解下的各动应力特征进行对比分析,探讨更适用于工程实际的地基附加动应力特征解。结果表明:弹性地基与黏弹性地基中的各应力状态变化总体趋势、主应力轴旋转变化趋势相同,但极限应力状态各应力分量大小及应力路径形状有明显差别,考虑黏弹性解更符合软土区地铁长期变形实际工况;并对单轮荷载下动应力特征的黏弹性解进行参数分析,发现特征系数对应力分量影响具有不同特性。     

复杂应力条件下松砂振动孔隙水压力与体变特性的试验研究

利用新研制的土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在5种初始主应力方向角与5种中主应力系数相组合的初始固结条件下,对饱和松砂进行了不排水循环扭剪试验。讨论了初始固结条件对不排水条件下饱和松砂孔隙水压力变化规律及对剪胀、剪缩、卸荷体缩等体积变化过程的影响。试验研究表明：（1）分别以稳定残余孔隙水压力和破坏时循环次数归一化后的残余孔隙水压力比和循环次数比之间的关系可以用双曲线模式表达。其参数主要依赖于初始主应力方向,中主应力系数对参数的影响并不显著。归一化后的孔隙水压力比与广义剪应变之间的关系也可以用双曲线模式表达,其中的2个待定参数依赖于初始主应力方向,与中主应力系数无关;（2）在三向非均等固结条件下的不排水循环扭剪试验中,饱和松砂表现出卸荷体缩特性,不同初始主应力方向时,饱和松砂剪缩、剪胀、卸荷体缩呈现出不同的交替变化模式。     

低渗砂岩储层渗透率各向异性规律的实验研究

应用1摩尔/升的盐水作为孔隙介质,采用液体压力脉冲法对采自鄂尔多斯盆地某油田三叠系延长组低渗砂岩样品进行了渗透率随有效应力的变化规律实验研究.在围压0～100 MPa,孔隙压力0～12 MPa范围内,样品的渗透率变化范围在0～60×10-18m2之间,实验结果表明样品的渗透率随有效应力的增加而减少.通过拟合实验结果,得到渗透率随有效应力的变化规律较好的符合幂函数关系,相关系数介于0.903～0.984之间.同时对同一样品的X,Y,Z相互垂直三个方向的渗透率随有效应力的变化进行了比较,结果表明渗透率的各向异性同样是压力的函数,且随着有效应力的增加,不同平面内的渗透率各向异性表现出了不同的变化规律.但在实验压力范围内,渗透率各向异性皆为正值,表明在有效应力为100 MPa范围内孔隙内流体的流动方向未发生改变.研究结果为鄂尔多斯盆地低渗(超低渗)油气田开发,特别是对深部油气田开发过程中开发方式的选择与设计,充分利用渗透率各向异性的特点,提高采收率提供了新的岩石物性资料.     

中主应力对压实黄土动变形特性的影响

常规的三轴试验通常无法真实模拟实际工程中土体所受的应力状态,因而就不能准确地评价土体的变形特性,尤其是中主应力对土体变形的影响。通过对原有的DTC-199型周期扭转荷载三轴仪进行简单的改造,可进行中主应力对压实黄土动变形影响的试验研究。中主应力的大小σ2通过中主应力系数b(b=(σ2-σ3)/(σ1-σ3))来反映,在其它固结条件不变的前提下,初始中主应力系数b对压实黄土的动剪切模量有一定的影响,随着b的增大,动剪切模量有减小的趋势,最大剪应力也逐渐减小;b对最大动剪切模量基本没有影响。初始中主应力系数b对压实黄土的阻尼比λ基本没有影响,在λ-lgγd的半对数坐标图中,阻尼比随动剪应变的增加有逐渐增大的趋势,并且表现出较好的相关性。     

列车引起的地基土应力状态变化的三维有限元分析

将列车移动荷载简化为多个移动轮轴荷载,基于列车-轨道-路基解析模型推求的列车运行时不同时刻、不同位置时作用于路基的振动荷载时程,采用多点输入方式实现列车荷载的移动施加方式,建立路(地)基-场地体系三维有限元动力分析模型,基于Abaqus软件的并行计算集群平台,对轨道交通振动荷载下路(地)基-场地体系的动力反应进行数值模拟,研究了列车荷载作用线正下方地基中的动应力特征及土单元应力状态变化,分析了列车轮轴荷载移动过程中不同深度处土单元的应力路径和主应力轴的旋转。     

Implications of principal stress axes and eigenvalue ratios on critical orientation of fractures. Application to two tectonic regions in Alaska

The principal stress axes and eigenvalue ratios of the stress tensors from two active seismic regions in Alaska (eastern Aleutian Arc and eastern Gulf of Alaska) are computed. These results are obtained using focal mechanisms of earthquakes with magnitudes ranging from 5.5 to 8.2 and show for both regions slightly different compressional states with an orientation of the pressure axis of N26°W for the eastern Gulf of Alaska and N27°W for the east Aleutian Arc. The eigenvalue ratios for the eastern Gulf of Alaska and east Aleutian Arc are 0.84 and 0.99, respectively. The algorithm used in computations allows us to detect some focal mechanisms which are incoherent with respect to the obtained stress tensors. These incoherences are explained in terms of some tectonic features of the region. The orientations of possible pre-existing fractures which would need an unrealistically high maximum shear stress to start a slip on their fault planes are also investigated. These critical orientations depend on a constitutive frictional law as well as on eigenvalue ratios and eigenvectors of the stress tensors. The orientation, which is given in our case by the angle between the normal vector to a fracture and the regional tensional axis, is approximately 59° for the eastern Aleutian Arc. This angle ranges from 49° to 59° for the eastern Gulf of Alaska. It must be pointed out that fractures which need unrealistically high shear stress to start slip on their fault planes are defined by a very narrow band of possible angles between tensional direction and the normal vector to fault plane.