恐龙化石在风化破坏过程中内部裂隙扩展的试验模拟研究

在理论分析的基础上,利用试验结果模拟分析单轴压力作用下含裂隙恐龙化石断裂损伤过程。在FLAC3D中采用FISH语言编写了基于体元分析的计算程序,采用弹脆性本构模型,分析了试验过程中恐龙化石的裂纹萌生→扩展→贯通规律和裂隙化石的断裂损伤机制。在单轴压缩作用下,含有裂隙的恐龙化石试件的破坏过程主要分三个阶段:即线性变形阶段、非线性变形阶段和软化阶段,当载荷超过应变峰值强度后,化石内部将生成大量新的诱导裂隙,导致化石内部结构发生剧烈变化。值得注意的是,恐龙化石峰后的强度软化过程非常不稳定,峰值附近的材料力学行为对化石试件内部缺陷的分布十分敏感。试验表明,有裂隙恐龙化石的抗压强度值比无裂隙恐龙化石的抗压强度值小30%,最终的残余抗压强度也略小,在加载应力作用下,相比不含内部裂隙的恐龙化石,内含裂隙的恐龙化石其内部裂隙会迅速大量扩展,加重了恐龙化石的风化程度和破坏速度。     

内含裂隙角的恐龙化石轴向受压数值试验及裂纹扩展机理研究

面临众多古生物化石遭受风化破坏的现实,恐龙化石保护是一项世界性难题。化石的风化原因多种多样,其中化石内部裂隙是导致恐龙化石风化、破坏的重要因素。该文以岩石断裂力学为理论依据,模拟分析内含裂隙的恐龙化石在压力作用下的破坏情况。通过数值模拟的方法,进行了内含裂隙恐龙化石数值压缩试验,并对内含裂隙的恐龙化石裂纹扩展机理进行了研究。研究结果表明,随着裂隙角度增大,开裂角逐渐减小,裂隙处特别是两端应力集中,其他部位应力较低、分布均匀;裂纹扩展是从裂纹尖端起裂,最终裂纹扩展到边缘。此研究结果为揭示恐龙化石风化机理和开展保护提供了基础参考资料。     

渗流-应力耦合下侏罗系红砂岩力学及渗透特性试验研究

三峡库区广泛分布侏罗系红砂岩,在水库运行期间红砂岩的渗流-应力耦合特性关乎库区内多数滑坡和岩质边坡的稳定性。借助岩石多场耦合三轴试验系统,对三峡库区侏罗系红砂岩开展了不同围压、不同渗透压下的三轴压缩试验,系统研究了红砂岩的三轴压缩力学特性和渗透率演化特征。研究结果表明：(1)红砂岩的峰前应力-应变曲线可分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、微裂隙稳定发展阶段和非稳定发展阶段。红砂岩的力学参数与渗透压的关系呈负相关,与围压呈正相关。(2)随着围压升高,红砂岩的破坏模式由张拉破坏过渡到剪切破坏。(3)不同渗透压下,渗透率曲线呈平稳发展→缓慢上升→快速上升3阶段演化规律;不同围压下,渗透率曲线先降低后升高。(4)从能量角度分析了渗透压和围压对岩石的作用,验证了渗流对岩石的劣化效应以及围压对裂纹发展的抑制作用。本试验对鲜有报道的侏罗系红砂岩的强度、变形和渗透特性做了系统的研究,对渗流-应力耦合课题有补充意义。其工况根据三峡库区边坡岩体的应力水平来确定,试验结果对分析库区边坡稳定性具有指导意义。     

基于损伤分区与统一强度理论的岩石本构模型

自然界中岩石内部均存在一定程度的损伤,损伤的持续演化过程对岩体的稳定性极为不利。为了研究岩石的损伤演化过程,将岩石分为未损伤部分、闭合裂隙部分与张开裂隙部分,采用统一强度理论与统计损伤理论分析岩石微元强度的分布,通过分析变形协调条件下各部分的应力-应变特征得到岩石的损伤本构模型与损伤演化模型,与巴东组紫红色泥岩三轴压缩试验结果对比验证后将模型应用于某反倾层状岩质边坡的破坏深度分析。分析结果表明:提出的损伤本构模型可以较好地模拟巴东组紫红色泥岩的三轴压缩应力-应变特性,提出的损伤演化模型可以较好地分析巴东组紫红色泥岩的损伤演化过程,且模型参数具有明确的物理意义;此外,根据基于损伤演化模型的反倾层状岩质边坡破坏深度修正模型计算得到的结果偏保守,用于岩土工程设计偏安全。      

含２条断续裂隙试件直接拉伸下的颗粒流模拟

采用颗粒流程序 ＰＦＣ构建了试件直接拉伸模型,模拟了含２条断续裂隙试件的直接拉伸试验,通过完整试件的模拟结果与室内试验结果的对比,验证了细观参数的准确性和可靠性,同时分析了裂隙倾角和岩桥倾角对抗拉强度和裂纹扩展的影响。研究表明:在直接拉伸情况下,含２条断续裂隙试件以萌生次生倾斜反翼裂纹为主,少量次生共面裂纹和翼裂纹;岩桥倾角和裂隙倾角均较小时,次生共面裂纹与原始裂隙之间发生搭接、贯通,随着岩桥倾角和裂隙倾角的加大,次生倾斜反翼裂纹扩展使试件 断裂;裂纹扩展的方向与最大拉应力的方向基本保持垂直;岩桥倾角对于试件的抗拉强度和起裂应力影响不大;裂隙倾角对于试件抗拉强度和起裂应力影响明显,裂隙倾角越大,试件抗拉强度和起裂应力越大。      

剪切速率对岩石节理强度特性的影响

不同剪切速率下岩体结构面的力学特性研究是进行岩质边坡动力反应分析的重要前提。基于Barton峰值抗剪强度理论和均方根一阶导数值法的节理粗糙度系数计算方法,对前人研究中关于定法向应力条件下不同剪切速率的岩石节理峰值抗剪强度的室内直剪试验结果进行整理与计算,探究剪切速率对岩石节理总摩擦角的影响规律,提出与速率相关的岩石节理峰值抗剪强度经验公式。结果表明:当剪切速率在0~0.8mm·s-1范围内时,岩石节理试样的总摩擦角随剪切速率的变化呈现负对数变化规律;对于均质性和各向同性较强的岩石节理随剪切速率的增大,总摩擦角呈现减小趋势,对于非均质性和各向异性较强的岩石节理随剪切速率的增大,总摩擦角呈现增大趋势,且后者总摩擦角增大幅度小于前者的减小幅度;岩石节理的物性和微观几何形态对总摩擦角随剪切速率的增加而变化的影响较大,节理面的物性主要影响总摩擦角随剪切速率增加呈现增大或减小的变化趋势,节理面的微观几何形态主要影响总摩擦角随剪切速率的变化幅值。     

酸腐蚀作用下川渝红层砂岩蠕变特性试验研究

岩石蠕变特性对岩体工程的长期稳定有着重要影响, 尤其是在酸雨等水化学作用下, 岩石的细观结构遭到破坏, 蠕变特性及变形更为显著。以重庆二佛寺红层砂岩为研究对象, 通过开展室内三轴压缩分级蠕变试验, 研究了酸腐蚀状态下砂岩的蠕变特性。结果表明: 酸的腐蚀和浸泡会使砂岩内部孔隙增加, 导致砂岩在第一级荷载下会产生较大的瞬时应变和蠕变量, 之后瞬时应变量和蠕变量随着应力增加而增大; 岩样受到腐蚀软化, 蠕变破坏强度为抗压强度的76%, 长期强度仅为抗压强度的54%。为了描述蠕变全过程, 建立了一个损伤蠕变模型来拟合试验数据, 验证了其适用性, 可以为岩土工程建设的稳定性提供参考。      

地震前兆特征与岩样剪切应变率异常数值模拟

利用拉格朗日元法(FLAC)模拟了岩样的宏观力学行为、剪切应变率异常及演化。在峰值强度岩石的本构模型分别取线弹性模型及应变软化模型的条件下,得到如下结论：1)在弹性阶段之后,应力-时步曲线具有一定的周期性。与地震复发的周期性类似。在加载过程中,形变场由均匀逐渐向不均匀转变．最终形成交叉的剪切带网络。被该网络所包围的试样中部可视为背景空区．在空区之外,地震群比较活跃。在应变硬化阶段。可以从未来震源观测到前兆一剪切应变率异常条带。2)在中期阶段之后,空区内地震活动的开始增强明显要比空区外地震活动增强晚。地震的迁移是由外向内。3)短期阶段则相反：在硬化阶段．剪切带内外的剪切应变率的差别不很显著。试样处于相对平静状态。在软化阶段,若采用剪切应变率最大的位置作为震源．可确定震源在试样的中部。源兆和场兆都集中在老断层上。     

单轴压缩条件下不同含水率黑云母二长花岗岩破坏特征与机制

花岗岩在不同含水率条件下的变形破坏特征和机制对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义。开展不同含水率黑云母二长花岗岩单轴压缩试验,分析破坏特征和应力-应变曲线特征,开展断口扫描电镜试验,分析微观形貌特征,研究破坏机制。试验结果表明:黑云母二长花岗岩具有明显的应变软化特征;随含水率增大,曲线上微裂隙压密阶段长度逐渐增加,稳定破裂阶段及非稳定破裂阶段长度均逐渐缩短,但所占比例增大,曲线上峰前阶段涨落交替现象加剧;饱和时单轴抗压强度和弹性模量相比干燥时分别降低了40.68%,20.3%;变形破坏过程可大致分为以下5个阶段:平静期、裂纹萌生期、裂纹扩展伴随颗粒弹射期、片状碎片剥落伴随颗粒弹射期及崩落式破坏期;随含水率增大,花岗岩破坏时的剧烈程度、发出的声响及脆性程度均逐渐降低;花岗岩破坏机制为拉-剪复合破坏,低含水率时以压致拉张破坏为主,随含水率增大呈现拉张破坏减少而剪切破坏增多的趋势,饱和时以剪破坏为主。研究结果可为黑云二长花岗岩与水之间的耦合模型构建提供理论支撑,对水-岩耦合环境下工程岩体稳定性分析具有重要科学意义。      

基于DIC和声发射的TC4合金疲劳损伤状态监测方法

钛合金TC4是飞机关键结构件中应用最广泛的材料。为保障飞机在服役过程中安全稳定运行,将数字图像相关(DIC)和声发射技术结合,开展TC4合金疲劳损伤状态监测研究;利用微力拉伸实验系统,对TC4合金进行不同应力水平下的循环加载声发射监测实验。选择试样表面变形不均匀程度参数表征TC4合金疲劳损伤状态,结合加载过程中声发射信号时域经历,分析试件内部微损伤、裂纹开裂及扩展状态下声发射特征参量分布规律。结果表明:利用DIC和声发射技术结合方法,可以实现TC4合金疲劳状态的动态监测及损伤状态的有效表征。     

冻融循环作用下砂岩单轴压缩破坏断口特征分形研究

寒区岩石的力学特征往往受到冻融循环和荷载的共同影响,冻融岩石单轴压缩破坏断口蕴含着与冻融循环和荷载有关的损伤演化信息,冻融岩石单轴压缩破坏断口研究对冻融岩石断裂破坏机理分析有重要价值。为研究冻融岩石单轴压缩破坏断口形貌特征及其与宏观力学参数之间的关联性,通过摄影观测经历不同次数冻融循环的砂岩单轴压缩破坏断口形貌,采用像素点覆盖法计算断口分维值,探究了断口分维值与宏观力学参数之间的关系。结果表明:随着冻融次数的增加,冻融砂岩的力学性能劣化,单轴抗压强度、弹性模量、断口分维值、耗散能密度逐渐减小,峰值应变增大;单轴抗压强度、弹性模量、耗散能密度均与断口分维值之间存在指数关系,断口分维值越大,对应的单轴抗压强度、弹性模量、耗散能密度越大。冻融岩石单轴压缩破坏断口分维值可作为寒区岩体断裂破坏机理分析的有效参数。      

高应力区砂岩加卸载条件下能量变化规律及损伤分析

根据高应力区砂岩三轴压缩试验和峰前卸围压试验的结果,分析了砂岩在不同应力路径下的能量变化规律。试验结果表明,相同围压下,峰前卸围压试验的各能量指标(总吸收能、弹性应变能、耗散能)均小于三轴压缩试验,能量变化特征与其初始应力路径密切相关,且随围压的增大而增大。峰前储存的弹性应变能比耗散能多,耗散能只在临近峰值点处才迅速增加。能量的耗散会导致岩石产生损伤,并且使岩性劣化、丧失强度,从能量角度定义的损伤变量,可以得出结论:开始卸荷低围压下的损伤变量大于高围压下,临近破坏时高围压下的损伤变量大于低围压下;卸围压使岩样束缚减小,加速了损伤的发展,岩样所受的应力状态愈趋不平衡。因此,基于能量的角度来表征岩石的损伤演化更符合实际。      

冻融作用下人工劈裂砂岩结构面强度特性研究

寒区岩体破坏主要与结构面力学特性及冻融损伤相关.为探究冻融作用下砂岩结构面的强度特性,采用 小圆弧刀头劈裂制备贯通结构面,对其进行了冻融循环及剪切试验,得到了结构面的剪切强度、内聚力及内摩擦 角的劣化规律.试验结果表明:小圆弧刀头制备的结构面完整、均一,且上下盘吻合度高;岩石的峰值剪切强度与 冻融次数呈负相关,与法向应力呈线性正相关;随着冻融循环次数的增加,内聚力减小趋势变缓,内摩擦角无明显 变化趋势.研究结果对寒区岩体强度特性分析具有参考价值.      

基于声发射试验的红层砂岩损伤演化特性分析

红层砂岩在我国广泛分布,其特殊的工程地质特性对工程建设具有重要影响。对取自重庆万州龙驹坝地区的侏罗系红层砂岩样品进行了声发射试验,分析了其在单轴压缩条件下的损伤演化特性,得到了样品在单轴压缩条件下的应力－应变特征曲线,以及声发射参数在红层砂岩破裂过程中的响应特征。试验结果表明:样品在单轴受压条件下的损伤过程分为内部压密、弹性变形、塑性变形、破裂和残余变形５个阶段,各阶段声发射参数具有显著差异;不同类型样品的损伤量曲线与应力曲线具有同步性,且在弹性－塑性临界点开始出现损伤量的跳跃性
增长;对 ＡＥ振铃计数率参数的回归分析表明,样品在损伤破裂过程中的声发射参数序列存在分形特征,关 联 维数 Ｄ 可以较好地表征岩石内部损伤的发展规律。试验成果可为红层岩体失稳破坏的监测预警及风险评价提供数据支撑。      

拉压载荷下焊缝的磁记忆表征及热处理评价

为考察拉、压载荷下焊缝的磁记忆特征,测试Q235钢板焊缝进行拉、压载荷下的磁记忆(MMM)信号,分析焊缝正、反面MMM信号在拉、压载荷下的变化规律,并对比热处理前后MMM信号,研究热处理质量对磁记忆信号的影响.结果表明:拉伸载荷下磁记忆信号较压缩载荷下变化明显,焊缝正面应力集中较大,焊逢的热处理效果可以在磁记忆特征信号...     

甘新交界红柳河地区加里东晚期-海西早期韧性变形特征

宏、微观构造特征研究表明 ,红柳河地区造山期韧性变形大致可分两个阶段。早期形成南倾的面理、东倾的拉伸线理、鞘褶皱 ,变形具右行逆冲剪切特点 ,有限应变分析表明具压扁变形特征。晚期变形形成红柳河主干背斜、西倾的拉伸线理及红柳河—前进工区左行逆冲走滑剪切带。根据变形岩石和未变形岩石年龄确定变形期为加里东晚期—海西早期 ,变质变形特征显示变形层次属中浅构造层次     

区域变质岩构造模式

从分析面理的机理人手，在构造变形简单区建立模式，再在构造变形复杂区加以检验与补充，是区域变质岩构造模式建立的途径与依据。基本构造模式为下降阶段的岩石的压扁作用和重结晶作用，流劈理，以及沿ｘ－ｙ面相对位移的晶体变形；上升阶段的沿ｘ－ｙ面发生的顺层剪切劈理，片内褶皱，滑脱型韧性剪切带，拉伸线理与线状构造；压缩阶段的沿ｘ－ｙ面发生褶皱，逆冲型韧性剪切带，逆冲断层，以及破劈理、褶破劈理与折劈理，反映了一个造山带在沉降、隆起和褶皱三个时期的变形规律。沉降与隆起，一次抑多次，关系下降阶段变形和上升阶段变形的次数，区域变质岩构造模式依此有简单型和复杂型两种构造结构。     

基于结构性及各向异性的软黏土变形性状试验

针对结构性和各向异性两大要素对天然软黏土变形性状的影响,对上海天然沉积软黏土进行一维固结试验、K0固结试验以及三轴不排水剪切试验。结果表明:上海天然沉积软黏土具有明显的结构性及各向异性特征;压缩特性在结构屈服破坏前后存在显著差别,具有结构性软黏土所特有的分段特征;不同初始固结应力下的等压及偏压固结不排水应力路径曲线最终都趋近于同一临界状态;在初始有效固结应力低于软黏土的结构屈服应力时,应力-应变曲线呈应变软化型,随着初始有效固结应力的增加,当其超过结构屈服应力后,应力-应变曲线逐渐呈现硬化型特征;在初始有效固结应力相同且低于结构屈服应力的前提下,偏压固结模式所对应的不排水剪切峰值强度高于等压固结模式,且屈服后的应变软化程度相较于等压固结模式更高;在不排水剪切强度达到峰值后,等压和偏压固结模式下的应力-应变曲线逐渐趋于重合;在初始有效固结应力相等的情况下,等压固结模式下产生的孔隙水压力较偏压模式下要高。     

基于应力腐蚀和腐蚀疲劳的焊缝磁记忆信号分析

为了研究不同腐蚀条件下的焊缝磁记忆特征信号,对20号钢板状焊缝试件进行残余应力腐蚀、35kN恒拉伸应力腐蚀和35kN静载、25kN动载拉拉腐蚀疲劳对比实验,分析焊缝正、反面磁记忆信号的变化规律,获得焊缝腐蚀发展进程中应力腐蚀与腐蚀疲劳各自对应的磁记忆特征信号.结果表明:在应力腐蚀状态下,不同拉伸载荷对应的磁记忆信号特征不同,35kN恒拉伸应力腐蚀与残余应力腐蚀相比,焊缝区磁记忆信号峰峰值及其梯度更大,磁记忆曲线分布的分散度更大;35kN静载、25kN动载拉拉腐蚀疲劳与35kN恒拉伸应力腐蚀相比,焊缝区磁记忆曲线上下波动多,过零点次数多,磁记忆曲线分布的分散度小.这为磁记忆技术在焊缝工程检测的定性与定量分析提供基础数据.     

龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征

层状页岩的微观非均质性及力学各向异性对研究井壁稳定以及水力裂缝扩展形态具有重要意义。为了向页岩优化钻井、压裂工艺参数提供一定的理论和试验依据,对沿不同角度取心的页岩试样开展单轴压缩实验,配合场发射扫描电镜、原子力显微镜观测实验和波速测试等,研究龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征,并讨论这些物理力学特征对水力裂缝形态的影响规律。结果表明:受层理面的影响,龙马溪组页岩呈现出较强的微观非均质性和宏观力学各向异性特征。具体的,微观孔隙结构特征方面,随着观测方向与层理方向之间夹角β的增大,微观孔隙结构的发育程度逐渐增加,说明气体的储集和空间呈增加趋势;宏观力学特征方面,单轴压缩条件下,随着加载方向与层理方向间夹角θ的增加,页岩试样的破坏模式从贯穿层理面的张拉破坏,先转变为剪切破坏,再变为劈裂-剪切混合破坏;龙马溪组层状页岩的单轴抗压强度、泊松比随着θ的增加呈现出先减小后增大的"U"形各向异性模式,弹性模量、横纵波速则逐渐减小,胶结程度较弱的页岩层理面会先于基质体发生破坏,进而显著影响岩石整体的力学性质;页岩微观非均质性及力学各向异性特征在一定程度上影响压裂过程中水力裂缝的扩展行为,以及停泵后压裂液的渗流路径。研究结果可为页岩压裂工艺参数优选提供一定依据。