摩擦型岩土材料土拱效应微观机制颗粒流模拟分析

利用离散单元计算软件模拟太沙基活动门试验,从散粒体和微观角度研究在摩擦型岩土材料中产生土拱效应时颗粒位移、荷载传递的特点,并进一步研究了颗粒粒径、土体孔隙率、颗粒摩擦系数、活动门宽度以及活动门位移对土拱效应的影响。结果表明：由于土拱的作用,从拱脚往上一定范围内会将拱顶上方的竖向荷载转化成水平荷载并向两侧传递,同时伴随着两侧土体的侧向挤出。伴随活动门的下移,土拱效应在不断调整,增大颗粒粒径、减小孔隙率、增大颗粒摩擦系数、减小活动门宽度,不但可加强土拱效应,而且还能减小土拱效应的影响范围。     

城市集中供热中的热量传输平衡

一、概述 牡丹江市地处我国东北部气候寒冷,取暖期长达6个月之多,因此对于住宅热网的科学铺设和管理、热量计量等,如何因地制宜、合理确定热量计量,进而实现供热体制改革就成了我们长期关注和积极探索的任务。从热源通过热网到分配站（热力站）二次加压进入用户端,用户依据热量表示数或房屋面积交纳供热费用,是我市现行的两种供热运行方法。根据这两种模式对热力平衡和热量传输做如下探讨。     

热水条件下强烈速度弱化滑动行为的机制——压溶过程与摩擦本构参数的关系

为了深入研究辉长岩摩擦滑动的力学机制,近年来我们对辉长岩的两类主要矿物斜长石和辉石分别进行了实验研究,并发现这两种矿物在热水条件下的高温段(400～600℃)都出现了强烈的速度弱化.本文针对这种在以往摩擦滑动研究中不常见的速度弱化行为进行了物理化学机制的深入探讨.     

乌鲁木齐市断层附近地应力特征与断层活动性

为了查明乌鲁木齐西山—碗窑沟断裂带地应力分布特征, 在研究区20 km×20 km的范围内布置12个基岩应力钻孔,采用水压致裂地应力测量技术进行了基岩原地应力测量;共布置了2条观测剖面,第一剖面是沿断层走向布置了7个钻孔,第二剖面在垂直断层走向布置了6个钻孔(与第一剖面共用1个钻孔).根据实测的地应力资料,断层附近最大水平主压应力方向为NE—NEE向,与区域构造应力SN—NNE向主压方向有一些差异,说明受断层活动影响,断层附近的应力状态与区域应力场明显不同.利用地应力实测资料,研究了断层的活动性,在测量深度域内水平和垂直应力的关系为σ_H＞σ_h＞σ_v,该应力状态有利于逆断层活动,与地质资料反映的以逆断层活动为主基本一致.利用库仑摩擦滑动准则,摩擦系数取0.6~1.0分析,断层附近的现今地应力状态达到或超过产生逆断层摩擦滑动的临界值,表明测区现今构造应力有利于逆断层活动.     

岩盐断层带摩擦滑动的速度依赖性转换及其地震学意义

为了深入理解断层带摩擦滑动速度依赖性转换及其机制,利用双轴摩擦实验对干燥及含水条件下岩盐断层带摩擦的速度依赖性进行了实验研究,并观测了摩擦滑动过程中的声发射,分析了断层带的微观结构.实验结果表明,干燥岩盐断层带在0.1~100 μm/s的速度范围内表现为速度弱化,增大σ₂会使断层带向速度强化转变;含水条件下岩盐断层带在1~100 μm/s的速度范围内表现为速度弱化,而在0.1~0.01 μm/s的速度范围内表现为速度强化,速度依赖性转换出现在0.1~1 μm/s,其中断层表现为振荡或应力释放时间较长的黏滑事件;岩盐断层带在干燥条件下表现出很强的声发射活动,每个黏滑均对应一丛声发射事件,而在含水条件下一次黏滑只对应一个声发射事件.显微观察表明,局部化的脆性破裂是速度弱化域的主要变形机制,分布式的碎裂流动是干燥岩盐断层带在速度强化域的变形机制,颗粒边界迁移以及压溶作用的塑性变形是含水条件下岩盐断层带在速度强化域的主要变形机制,而脆性破裂和塑性变形共同控制着速度依赖性转换域断层带的变形.水的存在促进岩盐发生塑性变形,进而导致断层带从速度弱化向速度强化转换.上述结果有助于理解断层带上地震活动的特征和慢地震的机制.     

基于速度-状态摩擦本构定律的三维DDA方法

原有三维非连续变形分析(DDA)方法采用常摩擦系数的Mohr-Coulomb定律作为切向破坏准则,然而当描述更大尺度构造块体的运动与变形时,常摩擦系数不再适用.速度-状态摩擦本构定律能够定量描述地震周期各阶段断层面剪应力变化,解释发震断层行为.本文将速度-状态摩擦定律与三维DDA方法相结合,首先推导了计算摩擦系数的实用公式,随后通过滑动-保持-滑动实验与速度步进实验算例对改进的三维DDA方法进行了验证.结果表明,应用速度-状态摩擦本构定律的三维DDA方法能够比较准确地模拟静摩擦的时间依赖性与动摩擦的速度依赖性,解决了将三维DDA方法在地学中应用的基本问题.     

小尺度含水层热量运移试验研究及热弥散效应评估

将小尺度含水层热机械弥散系数模型应用于对流弥散传热过程中,推导了该条件下对流弥散热量运移的解析解,结合试验进行验证,对含水层热弥散效应进行评估,结果表明,热机械弥散系数等于1×10-2 W/(m?°C)可以作为热弥散对温度场影响的临界点,从而将热机械弥散系数的分布划分为不可忽略的三角区域和可以忽略的多边形区域;明确了自然含水层结构条件下纵向热弥散度范围,从小尺度的热弥散研究结果来看,纵向热弥散度最大值为厘米数量级,它与野外大尺度条件下热弥散度的研究成果有着显著差异,表明热弥散尺度效应的存在,这将是进一步开展研究工作的方向。     

软弱成分层对断层泥强度的影响

分别对不同含量的黑云母、石英均匀混合和黑云母以软弱层形式夹于石英中的2种断层泥在温度为100℃,有效围压为200MPa,水压为30MPa,剪切滑动速率为1.22μm/s的条件下进行摩擦实验。实验发现,当黑云母以软弱层存在时,强度随含量的增加呈负幂次衰减关系,5%的含量就会对强度产生很大的降低作用,当含量达到30%后,强度受含量的影响便不再显著,逐渐趋于稳定。而对于均匀混合样品,强度随黑云母含量的增加呈单调线性递减关系,即云母含量越高对应强度越低。显微结构显示,在混合样品中,黑云母和石英共同承担了变形的作用,分配关系与各自所占含量保持一致。而在含软弱层的样品中,变形与矿物含量间的关系不大,主要集中在黑云母软弱层中发生,而石英的变形程度不大。文中研究的结果定量地描述了软弱层对断层强度的显著影响,表明一旦岩石中的弱矿物富集并且连通,则会大大降低断层的强度,对弱断层或高角度逆断层的形成具有一定的启示意义。     

不同岩性下水对断层摩擦性状影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置, 在干燥和饱和水(浸在水中)条件下, 开展了砂岩、 大理岩和花岗岩的摩擦实验。 对比干湿条件下断层摩擦应力和声发射的演化特征, 讨论水对断层滑动性状的影响。 研究表明, 低正应力条件下, 砂岩和大理岩标本表现为稳滑, 而花岗岩则表现为粘滑; 岩体矿物成分、 孔隙率和以及滑动面的状况共同影响断层摩擦的稳定性; 干湿条件下摩擦强度的变化为水对断层滑动面和围岩抗剪强度影响的综合效应; 砂岩含有硬度较小的矿物, 初始粘结力低, 孔隙率高, 水对滑动面和围岩都起到弱化的作用; 方解石硬度和摩擦特性控制了大理岩的摩擦性状, 而标本含有穿晶和晶内微破裂增强了水对大理岩摩擦强度的弱化作用; 花岗岩组成矿物的硬度大且胶结紧密, 初始粘结力大, 孔隙率低, 因此摩擦性状对含水量的变化响应较小。 不同岩性的摩擦稳定性在干湿条件下均存在差异, 不同岩性断层摩擦性状对含水量的变化响应不同, 因此研究水库诱发地震时要考虑断层的岩性特征。     

建筑物出口的人员疏散研究

根据建筑物出口疏散的特点,提出了一种改进型的元胞自动机模型。研究了影响人员疏散速度的两个因素:人员之间的相互拥挤产生的冲突和人员移动到出口时由于转弯导致的移动速度减慢。使用数学方法推导得出了摩擦冲突函数和转弯函数。通过计算机仿真与实际疏散实验对比发现,在不考虑转弯因素的情况下,仿真结果与实验结果偏差较大,而在同时考虑相互冲突和转弯因素时的仿真结果与实验结果偏差很小,验证了这两个因素是疏散仿真不可忽略的因素。通过分析仿真结果,验证了本文所采用的模型和函数能够准确地反映实际疏散过程,具有较高的实用价值。