孔槽式圆盘破坏特性与裂纹扩展机制颗粒流分析

基于室内岩石类脆性材料圆盘试样巴西试验结果,利用颗粒流程序（PFC）,获得一组能够反映其力学特征的细观参数。在此基础上,对孔槽式圆盘试样进行巴西试验模拟,分析了裂隙倾角和半径比变化对孔槽式圆盘试样力学参数和裂纹扩展规律的影响。孔槽式圆盘试样力学参数显著低于完整圆盘试样,降幅与孔槽几何参数密切相关。劈裂荷载随裂隙倾角的增大呈非线性变化,而随着半径比的增大呈近似线性减小规律。通过分析认为,在试验模拟范围内保持半径比不变,当裂隙倾角较小时,孔洞是主裂纹起裂的主要诱因;裂隙倾角较大时,裂隙成为主裂纹起裂的主要诱因。保持裂隙倾角不变,当半径比较小时,裂隙是主裂纹起裂的主要诱因;半径比较大时,孔洞成为主裂纹起裂的主要诱因。最后,从细观层面探讨了孔槽式圆盘试样裂纹扩展机制。     

矿物——成矿与找矿

单颗粒矿物微量元素激光原位定量分析测试数据的大量积累和研究,使矿物成为矿床地球化学研究和矿床勘查的重要示踪剂。本文重点选择磁铁矿、磷灰石、石榴子石、榍石、锆石、绿泥石和绿帘石等的原位分析研究所获得的认识,介绍单颗粒矿物成分组合及变化在矿床类型划分、成矿年龄测定、氧逸度、成矿过程与物质来源、找矿与勘探等方面的应用。不同矿床类型中普遍存在的矿物,如磁铁矿、磷灰石等的微量元素含量及组合差异,提供了矿床类型识别的标志。单颗粒矿物,特别是矿石矿物和密切共生矿物如锡石、铌钽铁矿、赤铁矿、石榴子石、方解石等的原位定年,使成矿年龄的直接准确测定成为现实。矿物中变价元素,如Fe、V、Mn、Ce、Eu含量和/或比值的变化,指示了成矿过程氧逸度及其变化特点。从矿物核部向震荡环带与边部的微量元素含量或同位素组成的变化,示踪了成矿过程中流体来源或性质的变化。斑岩和矽卡岩矿床中与成矿作用关系密切的蚀变矿物,如绿泥石、绿帘石的形成温度、特征微量元素比值,如Ti/Sr、Ti/Co、V/Ni、Mg/Sr等,与距矿床中心距离呈线性函数关系,可定量预测距矿床中心的距离,使以绿泥石、绿帘石为代表的找矿指示矿物研究迅速发展。     

平台巴西圆盘研究综述及三维启裂点研究

总结了对平台巴西劈裂试验平台中心角的研究,归纳总结了抗拉强度计算公式的修正系数k。通过建立两种平台角的三维有限元模型探究试样内应力分布状态,通过对受压直径所在平面及过平台末端的竖直平面的受力分析,发现Griffith等效应力分布规律会随平台角的改变而改变,且在两种平台角下等效应力最大值均出现在平台边缘处。结合三维离散元方法模拟试验中裂纹开展过程,发现微裂纹最早集中于平台末端,但随着荷载的增加致使试样破裂的裂纹起始于试样中部。有限元的力学分析与离散元的破裂过程模拟可很好地相互印证。通过与试验现象对比发现,加工精度对裂纹模式有着重要影响,为保证由平台巴西劈裂试验测量岩石抗拉强度的有效性,在试样与试验机之间垫入垫片是较为可行的方法。     

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。     

堆石料颗粒形状对堆积密度及强度影响的离散元分析

颗粒形状不仅反映颗粒的形成历史,更是影响堆石料物理力学性能的重要因素之一,值得深入研究。采用颗粒流程序PFC3D,根据实际颗粒形状建立不同球度的颗粒模型,并提出了数值试验中获取不同相对密实度试样的流程。讨论了球度对最大、最小孔隙比的影响,其结论与已有试验统计结果基本相符。分别以孔隙比和相对密实度为密度控制指标,对不同颗粒形状的试样进行等向固结和常规三轴试验,并分析了配位数、颗粒长轴各向异性、接触各向异性、结构各向异性等微观变量的变化规律。结果表明,当颗粒圆度较高且级配均匀时,球度对峰值摩擦角影响较小,主要影响残余摩擦角的大小。颗粒形状发生变化时,配位数影响试样强度但不起决定性作用,颗粒形状主要通过影响试样内接触以及接触力的各向异性程度来影响试样宏观表现。     

多投影面下珊瑚砂砾颗粒形貌量化试验研究

珊瑚砂砾是一种由死亡的珊瑚、贝类等遗骸经过了漫长的物理与化学风化作用形成的一种特殊岩土介质。珊瑚砂砾颗粒具有易破碎的特点,其细观结构对岛礁地基的宏观力学性能有着重大影响,而砂土颗粒形貌的定量化一直是未能很好解决的技术难题。利用PartAn颗粒形貌观测系统可对同一砂土颗粒的多角度下投影图像进行研究,并通过多种参数对砂土颗粒的形貌进行评估,进而精确区分珊瑚砂砾中枝状、棒状、片状、块状颗粒的形貌特征,适用于不同形状砂砾材料的大量样本的快速测量。同时所得测试数据也可作为数值模拟的基础数据库,为随机生成不规则颗粒的手段提供了数据资源支撑。试验中对17万个单独颗粒进行了形貌量化分析,所得数据库量大,具有较高的统计可信度,同时免除了试验前人工挑选试样所带来的人为因素的干扰影响。所得珊瑚砂砾分形数据具有较高真实度,可为珊瑚砂砾在荷载作用下颗粒破碎的定量化提供可靠方法。     

粗粒土的颗粒破碎耗能及剪胀方程研究

颗粒破碎对于粗粒土的应力变形性质有显著影响。在Rowe剪胀方程的基础上考虑颗粒破碎耗能的影响,并引入颗粒破碎的演化规律对颗粒破碎耗能进行计算,得到了一个简单实用且对粗粒土适用性较好的剪胀方程。主要结论如下：（1）通过粗粒土的三轴CD试验结果分析并证明了弹性应变对于剪胀比的影响较小,因此,可以将剪胀比 表示为 ,进而得到了剪胀方程表达式的一般形式。（2）将剪胀方程中的临界状态应力比Mc折减为摩擦系数M,并引入了颗粒破碎的演化规律,将M定量表示为广义剪应变的函数,从而使得所计算的破碎耗能在剪切过程中是递增的,且逐渐趋于稳定值,符合了颗粒破碎不可逆的规律。（3）试验表明,剪胀方程中的未知量 与摩擦系数M之间呈现显著的线性关系,将该关系代入剪胀方程即确定了方程的具体表达形式,并且利用堆石料的三轴CD试验证明了其对粗粒土的剪胀性预测效果较好。     

考虑颗粒破碎的冻结砂土非线性本构模型研究

颗粒破碎是粒状材料在高应力状态下的一种基本现象。为了研究冻结砂土中颗粒破碎对应力应变关系的影响,将冻结砂土视为复合颗粒材料,忽略冰的压融,考虑内摩擦角随应力状态的变化,构建一个适用于冻结砂土的考虑颗粒破碎的非线性本构模型。构建过程分为三步,首先是基于三轴剪切前后颗粒分析对冻结砂土颗粒破碎模式和产生机理进行探讨;其次是基于考虑颗粒破碎的能量平衡方程,对冻土在三轴剪切试验过程中的颗粒破碎耗能进行分析,结果表明颗粒破碎耗能随轴向应变呈双曲线变化趋势;最后应用考虑颗粒破碎的剪胀方程修正沈珠江三参数非线性模型中的体积切线模量ν_t,得到一个考虑颗粒破碎的非线性本构模型,模型参数可以通过单轴压缩试验和常规三轴试验确定。将原模型和修正后模型的计算结果与控制温度为-6℃,围压为1 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa和10 MPa时冻结砂土的试验结果进行对比,结果表明该模型能够较好的模拟冻结砂土从低围压到高围压的应变软化特征与剪胀特征。