煤体微观力学特性的纳米压痕实验研究

煤体力学性质的测定与研究对煤炭高效开采和灾害预防具有重要的理论价值。煤较为松软破碎,强度较低,难以制备标准的力学测试煤样,也无法回收利用从而进行重复测试。亟需探索新的力学测试方法完善煤的力学特性研究。纳米压痕技术可以测定小尺度煤体微观力学特性,具有样品易制作、实验快速、样品无损的特点。结合矿物组分测试、形貌扫描和纳米压痕实验,研究了4种煤的物性特征及微观力学性质。结果表明,实验煤样矿物类别主要包括非晶态有机质和黏土、石英和碳酸盐类矿物,不同煤的矿物组分有显著差异。煤的3D形貌图显示不同煤表面粗糙度差异明显,煤中矿物分布具有显著非均质性。纳米压痕实验结果表明:①煤样中石英和碳酸盐类矿物质量分数越高,会导致煤样表面力学性质越强,压痕深度越小;②煤样表面的组分越复杂,煤的非均质性越明显,表面微观力学性质分布的离散程度越高;③煤的煤阶越高,变质程度越高,外部孔隙越发育,导致断裂韧度提高;④对压痕试验结果进行拟合,发现弹性模量与坚固性系数、弹性模量与断裂韧度均具有明显的线性关系,并且弹性模量与断裂韧度的线性关系受峰值载荷的影响。

峰前峰后循环加卸载对砂岩动力特性的影响

为深入分析砂岩峰前和峰后不同阶段的动力特性规律,开展单轴分级循环加卸载试验,综合分析下限应力对砂岩峰前峰后不同加卸载阶段的表观弹性模量、滞回圈面积、阻尼比、阻尼系数及动弹性模量等相关动力参数的影响。研究结果表明:①岩样在峰后因内部损伤加深和累积,相同下限应力下滞回曲线位于峰前右侧,且应变量增幅和最大应变增幅均随下限应力的增加而逐渐减小,说明峰后岩样虽然强度已达到极限状态,但只要岩石未完全破坏失稳,其致密性仍可以在高应力条件下的循环加卸载中得到增强。②砂岩在峰前峰后循环加卸载下的变化过程,可以通过表观弹性模量曲线斜率a值的变化得以体现,低下限应力循环加卸载试验中,致密性增强系数a_(1)>致密性劣化系数a_(2),斜率a均为正值,轴向应力对岩石整体的压密作用明显强于劣化损伤作用;随着下限应力升高,a_(2)的降低速率高于a_(1)的升高速率,a值逐渐减小甚至变为负值,说明轴向应力对岩石整体的压密作用逐渐弱于劣化损伤作用。③4组不同下限应力条件下,岩样峰后的滞回圈面积、阻尼比、阻尼系数均高于峰前状态,而动弹性模量低于峰前状态,说明岩样在峰后循环加卸载过程中内部劣化损伤程度高于峰前。

“23·7”京津冀地区暴雨洪水与土壤侵蚀调查——以河北省邢台市临城县为例

[目的]开展“23·7”(20230729—0801)京津冀地区暴雨洪水过程及水土保持调查工作,分析小流域的暴雨洪水过程以及暴雨所造成的土壤侵蚀状况,为水土保持决策提供科学支撑。[方法]采用野外调查的方法对河北省临城县皇迷东沟和梁家庄西沟开展洪痕测量调查并计算洪峰流量模数,分析暴雨洪水对小流域造成的侵蚀危害。[结果]①该次降雨持续时间长、雨强大。梁家庄西沟和皇迷东沟流域累计雨量分别达到1008.5和613.6 mm。②按洪痕法调查推算了洪峰流量,皇迷东沟、梁家庄西沟小流域洪峰流量模数为10.80和36.07 m^(3)/(s·km^(2))。坡度和水土保持措施是影响洪峰流量的主要因素。较大的坡度会使洪峰流量变大,而完善的水土保持措施可以起到有效的削峰作用。③调查小流域位于泜河流域上游,是该次暴雨中心和洪水的主要产流区,小流域洪峰流量模数大于下游水文站洪峰流量模数。④梁家庄西沟的侵蚀情况比皇迷东沟严重,主要原因是皇迷东沟的果园、梯田和谷坊的面积比例大于梁家庄西沟,皇迷东沟的平均坡度小于梁家庄西沟且梁家庄雨量站的降雨量峰值持续时间更长。[结论]良好的水土保持措施可以有效减少洪峰流量以及侵蚀现象的发生。实施水土保持措施是必要且有效的。应该进一步完善梯田、台地谷坊的建设。

基于分式二次规划的互模糊函数赋形方法

在开展认知雷达波形设计时,由于发射波形与接收滤波器的非匹配体制,互模糊函数赋形相比传统模糊函数赋形优化自由度更高。该文针对强杂波条件下微弱运动目标检测问题,以最大化信干噪比为优化准则,提出了一种联合发射相位编码序列与接收滤波器设计的互模糊函数赋形方法。在恒模约束下,优化问题被建模为二次分式规划形式;然后通过引入辅助变量,并利用共轭梯度法求解Stiefel流形空间上的最小化问题,非凸优化据此转化为恒模约束二次优化问题;通过交替循环和类幂迭代算法求得最优解。此外考虑到发射波形受硬件限制而难以实现严格恒模,该文构建了一种低峰均比约束二次优化问题模型,并利用最近邻向量法求得最优解。最后,不同参数下的仿真与实测数据实验表明,该文赋形方法相较于传统方法具有较高的信干噪比增益和收敛速度。

筋土峰值拉拔力的影响因素研究

为解决加筋土结构中筋土界面间复杂效应问题,采用筋材的微单元受力平衡方法,考虑剪切刚度与位移的影响,推导筋土峰值拉拔力计算公式;预测筋材在所受拉力不超过其峰值拉拔力的情况下各个位置的拉力及位移;在最大峰值拉拔力的范围内分析筋材有效加筋长度、剪切刚度对筋材位移的影响及其变化规律。结果表明,在峰值拉拔力一定的情况下,筋材的有效加筋长度与剪切刚度对峰值拉拔力的影响较为显著,而弹性模量对峰值拉拔力的影响较小,筋材位移随着筋材有效加筋长度、剪切刚度的增大而呈非线性减小。将采用筋土界面峰值拉拔力公式的计算结果与拉拔试验的试验结果进行对比分析,发现两者的最大峰值拉拔力相差不大,结果吻合较好。研究成果可以为加筋土工程提供一定的理论参考。

连江流域中小河流洪峰模数分布规律初探

以连江流域中小河流(200~3000 km^(2))实测洪水资料为基础,无资料地区由设计暴雨推求设计洪水,统筹考虑上下游、干支流和下垫面条件等因素,并结合历史洪水调查资料、已有工程规划和设计洪水成果、基础地理信息数据等,绘制连江流域中小河流不同重现期下洪峰模数等值线图,探索洪峰模数分布规律。结果表明:连江中下游的乳源南部、英德西北部、阳山南部、连南中部和南部等区域洪峰模数较大,防御洪水过程中应当加以重视。本次研究成果可为防御连江流域中小河流洪水提供参考和决策依据,对连江流域水文分析计算、水利水电工程规划与设计具有一定的参考意义。

基于大中型水库的湖北省洪峰模数空间分布规律研究

湖北省无资料地区设计洪水常采用设计暴雨间接推求,其洪水合理性分析时常缺乏洪峰模数分布图进行参考,给实际工作带来诸多不便。为此,本研究选取湖北省339座大中型水库,通过计算其不同频率洪峰模数,绘制湖北省洪峰模数空间分布图,系统分析湖北省不同频率洪峰模数空间分布规律。结果表明:湖北省50年一遇、100年一遇、1000年一遇、2000年一遇洪峰模数平均值依次增加;空间分布上,湖北省各频率洪峰模数总体上呈现西北低、东南高的特征,其空间分布与大等级降水的发生次数有一定的正相关性,与海拔高度有一定的负相关性。本研究可为湖北省无资料地区设计洪水估算及洪水成果合理性分析提供参考。

黏土岩各向异性轴向延伸试验

黏土岩具有极低的渗透性、裂缝的自密闭潜力及高吸附性的等优点,被运用于核废料封存主基岩。为了研究层理面对黏土岩的峰值强度、破环模式及弹性模量的影响,针对各向异性的黏土岩,通过实施一系列不同层理角度试样的轴向延伸循环加卸载试验。轴向延伸试验是在恒定的平均应力下同时增加径向应力和减少轴向应力来完成。试验结果表明,黏土岩轴向峰值强度与层理面有关。在与层理平行和垂直的方向达到最大,而在钻样取芯与层理方向的夹角θ=45°方向表现最低,不同层理分布试样的强度曲线呈U形。不同角度的岩石破环准则能较好地描述黏土岩轴向峰值强度特征。黏土岩破坏模式也因层理面而异,试样破坏主要以拉伸断裂为主,而在θ=45°方向表现压缩破坏。弹性模量在不同的层理角度表现出较大差异性,垂直和平行于层理方向的弹性模量数值明显大于其他方向。

自密实沙漠砂贫混凝土饱水软化后的力学特征与工程应用

基于饱水软化试验,对不同配合比下自密实沙漠砂贫混凝土饱水后的力学性能及变形特征进行了试验研究,结果表明:(1)饱水软化后抗压强度降低了约30%~40%,弹性模量降低了约12%~29%,与传统的压实土相比,饱水后的强度和刚度参数依然保持在较高的水平;(2)随着水泥含量的提高,其峰值应力对应的轴向应变略有增加,说明其延性在增强;(3)用自密实沙漠砂贫混凝土对沙湖750 kV变电站地面塌陷进行了灌注浆处理,现场试验取得了成功。

自密实沙漠砂贫混凝土的力学特征及其工程应用研究

基于室内模型试验,对不同配合比下自密实沙漠砂贫混凝土的强度和刚度参数进行了标定,结果表明:(1)自密实沙漠砂贫混凝土中水泥含量与单轴抗压强度和弹性模量近似呈线性增长关系;(2)水泥含量在11.9%~21.3%时,单轴抗压强度为1.5~7 MPa,弹性模量为120~360 MPa;(3)与普通混凝土相比,自密实沙漠砂贫混凝土峰值应力处的应变约为普通混凝土的10倍,表明其延性较好;(4)与传统压实土相比,自密实沙漠砂贫混凝土具有强度高和变形模量大的优势;(5)在适宜的水灰比下,沙漠砂贫混凝土可实现自密实,提高了施工速度和机械化水平,可用于公路快速拓宽、管廊回填、桥台台背快速回填和高边坡整体式路基等工程。

干湿循环处理后煤在差速循环荷载作用下的力学特征

在煤矿地下水库中,煤柱坝体处于动态扰动的干湿环境中,单一研究煤在干湿循环或循环加卸载条件下的力学特征不够全面、客观。针对该问题,通过试验研究了经过干湿循环处理后的煤样在差速循环荷载作用下的力学特征。将煤样分为4组进行试验,第1组处于自然状态,第2组干湿循环10次,第3组干湿循环40次,第4组一直浸泡在水中;设计了2种试验模式,模式1为快速加载、慢速卸载,模式2为慢速加载、快速卸载。重点分析了煤样应变、割线模量、泊松比随循环次数的演化规律,结果表明:加载模式对煤样的力学性质影响明显,煤样在模式1下的峰值和残余应变比模式2大;整个循环阶段没有发生破坏的煤样在模式1下产生了更大的割线模量增量;泊松比在前几个循环级缓慢增加,到最后2个循环级或破坏前的循环级中快速增大,经过干湿循环的煤样泊松比增量高于自然状态下的煤样。试验结果可为地下水库中的煤柱坝体稳定性设计提供安全方面的指导,以增强煤柱坝体的稳定性和安全性。

高强灌浆料加固灌注桩桩头研究

加固的桩头承载能力对静载试验成功与否至关重要,常规做法是采用混凝土进行桩头加固,但周期较长,且有时效果不好。统计表明,用混凝土加固的试验桩桩头,压爆数量占试桩总破坏数量的20%左右,基于此采用了高强灌浆料代替混凝土进行桩头加固。设计了水泥基高强灌浆料的配合比,制作了三组试块,轴心抗压强度试验结果表明,该材料短期强度发挥较快,1、3、7 d的平均抗压强度可以达到35.3、51.5、68.5 MPa。大量现场试验证明该材料加固混凝土试验桩在技术上是可行的,且具有很大的时间优势。针对不同承载力灌注桩,给出了桩头加固形式和龄期的建议。

砂岩高温后的力学特性

对焦作砂岩在常温及经历100℃～1 200℃温度作用后的力学特性进行试验研究,详细分析加温后砂岩的表观形态、峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊松比以及应力–应变全过程曲线等的变化情况,并对砂岩的高温劣化机制作初步探讨。研究表明,高温使砂岩的表观形态发生改变;在400℃以内,温度对砂岩的力学性能影响不大,加温对砂岩的某些力学指标有一定的增强作用;但经历的温度超过400℃后,随受热温度升高砂岩的力学性能发生劣化,砂岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,而800℃前砂岩的峰值应变随温度的升高而大幅增加;砂岩的变形大体随经历温度的升高而增大;600℃前砂岩的泊松比随经历温度的升高而减少,而后呈上升趋势。温度引起的热应力作用、矿物组分和微结构变化导致砂岩力学性质发生改变与高温劣化。

三种岩石高温后纵波波速特性的试验研究

对经受不同高温后熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的波动特性进行了研究,分析比较了三种岩石纵波波速、密度、弹性模量及峰值应力随经历温度的变化规律,并研究了纵波波速与密度,纵波波速与弹性模量,纵波波速与峰值应力的关系。结果表明,经历高温后三种岩石的纵波波速、密度、弹性模量及峰值应力均有不同程度的降低,且随着经历温度的升高,降低的幅度增大。此外,纵波波速降低的幅度均大于密度降低的幅度;而纵波波速与弹性模量、峰值应力的关系则依赖于不同的岩石而表现出不同的规律。

不同围压及应变速率下页岩变形及破损特性试验研究

为揭示围压及应变速率对页岩力学特性的影响规律,对志留统龙马溪组页岩试样开展了不同围压及不同应变率下的三轴压缩力学试验研究。结果表明,围压和应变率对页岩的弹性模量、峰值强度及破裂形态等均具有显著影响,弹性模量和峰值强度均随围压的升高而增加,峰值强度增加的幅度明显大于弹性模量,峰值强度呈线性增加趋势,低围压时应变率从低到高,弹性模量和峰值强度都呈逐渐升高的趋势,两者与应变率对数的关系可用二次多项式描述;随着围压增大,页岩的应变率效应逐渐减弱,在较高高围压(50 MPa)下峰值强度和弹性模量随应变速率增加而增加现象均变得极不显著。对试验后岩样的破坏模式进行分析可知,页岩在低围压高应变率状态下主要是劈裂–剪切破坏,随着围压的增加和应变率的减小,试样的破坏由脆性劈裂–剪切破坏向单一剪切破坏转变,再逐渐向延性破坏过渡。研究结果对于合理确立页岩力学参数及设计压裂方案具有较好的参考。

高温作用后花岗岩力学性能试验研究

采用液压伺服试验系统对经历不同高温后花岗岩的力学性能进行试验研究,分析了高温作用对花岗岩峰值应力、峰值应变、弹性模量、应力-应变曲线等力学性能的影响,结果表明:高温后花岗岩的力学性能随温度的升高而劣化,表现为随受热温度的升高,花岗岩峰值应力、弹性模量降低,峰值应变逐渐增大。此外本文还探讨了花岗岩峰值应力、峰值应变、弹性模量和应力-应变关系随温度的变化规律,并通过回归分析,得到了花岗岩峰值应力、峰值应变、弹性模量随温度变化的回归公式。

高温循环作用后混凝土力学性能试验研究

采用液压伺服试验系统对经历不同温度、不同高温循环次数后混凝土的力学性能进行试验研究,分析了不同温度、不同高温循环次数对混凝土峰值应力、峰值应变、弹性模量、应力应变曲线等力学性能的影响,结果标明:高温循环后混凝土的力学性能随循环次数的增加而劣化,表现为随高温循环次数的增加,混凝土的峰值应力、弹性模量降低,峰值应变增大。此外,还探讨了高温循环后混凝土的峰值应力、峰值应变、弹性模量和应力应变关系随高温循环次数的变化规律。

高温后石灰岩的物理力学特性研究

对焦作石灰岩在常温及经历100℃～800℃不同温度作用后的物理力学特性进行了试验研究,详细分析了加温后石灰岩的表观形态、体积、质量、密度和纵横波波速以及单轴下石灰岩的峰值应力、峰值应变和弹性模量等的变化情况,并对石灰岩高温劣化的影响因素进行了分析。研究结果表明,高温使石灰岩的表观形态发生改变:在400℃以内,温度对石灰岩的物理力学性质的影响不大;200℃以下石灰岩的体积略微减少,超过200℃后石灰岩的体积明显增大,石灰岩的密度随温度的升高而逐步减少;随温度的升高,石灰岩的纵、横波波速大都呈现下降;高温后石灰岩的波速比变化呈无规律性;高温后石灰岩的动弹性模量随温度上升而下降。经历的温度超过400℃后石灰岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,而800℃内石灰岩的峰值应变随温度的升高变化不明显。温度引起的热应力作用、矿物组分和微结构变化导致石灰岩物理力学性质发生改变与高温劣化。

加载速率对水泥沥青砂浆力学性能的影响

选择7种变形控制加载速率（0.3~30.0 mm/min）,采用电液伺服控制材料万能试验机测试了两种典型水泥沥青砂浆静态单轴抗压荷载下的应力-应变全曲线,分别获得了其峰值应力和弹性模量随加载速率变化的基本规律.基于建立的数学关系式对试验数据进行拟合,定量描述了加载速率对水泥沥青砂浆力学性能的影响.结果表明：沥青与水泥质量比（mA/mC）较低的水泥沥青砂浆其峰值应力和弹性模量相对较高,呈脆性材料特征;mA/mC较高的水泥沥青砂浆其峰值应力和弹性模量相对较低,呈韧性材料特征.随加载速率的增大,两种典型水泥沥青砂浆的峰值应力和弹性模量均呈增大趋势.然而,高mA/mC水泥沥青砂浆的速率影响因子是低mA/mC水泥沥青砂浆的6~10倍.随加载速率的增大,较高mA/mC的水泥沥青砂浆产生了韧-脆转化现象.

PPS/PTFE复合材料摩擦磨损性能研究

研究了聚苯硫醚(PPS)/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的摩擦因数、磨损体积、磨损后表面的微观形貌及损耗因子峰值、储能模量对摩擦因数的影响。结果表明,PTFE 的加入显著改善了复合材料的摩擦学性能,摩擦因数由纯样的0.35降至复合材料的0.11。随着 PTFE 含量从5%(质量分数,下同)增至15%,复合材料的摩擦因数从0.26降至0.11;复合材料损耗因子峰值越大,摩擦因数越小;初始储能模量越大,摩擦因数越小。