单轴应力下煤裂隙演化规律及数学表征

为了探究单轴应力加载过程中煤的天然裂隙结构演化规律及数学表征方法,基于计算机断层(computed tomography, CT)扫描试验,重构了能准确描述天然裂隙结构的三维数值模型,开展了煤样的单轴压缩数值模拟试验。引入长度、开度、裂隙度和分形维数表征裂隙空间形态,分析表征参数随载荷增加的变化规律,揭示了单轴应力加载过程中煤裂隙结构的演化特征。研究发现天然煤层内部多为小尺度裂隙,加载过程中裂隙演化可分为2个阶段:第一阶段,即加载初期,裂隙被压实闭合,对比未加载时,裂隙长度上限值下降44%,裂隙度下降35%,分形维数下降22%;第二阶段,随载荷增加,煤内部裂隙开始发育,峰值载荷时,长度平均上升10%,裂隙长度最小区间的分布频率上升12%,开度最小区间的分布频率上升50%。研究成果为揭示煤体在载荷作用下的裂缝扩展规律、有效实施水力压裂技术提供了理论依据。

单轴应力状态下石灰岩体静态破碎裂纹演化规律及应用

为了研究静态破碎过程中裂纹演化规律,采用真三轴岩石力学试验机对200 mm×200 mm×200 mm的立方体石灰岩试样进行了单轴应力状态下静态破碎试验,并利用声发射空间定位技术对静态破碎过程中裂纹起裂与扩展进行监测。结果表明:单轴应力下裂纹起裂位置为钻孔中下部,并先后形成两组裂纹,每组裂纹沿孔壁对称分布并大致成一直线;两组裂纹的扩展速率均先快后慢,分为快速增长和快速下降两个阶段,并且下降阶段的裂纹扩展速率小于增长阶段扩展速率;先生裂纹的扩展速度大于后生裂纹;每条裂纹的扩展速度具有方向的差异性,即平行孔轴向方向大于与垂直孔轴向方向;基于弹性力学、断裂力学理论,建立了静态破碎剂作用力与裂纹扩展半径的关系,并通过试验结果验证了该模型的合理性。将研究结果应用于某高瓦斯矿实际地质条件下的强制放顶工程中,确定了静态破碎强制放顶的基本参数,获得了良好的工业效果。

纯铝在单轴应力循环作用下棘轮行为的试验研究

对纯铝进行了单轴应变控制和应力控制下的系统循环试验．对纯铝应变循环下的循环应变幅值、应变幅值历史、平均应变对循环特性的影响进行了揭示，对纯铝在非对称应力循环下的应力幅值、平均应力及其历史对循环蠕变（即棘轮）的影响进行了分析，得到了纯铝单轴循环行为的一些有意义的结果．

单轴应力对煤自燃特性参数和导热系数的影响研究

为探究单轴应力作用下煤氧化和传热特性,利用自制荷载加压煤自燃特性参数测定装置对炉体内长焰煤煤样进行程序升温。结合程序升温过程中煤临界温度T_c和T_g,对其进行阶段划分:阶段1为30℃~T_c;阶段2为T_c^T_g。计算了不同单轴应力下2个阶段煤表观活化能和平均耗氧速率。根据能量守恒得出程序升温过程煤导热系数随温度的变化,进一步分析煤导热系数与单轴应力的关系。结果表明:阶段1单轴应力为4MPa时为临界轴压,煤表观活化能最大,平均耗氧速率最小;阶段2煤表观活化能和平均耗氧速率随单轴应力增大均呈抛物线变化,单轴应力为2.7 MPa时为临界轴压,煤表观活化能最大,平均耗氧速率最小;阶段1和2煤导热系数随温度升高均先减小后增大,并且煤导热系数随单轴应力增大呈三次函数变化。

水平单轴应力与横波反射系数

地球物理勘探中,地下应力的估测是非常重要的.本文利用应力诱导的弱各向异性的各向异性参数,借助已有的具有水平对称轴横向各向同性介质顾及高阶小量的横波反射系数近似公式,针对下介质为各向同性受单轴应力作用情况随应力的增加求取应力精度降低的问题,从横波反射系数近似公式的推导出发,联合SH波与SV波反射系数给出新的改进的单轴应力与横波反射系数的直观表达式;计算并对比了受单轴应力作用的各向同性介质的横波近似和严格的反射系数,并利用理论得到的横波反射系数对应力进行了估值.结果表明,利用改进后横波反射系数与应力的直观表达式,当应力增加时,应力估值精度有了明显的改善,这为利用横波反射数据直观估测应力提供理论依据.

单轴应力下热氧化SiO_2的介电电致伸缩系数研究

微机电系统和集成电路中常用的热氧化SiO2是各向同性材料,研究了其在单轴应力场中介电常数的变化规律。依据介质在自由和束缚两种边界条件下受到单轴应力作用产生的应变不同,从电动力学基本关系出发推导了各向同性电介质两种边界下的介电电致伸缩系数计算公式,表明介电电致伸缩系数是与电介质的初始介电常数、杨氏模量和泊松比有关的常数。计算得到热氧化SiO2薄膜在自由和束缚条件下的介电电致伸缩系数M12分别为-0.143×10-21和-0.269×10-21 m2/V2。搭建了基于三维微动台的微位移加载系统,测量了在单轴应力下微悬臂梁SiO2薄膜电容的变化,测量得到热氧化SiO2薄膜的M12为(-0.19±0.01)×10-21 m2/V2,表明实际SiO2薄膜介质层的边界条件处于自由和束缚之间。

单轴应力下烟煤氧化‒自燃灾变温度

为探究不同埋藏深度裂隙煤体氧化-自燃过程在单轴应力作用下的影响规律,本文通过荷载加压煤自燃特性实验平台,采用新疆硫磺沟矿区烟煤煤样,开展了施加单轴应力在0~8 MPa下的贫氧环境程序升温试验.根据加压试验中烟煤产生气体随温度的变化关系,计算了烟煤在单轴应力下升温过程表观活化能和耗氧速率.结合煤自燃氧化动力学和热解参数,阐述了单轴应力下煤体由缓慢氧化到快速氧化的非线性发展过程,并基于突变理论解算出试验条件下烟煤氧化-燃烧过程的突变温度和临界温度,确定出4个特征参数:突变温度T CO(CO表征)和THY(耗氧速率表征),临界温度T′CO(CO表征)和T′HY(耗氧速率表征),并分析了不同特征参数随单轴应力的变化规律.结果表明:热解气体浓度、表观活化能和耗氧速率随单轴应力增大呈先增大后减小再增大的三次函数规律(其中1.8和5.5 MPa时为临界轴压),1.8 MPa时表观活化能和各项特征参数数值最低,煤氧反应速率最快,耗氧速率最高;单轴应力为5.5 MPa时耗氧速率最大,煤体新生裂隙最多;单轴应力对TCO特征参数影响最大,煤自燃缓慢过渡到快速氧化的温度指标,由CO浓度表征的突变温度T CO表征最为准确.该研究结果对于矿井不同埋深煤自燃预警和防控具有重要理论指导意义.

单轴应力调控单层黑磷的能带、电子结构与光学性能

为了研究单层黑磷的物理性能及其应用,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了单层黑磷受单轴应力影响的能带结构、电子及光学性能。通过结构优化获得平衡态下的单层黑磷晶格常数。分别沿X轴与Y轴施加单轴应力,计算不同应力下单层黑磷的电子结构与光学性质。结果表明,黑磷带隙可以在0~1.346 eV被外部应力有效调节。X轴压应变为10%可使单层黑磷由半导体转变为金属性。在X轴或Y轴施加拉应变时,黑磷的光学图像会出现红移;当X轴或Y轴受压应变时,光学图像会出现蓝移。同时发现单层黑磷各项光学性质均对紫外光非常敏感。此外,发现单轴应力调控的黑磷具有较高的折射率。

扶手椅型石墨烯纳米带在单轴应力下的能隙调控

利用紧束缚方法研究了扶手椅型石墨烯纳米带沿其长度方向受单轴应力的电子能谱及能隙与形变量的关系.结果表明:在一定的应力下,3m和3m+1型纳米带的能隙随纳米带宽度的变化呈现零能隙拐点,而这种拐点随着非近邻项的逐渐计入向着纳米带宽度窄的方向移动.当带宽较窄时,无论非近邻项是否计入,除了3m+2外,只有3m的三近邻情形能隙与形变量(小形变)的曲线才有拐点;随着宽度的增加,除了3m+1的最近邻情况外,3种宽度3m,3m+1和3m+2都出现零能隙拐点.

疏松砂岩储层单轴应力敏感特征测试分析

测井中往往是根据三轴岩心测试结果来推导单轴应力下的孔隙度校正关系,这可能不适合疏松砂岩储层。针对岩石只在单向上或者垂向上产生形变的情况,设计单轴应力敏感测试装置,对取自渤海辽东湾疏松砂岩油气藏的12块岩心样品,测试分析单轴应力条件下的孔隙度、渗透率及岩石压缩系数变化规律。实验结果表明,在单轴应力条件下,岩心孔隙度与有效应力存在较好线性关系,岩心渗透率与有效应力存在幂函数关系和线性关系。疏松砂岩储层物性具有较强的应力敏感特征。

单轴应力下的孔洞-裂隙扩展规律数值模拟

为研究不同孔洞-裂隙(简称"孔-隙")赋存条件下的裂纹扩展规律,利用RFPA软件,对不同裂纹倾角及不同非均质系数下的岩体破坏进行数值模拟分析,获得其裂纹扩展过程、声发射规律、应力-应变曲线,同时与原试验结果进行对比验证。结果表明:完整试样裂纹沿着剪切方向产生,含孔-隙试样裂纹沿裂隙尖端及孔口侧边产生;翼裂纹贯穿试件的同时,在预制裂纹尖端或孔口侧边产生水平方向的次生裂纹,并产生分叉,非均质系数影响次生裂纹走向;压载前期试样以拉破坏为主,压载后期以拉-剪组合破坏为主,次生裂纹的产生与剪切破坏有关;声发射累计能量与声发射累计数前期缓慢增大,后期迅速增大,预制裂纹倾角越小,非均质系数越大,声发射累计能量越大;不同裂纹倾角及不同非均质系数试件的应力-应变曲线均经历3个阶段:弹性变形阶段、非线性变形阶段及残余变形阶段,孔-隙的存在降低了试样的峰值强度,影响试件的脆性度。研究结果为进一步认识孔-隙相互作用规律提供了参考。

单轴应力作用下花岗岩的稳定蠕变过程中声发射发生的自激过程

通过实验室的试验,发现了声发射(AE)时空分布的丛集现象。为了研究声发射发生的随机过程,测出了在不同应力水平下处于稳定蠕变阶段的声发射事件发生的时间。大岛花岗岩受不同强度的恒定单轴应力的持续作用。声发射事件的发生时间被分为油松过程和自激过程两部分;在后一过程中,前一个事件会激发下一个事件。应力越大源分布越集中,裂隙密度越大,自激发特性越强,这与在较高应力水平下源分布越集中的情况相符。

稳定粉质土单轴应力应变特性试验研究

对不同稳定粉质土进行了单轴应力应变试验,分析了曲线的特点,以及龄期和掺加量对曲线形状的影响,分别采用双曲线和软化曲线对新型固化剂稳定粉质土的单轴应力应变曲线进行了模拟研究,该试验研究对分析稳定粉质土的基本特性有较大的意义。

吉帕级单轴应力下Mn_(3)Sn单晶的磁化率增强

如何在室温下实现非共线反铁磁Mn_(3)Sn自旋的调控是一项挑战.本文通过对Mn_(3)Sn单晶施加GPa级单轴应力调控其磁结构,发现随着应力的增大,晶格常数a逐渐减小.此外,GPa级单轴应力下Mn_(3)Sn的磁化率(χ)不同于MPa级单轴应力下的结果,其值不再是一个定值,而是随着应力的增大而增大.当沿[1120]方向施加1.12 GPa应力后,χ达到0.0203μB/(f.u.T);当沿[0110]方向施加1.11 GPa应力后,χ达到0.0332μB/(f.u.T),为未变形样品的2.4倍.进一步的实验结果表明,GPa级的单轴应力打破了kagome晶格的面内六边形的对称性,从而改变Mn原子间的交换相互作用,增强体系的反铁磁耦合作用,使χ不再是一个定值.这一发现将会为反铁磁自旋调控提供新的思路.

单轴应力对一维镜像光子晶体光子局域态透射峰的影响

利用传输矩阵法研究了镜像异质三周期一维光子晶体中的光子局域态随单轴应力发生变化的特性.对于镜像异质三周期光子晶体,由于其镜像结构,破坏了光子晶体的有序性,产生了一个缺陷态,使其在较宽的光子禁带中心有一个光子局域态透射峰.研究表明:当对镜像异质三周期光子晶体施加单轴应力时,其中的光子局域态透射峰会随着应力的改变而发生剧烈的变化.当外部微弱的机械应力施加到光子晶体上时,对光子晶体形成一个拉伸应变,拉伸应变引起光子晶体结构的变化,进而大幅度影响光子局域态透射峰的透射率.结果表明:透射峰的透射率明显受单轴应力的影响.这些特性可为用此结构的光子晶体设计超高灵敏度压力传感器提供理论参考.

金刚石压砧内单轴应力场对物质状态方程测量的影响

金刚石压砧的几何结构使得在高压下封垫内的样品通常处于单轴应力场中:压砧轴向加载应力最大,径向应力最小.由于金刚石压砧内非静水压单轴应力场的影响,用传统的高压原位X射线衍射方法测得的物质压缩曲线一般位于理想静水压压缩曲线之上.利用金刚石压砧径向X射线衍射技术以及晶格应变理论,结合最近的钨、金刚石和硼六氧样品的高压原位同步辐射径向X射线衍射实验结果,从宏观差应力、样品强度、标压物质和待测物质强度的关系三个方面分析讨论了金刚石压砧内单轴应力场对物质状态方程测量的影响及解决方案.

单轴应力锗能带结构研究

用形变势理论讨论了单轴<001>和<110>及<111>张/压应力对锗导带各能谷(?能谷、?能谷及L能谷)能级的影响,采用包含自旋-轨道互作用及应力在内的六带k.p微扰法建立了单轴张/压应力作用下锗的价带结构模型,分析了锗价带带边能级随应力的变化情况,获得了锗导带底能谷能级分裂值、价带带边能级分裂值以及禁带宽度随应力的变化关系.量化数据可为单轴应力锗器件及电路的研究与设计提供参考.

单轴应力对量子阱红外探测器吸收波长的影响

以单轴应力作用下超晶格量子阱应变能带理论为基础,采用电子反射与干涉方法,研究了单轴应力对超晶格能带的影响,推导了单轴应力与超晶格导带子能级的定量关系。以GaAs-AlGaAs-GaAs为例,具体计算了导带中子能级对应力的依赖关系,进而给出了单轴应力对n型AlGaAs-GaAs量子阱红外探测器(QWIP)吸收波长的影响。计算结果表明,随着单轴压应力的增大,量子阱红外探测器的吸收波长表现出较明显的变化。当单轴压力增大到1.3GPa,量子阱红外探测器的吸收峰值移动了将近1.1μm,并且基本与应力呈线性关系。量子阱红外探测器吸收波长连续可调范围5.57～4.46μm。

钢-聚乙烯醇混杂纤维混凝土单轴受力应力-应变曲线研究

既有研究表明,在混凝土基体中同时加入钢(S)纤维和聚乙烯醇(PVA)纤维,形成S-PVA混杂纤维混凝土,可以显著提升混凝土的综合性能。在此基础上,依据钢纤维、PVA纤维长度和掺量的不同,设计了17组试验组,完成了单轴受力全过程试验。根据试验结果,定量分析了钢纤维、PVA纤维对于改善混凝土弹性模量、材料韧性、抗拉抗压强度及其峰值应变的影响;提出了实用的S-PVA混杂纤维混凝土单轴受拉和受压应力-应变曲线数学表达式。提出的计算公式与试验结果吻合较好,可以为混杂纤维混凝土结构的设计和非线性分析提供理论基础。