径向不耦合装药爆破下页岩的动态应变分布及损伤分形特征

为研究径向不耦合装药结构对炸药能量的传递和爆破效果的影响,提高炸药能量利用率,增强岩体破碎效果,通过将直径为50 mm,高度为100 mm的标准页岩试件钻孔后装填二硝基重氮酚,控制45 mg的小药量,同时设置1、1.5、2、2.5四种径向不耦合装药系数,进行爆破模型实验。通过超动态应变测试系统、互补集合经验模态分解方法处理试件轴向各测点应变波形,分析试件不同段应变规律,并基于计盒维数理论,计算比较应变变化以及各测点处截面的损伤分形维数,对比试件不同区段裂纹开展情况,结合应变曲线对四种径向不耦合系数爆炸能量传播规律进行分析。结果表明:通过对比应变曲线,总体上拉应变峰值大于压应变峰值,试件受到较大且反复的拉、压应力后,最终发生破坏。实验表明径向不耦合系数为1.5时显著提高炸药能量利用,能延长爆生气体作用时间。不耦合装药结构试件截面的损伤分形维数从上至下呈n型变化,当系数为1.5时试件各段损伤分布最均匀,裂隙区能充分扩展,爆破效果最好。

水力耦合下煤样声发射分形−渗透率模型及试验研究

煤样轴向应力加载-水压渗流作用下裂隙(孔隙)发展直接影响煤样试件的力学指标与渗流特性,文中通过理论解析与力学试验方法,分析了煤样试件裂隙(孔隙)主导下渗透率与声发射分形维数、振铃计数响应关系,建立了水力耦合作用下煤样声发射分形-渗透率模型,开展了不同围压(2~5 MPa,Δpw(渗透压)/p'c(围压)=0.75)下水力耦合煤样渗流试验,分析了不同围压(水压)下煤样试件的力学行为、声发射规律与渗流特征,探讨了不同围压下煤样试件的强度提升特点与破坏形态-声发射定位关系,验证了水力耦合下煤样试件的声发射分形-渗透率模型合理性。结果表明:煤样试件渗流试验中裂隙(孔隙)变化与声发射振铃具有一致性,裂隙(孔隙)扩展与声发射分形维数、渗透率密切相关,声发射分形、渗透率可用体积应变表征,基于声发射分形的水力耦合下煤样试件的声发射分形-渗透率模型可采用2段式数学模型解析;煤样渗流全应力-应变过程中渗透率表现为短时减少—长时缓慢增加—急速增加—小幅回落过程,振铃计数呈快速增加—减少—增加—减少波浪型发展,渗透率最小值滞后体积应变压缩与膨胀临界点,最小渗透率变化在0.124×10^(-17)~1.250×10^(-17)m^(2);随着围压(2~5 MPa)增加,煤样峰值偏应力、峰值轴向应变与峰值体积应变均呈增大趋势,线性特征显著,煤样峰值渗透率滞后峰值强度呈减小趋势,减幅达到93.34%,最大声发射振铃计数(对应峰值强度位置)表现为增加趋势;水力耦合下煤样试件有效黏聚力和有效内摩擦角分别提高到6.5116 MPa与36.56º,随着围压(2~5 MPa)增加,煤样试件的声发射信息由单斜面向不规整斜面过渡,主控破裂面角度由小角度向高角度转变,失稳由单块体剪切变为多块体压缩形态,试件破裂可采用声发射定位振铃计数表达;煤样试件声发射分形-体积应变、渗透率与体积应变、分形与渗透率3个试验曲线与理论曲线较为吻合,围压2~5 MPa试件压缩阶段相关性分别在0.882~0.999、0.950~0.998与0.849~0.997,围压2~5 MPa试件膨胀阶段相关性0.937~0.996、0.891~0.998与0.873~0.966。

大倾角工作面飞矸冲击破碎特征研究

飞矸灾害长期威胁大倾角、急倾斜煤层长壁工作面人员和设备安全,单一飞矸迁移过程碰撞破碎衍生出大量“子矸”,其动力损害具有突发性,揭示冲击载荷作用下煤岩体破碎特征是准确掌握飞矸动力损害的重要前提。综合运用分离式霍普金森压杆试验、数值SHPB试验和物理模拟开展冲击载荷作用下煤岩体破碎特征与碎裂机制研究,得到以下主要结论:高速冲击作用下煤岩破坏模式分为相对完整、单一劈裂和完全粉碎,破碎程度随着加载应变率增加而增加,分形维数D与应变率呈对数函数关系。相同应变率水平,煤岩抗压强度越小分形破碎程度越高;煤岩分形维数D与其几何尺度负相关;圆盘和立方体煤岩分形维数D与应变率均呈对数函数关系。立方体煤岩累积碰撞作用下内部节理裂隙发育,应力波传播呈现弥散性,在边缘应力集中并诱发破坏,即不规则形状煤岩外缘易率先与主体破坏分离从而导致其球形度增加。相反,飞矸运动过程棱角处更易受到碰撞而承受直接应力冲击而产生局部崩解。研究成果可为大倾角、急倾斜煤层飞矸灾害防控实践中挡矸网形状以及网格大小的选择提供一定的科学指导。飞矸涉及材料、几何等多源不确定因素,内部层理、裂隙分布及发育程度受开采扰动影响较大,其破碎分形特征更加趋于复杂,下一步将考虑以上因素对飞矸破碎特征的影响。

动载下玄武岩纤维混凝土能量耗散特征与破坏损伤规律

本文基于分离式霍普金森压杆试验装置,在4种不同的应变率下研究了4种不同玄武岩纤维掺量混凝土的破坏行为和能量耗散特征。结果表明:随应变率的增加,不同玄武岩纤维掺量混凝土的分形维数均线性增加,掺入纤维会降低分形维数增长的速率;混凝土的入射能、反射能、耗散能均呈线性增长趋势,透射能呈轻微下降趋势。随纤维掺量的增加,不同应变率下玄武岩纤维混凝土的分形维数先增大后减小,耗散能密度呈先增大后减小再增大的“S”形趋势。随着分形维数的增长,不同玄武岩纤维掺量混凝土的耗散能密度均呈线性增长。当纤维体积分数为0.1%时,混凝土的性能最优,可承受的损伤最大。

冲击载荷下砂质泥岩破碎分形特征

为研究砂质泥岩在冲击载荷下的破碎分形特征,采用霍普金森压杆试验装置,对砂质泥岩试样开展冲击压缩试验,探究其在5级冲击气压和2种长径比下的应力-应变曲线特征和破坏形态,并引入分形维数量化破碎程度和破碎块度分布,分析分形维数与加载值、强度值和能量值的关系。研究结果表明:冲击载荷下砂质泥岩破坏演化主要分为裂隙压实段、以弹性变形为主的弹-塑性稳定段、以塑性变形为主的塑-弹性非稳定段、宏观破坏段4个阶段,对于冲击前长度20 mm砂质泥岩试样,在裂隙压实段试样被压缩至19.86 mm,压缩量为0.7%;冲击载荷下砂质泥岩试样呈劈裂破坏,且破碎块度分布具有较好分形规律,长径比0.4和0.8试样的分形维数与应变率、动态抗压强度、破碎耗能密度均呈正相关;相同冲击气压下,长径比0.4试样对应变率和动态抗压强度的敏感性较长径比0.8更强;当破碎耗能密度相同时,长径比0.4试样较长径比0.8的分形维数更大。研究结果可为砂质泥岩顶底板巷道的防冲治理提供一定理论参考。

基于CT图像的煤吸附甲烷细观变形分形特性研究

为了定量化研究煤吸附甲烷过程细观变形的各向异性特征,通过ACTIS-CT扫描实验系统,开展了恒定温度下方型无烟煤吸附甲烷过程的吸附变形CT扫描实验;根据CT图像,采用质点追踪应变计算算法定量计算了吸附过程中煤内部细观结构的应变变形,讨论了其变化规律。在此基础上,提出了一种基于CT技术煤吸附气体细观变形的非均质性定量化研究方法,应用盒计数维数法计算了分形维数,定量评价了煤细观变形的非均质性,并基于分形几何和细观应变变形分布的物理描述,讨论了分形维数和甲烷吸附各向异性变形特性的关系。研究结果表明:煤吸附气体膨胀变形首先挤压孔隙或裂缝以获得更大的膨胀空间;煤吸附甲烷后引起的细观变形,其非均质性符合分形特征;分形维数与煤吸附甲烷后的膨胀变形率呈负相关性关系,膨胀变形率值越高,分形维数越低,即煤吸附甲烷后越膨胀,煤整体的非均质应变变形的不规则程度越低;相反,膨胀变形率值越低,则分形维数越高,煤整体的非均质应变变形的不规则程度越高。

冻融作用下玄武岩纤维混凝土动态压缩破坏与耗能特征研究

为探究玄武岩纤维混凝土在冻融循环境中的动态压缩破坏特征以及破坏耗能特性,采用φ50 mm分离式霍普金森压杆装置,对冻融循环次数为0次、10次、20次、30次玄武岩纤维混凝土试样分别进行冲击速度为7、11、15 m/s的冲击压缩试验。探讨了冻融循环次数和应变率对试样动态抗压强度、破碎耗能和碎块分形维数的影响,建立了动态抗压强度与冻融循环次数以及应变率的表达式,并对分形维数与冻融循环次数以及破坏耗能关系进行了分析,结果表明:增加冻融循环次数、增大冲击速度均会使试样的破坏程度加剧,且主要以劈裂拉伸破坏为主;降低应变率、增加冻融循环次数均会使玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度降低,且在冲击速度为7 m/s、冻融循环30次时,其动态抗压强度降低率最高,为32.44%;冲击破碎后玄武岩纤维混凝土碎块具有统计意义上的分形维数,冻融循环次数的增加和应变率的增大均会造成碎块的平均粒径减小、分形维数增大;破碎耗能与冻融循环次数的变化规律与动态抗压强度一致;此外,破碎耗能与分形维数之间存在一定联系,同一冻融循环次数下,分形维数越大,破碎耗能越大;同一应变率下,分形维数越大,破碎耗能反而越小。

确定变形温度和应变速率分形法的探讨——以郯庐断裂浮槎山构造岩为例

本文首次将分形法引入到对郯庐断裂浮槎山构造岩的分析上,经研究发现,郯庐断裂肥东浮槎山韧性剪切带构造岩动态重结晶石英颗粒边界具有统计意义上的自相似性和明显的分形特征。利用“周长-直径法”得出,随着样品糜棱岩化程度的增强,分维值逐渐增大,依次为1.204、1.213、1.222、1.229,动态重结晶石英颗粒粒径逐渐变小,依次相应为33.79μm、26.00μm、22.82μm、15.01μm,利用两种不同的求算方法进行比较分析,得出应变速率值逐渐增大,依次相应为4.837×10-13s-1、7.688×10-13s-1、9.682×10-13s-1、2.031×10-12s-1。研究区的岩石变形环境达到高绿片岩-低角闪岩相,形成温度为500℃左右。Kruhl温度计适用于该地区;而Takahashi应变速率计不适合自然界较深层次形成的韧性剪切带。

岩石单轴压缩试验的应力应变分形特征研究

为了定量描述岩石力学试验过程中得到的应力应变曲线的不平滑特征,提出一种新的表征岩石破坏过程的分形维计算对象——应力应变分形。应力应变的记录过程连续且受外界干扰相对较少,基于此计算的应力应变分形对于研究岩石的破坏特征具有实际意义。通过对两组花岗斑岩进行单轴压缩试验,得到其应力-时间曲线、应变-时间曲线和应力应变曲线,提取曲线关键位置的图像并计算其分形维。通过分析发现当应力、应变发生突变时,对应的分形值也发生突变,两者具有较好的一致性。

红河断裂带中南段糜棱岩分形特征及主要流变参数的估算

红河断裂带是一条经历了长期构造演化的块间构造变形带,该断裂的西南侧出露一套经韧性剪切形成的糜棱岩。研究区糜棱岩宏观上发育多种变形组构,如构造面理、线理、S-C组构等。微观变形特征有云母鱼、长石碎斑、长石和角闪石压扁拉长、碎斑旋转形成的压力影等;尤其是石英普遍变形,其特征有波状消光、核幔构造、动态重结晶、单颗粒压扁拉长及石英条带等;石英动态重结晶新颗粒尤其发育,重结晶的新颗粒边界具有锯齿状或港湾状等不同的微观特征,这些不同的特征记录了变形时的温压环境和流变速率。石英新颗粒分维几何统计分析表明:研究区石英动态重结晶颗粒边界形态具有自相似性,表现出分形特征。分维数值为1.150～1.180,变形温度大约500℃,同构造变质环境属高绿片岩相-低角闪岩相;初步估算应变速率可能低于10-8.4s-1,根据石英重结晶的粒径估算变形古应力为42.0～58.0MPa。

高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究

高应力条件下,岩石卸荷的力学响应特征及发生机制是高地应力地区岩体工程开挖稳定性评价及控制的关键问题。基于不同卸荷速率和初始围压条件下三轴高应力大理岩卸围压试验,结合分形理论和能量原理,研究高应力卸荷条件下岩石破裂块度分布规律及其与能量耗散和释放的相关性。高应力条件下三轴卸围压大理岩试样碎块分形性质具有较强的局部性,仅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸阈值)范围内表现出较好的分形性质,其碎块分维数均大于2,分维数随卸荷速率增大而单调减小,但初始围压对分维数的影响与卸荷速率密切相关。相对常规三轴压缩岩样,高围压下卸荷岩样虽然峰值点附近耗散和储存应变相对少得多,但其峰值前、后应变能转化速率相对大得多,特别是峰后的弹性应变能释放速率和环向膨胀消耗应变能速率。高应力卸荷条件下卸荷速率越快、初始围压越高,峰前损伤和峰后破裂贯通历时越短,峰值点处耗散应变能和储存弹性应变能越大,峰前、峰后应变能转化速率越快,破碎岩样的分形特征尺寸阈值越大,分维数越小,张性破裂程度和性质越强。

玄武岩纤维混凝土应力应变关系及孔结构分析

为了探究纤维掺量对玄武岩纤维混凝土宏、微观性能的影响规律,采用数字图像相关方法与微观气孔结构分析仪对不同纤维掺量的混凝土试件进行试验研究,通过数据回归建立了纤维掺量与平均峰值应力之间关系,给出了玄武岩纤维混凝土单轴受压应力-应变曲线上升段表达式;结合微观孔结构,建立了平均峰值应力与含气量、平均气泡弦长、气孔间距、比表面积相关公式,同时采用分形维数定量描述微观孔结构与玄武岩纤维混凝土抗压强度、弹性模量的关系。结果表明:玄武岩纤维的加入能够提高混凝土平均峰值应力和峰值应变,对试件应力-应变关系曲线上升段改变不明显;玄武岩纤维的加入能够减少混凝土内部缺陷,降低混凝土含气量、减小平均气泡弦长,使混凝土内部孔结构得到优化,孔隙分布较为均匀,抗压强度提高,割线模量有所下降。

库车前陆盆地构造特征及缩短量研究──以BC95-230剖面为例

库车坳陷是一种新型的前陆盆地，其构造样式以类型Ⅱ三角带为特征。复杂构造区的层面在二维平面内可看作为一条曲线，从而可运用分形几何学方法由分数维来定量描述。运用平衡剖面技术和分形方法，以ＢＣ９５－２３０ 剖面为例，进行了缩短量和剖面应变计算。分析结果表明，Ｎ１ 底界曲面的分维值为１．０４９１，缩短量达３５．２６７ ｋｍ ，表现出５０．０５％ 的应变。由于受层间滑动等多种地质因素的影响，平衡剖面技术计算结果存在较大误差。因此，要正确平衡地质剖面。

华北克拉通基底花岗质片麻岩变形和流变学研究——以辽西寺儿堡地区为例

辽西寺儿堡镇新太古代花岗质片麻岩内发育的宏观、微观构造变形特征表明该地区曾遭受了强烈的韧性变形改造。花岗质岩石变形程度在初糜棱岩–糜棱岩之间,岩石经历了SWW向左行剪切作用改造。岩石中石英有限应变测量判别结果表明,构造岩类型为L-S型,为平面应变。岩石的剪应变平均值为1.43,运动学涡度值为0.788~0.829,指示岩石形成于以简单剪切为主的一般剪切变形中。此外,石英颗粒以亚颗粒旋转重结晶和颗粒边界迁移重结晶作用为主,长石颗粒塑性拉长,部分发生膨凸式重结晶作用;石英组构特征(EBSD)揭示石英以中–高温柱面滑移为主;石英颗粒边界具有明显的分形特征,分形维数值为1.151~1.201,指示了中高温变形条件。综合石英、长石的变形行为、石英组构特征以及分形法Kruhl温度计的判别结果,推断辽西寺儿堡镇新太古代花岗质片麻岩经历过480~600℃的中高温变形,其同构造变质相为高绿片岩相-低角闪岩相。花岗质岩石的古差异应力为10.62~12.21 MPa,估算的应变速率为10^(–11.67)~10^(–13.34) s^(–1),即缓慢的变形,可能记录早期中高温、低应变速率的韧性变形过程,反映华北克拉通基底中下部地壳变形特征。

农业物料不规则应力应变关系的分形描述问题

提出了分形几何在农业物料和食品的不规则应力应变关系研究中的应用,指出分维既可以作为应力应变曲线的不规则程度的定量描述的有效手段,而且与物料或食品的结构特征和质构特征密切相关。文中对物料力学特性与微结构的相关性、分形重构以及分形上下尺度界限等有待深入研究的重要方面进行了讨论。

基于Najar能量法的混凝土分形损伤本构模型研究

混凝土损伤模型的研究,实质上是研究损伤变量对混凝土材料本构关系的影响。在外界因素作用下,材料的累积变形引起结构内部损伤的发展,最终将产生宏观裂缝直至破坏。在混凝土损伤破坏过程中,"凹凸无序"的断裂面和"杂乱无章"的裂缝是对混凝土宏观力学性能离散化、非线性、随机性的最直接的体现和表征。基于断裂面和裂缝的分形特性,得到了分形应力、分形应变的基本概念,使之能更为准确地描述混凝土的宏观力学性能。通过Najar能量损伤理论,利用分形应力与表观应力、多重分形应变与表观应变之间的关系,推导得出了混凝土分形损伤本构模型,重新定义了Weibull概率分布的混凝土损伤扩展规律,得到了基于压缩变形分形特性的损伤演化方程。

吉林省辉南地区含金韧性剪切带的构造地质特征

吉林省辉南地区韧性剪切带岩石变形特征复杂多样。通过对剪切带内岩石的有限应变测量和变形环境的分析 ,认为本区韧性剪切带发育在地壳浅层次的低温低压环境 ,为逆冲推覆韧性变形 ,其变形变质作用相当于低绿片岩相 ,具有独特的构造组合和岩石变形特征 ,差异应力值为 45～ 54MPa,剪切位移量约为 1 2 .5km ,形成时间为中元古宙。

薄壁圆盘裂纹的应变分形特征及诊断识别研究

运用有限元方法对裂纹圆盘进行动态特性分析,获得振型和应变响应。应用多重分形理论计算和分析裂纹圆盘应变响应的广义维数和敏感维数。把应变广义分形维数、敏感维数作为圆盘裂纹状态的特征量,对圆盘的裂纹诊断与识别进行定性及定量研究。通过计算得到圆盘裂纹的应变广义维数相关系数,用广义维数相关系数法对圆盘裂纹长度进行定量识别。通过对实例的识别分析,考查了裂纹长度的识别精度及广义维数相关系数法对裂纹长度的定量识别的实用性。

基于Hurst指数与盒维数的钻孔应变数据变化特征分析

形变观测数据是地震监测预报和地球科学研究的重要数据源,其中环境干扰排除、地震震例等异常数据的检测是形变观测数据推广应用的关键内容。针对形变观测数据中的钻孔应变观测数据,通过计算绘制功率谱图,研究其Hurst指数与盒维数分形特征,实现对观测数据中地震事件等异常数据的检测。实验结果表明钻孔应变观测数据符合1/f分布,其具有长时间记忆的分形特征,Hurst指数与分形盒维数变化都凸显出了地震等异常数据。随着信噪比的下降,钻孔应变观测数据的Hurst指数呈现下降的趋势,其盒维数呈现增加的趋势,进一步证实了Hurst指数与分形盒维数之和为2的关系,而它们的变化较大,表明具有较弱的抗噪能力。此研究结果可为地震研究提供理论基础。

风力机叶片应变响应分形特征及损伤识别研究

针对风力机叶片结构的运行工况,应用有限元分析方法,对叶片进行动力学建模、动力学特性及应变响应的分形特征研究。计算分析1MW风力机叶片的固有特性和应变响应,得到叶片的频率、振型和从额定工况到共振工况下的应变响应特征。并对叶片表面的动态应变响应进行广义分形特征研究,计算了其广义敏感维数和广义维数谱,用广义敏感维数对叶片表面的应变响应进行定量分析,找出叶片的应变响应分形特征。尝试用广义分形理论及敏感维数分析大型复合材料叶片的应变响应特征并用于损伤识别。