基于分形理论的北京地区砂砾石地层细观建模

 土石混合体材料及相应地层中地下结构的力学行为及变形规律受到颗粒粒度组成与分布规律的影响。采用分形几何学对土石混合体的粒度分布进行描述,进一步明确了质量–粒径级配曲线与粒度分形维数之间的关系。在双对数坐标系 下对34组砂砾石土进行粒度分形,结果表明：北京地区砂砾石土粒度分布满足分形结构,其粒度分维区间值为2.4～2.6。根据统计的粒度分维区间,分析了颗粒级配随分形维数及最大粒径的变化规律,对土石混合体的力学性质及稳定性给出了新的认识。并将分形理论与室内试验颗粒级配分布结合,反演出土石混合体完整的颗粒级配分布。基于Monte-Carlo原理,结合分形理论,采用圆形或球体表征块石的形状,编写砂砾石地层模型生成程序,建立砂砾石地层模型,并针对隧道的开挖问题展开了数值分析。     

基于岩屑分形破碎特征的钻井工程能效评价模型

通过分析岩屑的分形破碎特征及钻井工况特点,应用分形岩石力学理论建立钻井工程能效评价模型,模型包括能耗评价模型和能效评价模型2个部分,目的在于研究钻井工程中破岩能耗及能效与岩屑分形破碎特征的关系。研究表明:岩屑粒度分布分形维数、最大粒径尺寸及岩石特性常数是破碎能耗的主要影响因素;水力净化系数、岩屑粒度分布分形维数是破岩能效的主要影响因素,分形维数越大能效就越高,水力净化系数越高能效就越高,影响规律呈现指数变化趋势,岩屑相邻粒度相似比对能效影响不大。     

粉煤灰的粒度分形评价及颗粒特征分析

针对不同细度的粉煤灰,引入分形理论探讨了粉煤灰的粒度分布特征,在激光粒度分析试验的基础上,计算了其各自相应的分形维数,证明了其不失为一种较好的评价粉体粒度特征的理论方法;同时对其颗粒性状如:在水泥基材料中的密实填充效应、颗粒形貌等进行了系统的试验研究,结果表明:70%水泥和30%超细粉煤灰颗粒混合相比于纯水泥颗粒能更好的满足Horsfield理想填充,而其特有的形貌特征使其在水泥基材料中具有较好的减水增强效应。     

考虑节理裂隙尺寸与方位分布的岩石统计损伤本构模型研究EI北大核心CSCD

为建立细观损伤与岩石宏观变形之间的定量关系,基于岩石强度的Weibull概率分布特征,结合损伤力学理论、统计强度理论与分形理论,考虑节理裂隙尺寸为分形分布和方位为正态分布的情况,建立岩石统计损伤本构模型和损伤演化方程,分析了损伤演化途径。给出与裂隙尺寸、尺寸分形维数和产状相关的本构模型参数,讨论了模型参数的物理意义和影响因素。结合前人试验测试结果加以验证,分析了统计损伤本构模型的合理性与不足之处。     

考虑节理裂隙尺寸与方位分布的岩石统计损伤本构模型研究

为建立细观损伤与岩石宏观变形之间的定量关系,基于岩石强度的Weibull概率分布特征,结合损伤力学理论、统计强度理论与分形理论,考虑节理裂隙尺寸为分形分布和方位为正态分布的情况,建立岩石统计损伤本构模型和损伤演化方程,分析了损伤演化途径。给出与裂隙尺寸、尺寸分形维数和产状相关的本构模型参数,讨论了模型参数的物理意义和影响因素。结合前人试验测试结果加以验证,分析了统计损伤本构模型的合理性与不足之处。     

盐岩储库腔底堆积物空隙体积试验与计算

受建库盐层本身地质特点影响,造腔结束后,底部一般会堆积大量不溶物。堆积物的存在既浪费了有效库容体积,又为整体建库施工带来了诸多不利因素。为科学评价该堆积物并进行有效处理或转变利用以增大库容体积,对其分布特征及堆积空隙体积进行了研究。通过室内溶腔实验获取了堆积不溶物样品,采用筛分法实验测定了其颗粒分布,并根据分形分布理论对其粒度分布特征进行了分析,进而基于可压缩堆积模型对堆积空隙体积进行了数值及模型研究。应用实例进行计算并与现场数据进行了对比评价验证,结果表明,在双对数坐标系下,腔底堆积物颗粒尺寸与累积数量呈线性相关,即其粒度分布可用分形分布函数进行表征,且分形维数作为分布特征参量能较好地描述颗粒均匀程度与集中性。     

砂岩颗粒孔隙分布分形特征与强度相关性研究

岩石的组成成分与内部结构对强度特性起到决定性作用,基于砂岩细观尺度下物质与结构研究,采用分形维数理论与数值计算相结合的方法构建颗粒孔隙分布特征与力学强度的相关关系,实现对岩石强度特性的快速评价与估测。结果表明:(1)颗粒孔隙呈偏态分布,即试件内部存在大量小尺寸颗粒孔隙,大尺寸颗粒孔隙较少,当颗粒几何比越接近1,表明颗粒圆度较高,否则多为针形或柱状颗粒密集分布;(2)采用直方图双峰法确定的合理阈值可以增加孔隙定量表征试验的可操作性,有益于对尽可能多被筛选中的颗粒孔隙面积、数量、尺寸等9项指标的提取;(3)表征单元格尺寸确定后,分形维数不随之相对变化。颗粒孔隙分布具备分形特征,可用维数来表征颗粒孔隙分布的复杂程度,即分布越复杂,维数值越大;(4)分形维数与岩石强度具有显著的负相关关系,相关度为0.834,即随着分形维数的增大,试件的强度逐渐降低。     

岩石显微空隙粒度分布的分形特征与岩石强度的关系

研究了大同燕子山煤层顶板岩石的显微空隙,粒度分布的分形特征及其与岩石强度的关系,显微镜下的统计分析与岩石力学实验表明,岩石的显微空隙与粒度分布都是自然界的分形,可用分维定量描述其复杂程度,同时,它们又都是影响岩石强度的重要因素,其分形维数与岩石强度具有显著的相关性,可据之估计岩石强度。     

岩石类材料损伤演化的分形特征

本文从几何学角度考察了岩石类材料损伤演化过程所表现出的统计自相似性,应用分形几何方法分析了岩石材料损伤演化的分形特征,得到了材料损伤演化过程中分形维数随载荷变化的关系曲线。研究结果表明:材料损伤演化过程是一个分形,分形维数是反映材料损伤程度的某一统计特征量.本文的研究为材料损伤断裂的分析开避了一条新途径。     

旋转钻井中岩石破碎能耗的分形分析

 通过旋转钻井中破碎岩石的能耗分析,应用分形岩石力学理论,从钻井过程中钻头破碎岩屑的粒度分布、能量耗散等角度,建立旋转钻井中钻头破碎岩石所需能量的分形描述模型,详细分析影响钻头破碎岩石能耗的因素。该模型显示出旋转钻井岩石破碎能耗不仅与钻压、转速等钻井参数关,还与地层岩石破碎体的尺度和粒度分布分形维数等因素有关。应用该模型不仅可以确定钻井过程中破碎岩石所需的能量,还可以反演计算,根据所需岩石的破碎能量优选钻进参数。将所建立的模型进行适当简化,可得到经典岩石破碎比功三大学说表达式,说明该模型具有一定的普遍性。     

Effects of initial particle gradation and rock content on crushing behaviors of weathered phyllite fills——A case of eastern Ankang section of Shiyan—Tianshui highway,China

The objective of this paper is to investigate the effects of initial particle gradation and rock content on the crushing behavior(i.e.grain size before and after crushing) of weathered phyllite fills.Compaction tests were conducted on weathered phyllite fills with rock contents of 35%,45%,55%,65% and 75%(by weight).First,the particle size distributions(PSDs) were observed before and after compaction,and then the particle breakage of weathered phyllite fills was analyzed by fractal dimension.Relative fractal dimension was proposed to evaluate the effects of initial rock content and initial gradation on the particle breakage.It was found that the fractal dimension method can well characterize the crushing behaviors of the weathered phyllite fills.The finer the fills were,the more they were compacted.That is,after the first compaction,the relative fractal dimension of the weathered phyllite fills increased as the rock content increased,reaching the values of 0.013,0.016,0.024,0.037 and 0.08,respectively.After the second compaction,these relative fractal dimension values,dominated by the initial particle gradation,became 0.059,0.072,0.052,0.095 and 0.118,respectively.In conclusion,the weathered phyllite fills with 55% rock content exhibited the least breakage and were most suitable for filling the subgrade.Findings in this paper will provide significant guidance for the construction of weathered phyllite filling subgrade in future projects.     

南水北调中线膨胀土/岩微观特征及其性质研究

对南水北调中线工程典型的强、中膨胀土/岩开展室内土工试验与X射线衍射试验,研究了其矿物成分及与胀缩性指标的关系,利用扫描电镜SEM图像进行了微观结构的定性分析,并基于MATLAB软件对孔隙和微结构单元体的微观特征进行了定量化研究,探讨了不同类型膨胀土/岩的颗粒形态、结构类型、裂隙分布等微观特征及其与工程特性的关系。结果表明：膨胀土/岩中的蒙脱石等黏土矿物含量高,强膨胀土/岩以絮凝结构,扁平状聚集体与卷曲片状颗粒为主,中膨胀土/岩以紊流状、粒状堆叠结构为主,片状聚集体与单粒体并存,前者微裂隙发育且定向性明显,孔隙比大,孔隙分形维数与颗粒尺寸小于后者。膨胀土/岩微结构单元圆形度低,复杂度高。膨胀岩定向排列特征显著,颗粒分形维数小,颗粒分形维数与膨胀潜势和孔隙比的变化规律一致。微观组分和结构特征与物性指标分别呈线性关系与负指数幂关系。     

云母石英片岩片理面力学特征试验研究

云母石英片岩的矿物成分和微观结构决定了其各向异性特征,通过铸体磨片和电镜扫描试验,获得了云母石英片岩的矿物组成和微观结构特征;通过三轴剪切试验,获得了微风化岩样片理面力学参数;通过强风化和中风化岩块的点荷载试验,结合强风化岩样的片理面剪切试验,得出了强风化和中风化岩样的片理面力学参数;按照材料力学理论,采用片理面力学参数计算得出岩样的最小单轴抗压强度,进而计算得出岩样的各向异性系数;以垂直片理面的抗压强度作为计算依据,计算得出岩样的风化系数,进而总结出岩样的各向异性系数与风化系数的关系,揭示了风化过程中片理面力学特征的变化规律。     

基于最紧密堆积理论超密实再生砂浆制备研究

再生混凝土或再生砂浆通常被认为力学和耐久性能较低,为研究再生水泥基材料性能,利用颗粒最紧密堆积理论,根据超细再生微粉和超细矿物掺合料颗粒粒径分布,将不同细度颗粒进行合理掺配,使胶凝体系最大程度上接近紧密堆积,制备出超密实再生砂浆,并计算粒径分布的分形维数,探讨其对抗压强度和孔隙率的影响。研究结果表明：最紧密堆积的混合料粒径分布具备分形特征,粒径分布的分形维数值越小,颗粒粒径分布越复杂,整体密实程度越高;粒径分布分形维数值较高的混合胶凝粉体,制备的试样早期强度较低。此外,利用最紧密堆积原理制备的超密实胶凝体系的孔隙率低于简单混合的胶凝体系试验组的孔隙率,孔径分布也更合理。     

单轴压缩条件下三峡坝基岩石破裂的分形特征

基于分形理论,研究了单轴压缩状态下三峡坝基岩石破裂的分形结构,结果表明,在单轴受压时,岩石破裂系和主破裂均表现出很好的分形性质,分维随着压力增加而上升。分维和为描述岩石破裂过程的参数,同岩石抗压强度和风化程度有很好的相关性,表征了岩石裂隙的形成演化特征。     

裂隙化岩体不连续面密度的分形研究

 不连续面密度是表征岩体内部不连续面分布特征的重要参数之一,但是岩体内不连续面的分布是随机的、不规则的,要想准确获得岩体不连续面密度的真实值是不可能的。基于现场调查的岩体露头不连续面特征,借助计算机模拟技术建立岩体不连续面分布的二维、三维随机裂隙网格模型,从数理统计学的角度计算岩体不连续面密度数值。并基于分形理论计算岩体不连续面分布的二维、三维分布特征,尝试建立岩体不连续面密度与分维数的数学关系。计算结果表明,岩体不连续面密度与分维数具有相同的变化趋势,随着不连续面分维数的增大,不连续面密度增大,不连续面密度与分维数之间存在线性关系。研究结果表明,不连续面分布的体密度和三维分形维数,可以更加综合地反映岩体内部不连续面的分布特征和空间信息及对岩体强度参数的影响,对工程应用具有更好的实际作用。且在此基础上,提出基于不连续面分布的体密度和三维分形维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。     

软岩崩解物颗粒分布特征研究

采集了某高速公路路堤填筑料软岩试样,查明该类软岩的矿物成分和基本物理力学性质。采用洒水和吹晒循环试验,模拟软岩在大气中的自然崩解过程。在试验过程中对崩解物颗粒筛分后进行质量分析,将不同粒径区间内的变化绘成曲线。从其变化趋势发现崩解物颗粒质量变化曲线是自相似的,在统计上是一个分形,并采用盒维数方法计算它的分数维。最终停止崩解时颗粒质量分布曲线的分数维稳定在某一常数。利用稳定分数维作为软岩路基、堤坝修筑施工工艺控制性指标,指导某高速公路路堤工程的施工,获得了质量优良的路基。结果表明分形几何是一种研究软岩崩解机理的有效方法,颗粒质量分布曲线的常分维值可以作为软岩吸水后崩解是否完成的判断标准。     

基于数字图像处理的土石体粗料分形特性研究

考虑到土石混合体各要素之间的作用与重要性,选取粒度分维、粗料颗粒分布分维、粗料轮廓分维以及孔隙分布分维作为土石混合体分形特性研究结构参数指标,作为土石混合体结构定量化研究的依据。基于数字图像处理技术,分别对25%、30%、35%、50%及70%五组不同含石量的土石混合体试样进行了拍照、数字图形处理及分析计算,研究了土石混合体粗料分布分维及粗料轮廓分形特性以及粗料分布分维与含石量的关系。结果表明:土石混合体的粗料分布具有很好的分形特性,其分维值在1.0～2.0之间;粗料分布分维值与图像大小和图像划分的等分数有关,图形的处理效果受光线、拍照距离、灰度值的影响;对于级配良好的土石混合体,粗料的分布分维与含石量呈抛物线关系,含石量越大,粗料分布值越接近2.0;土石混合体粗料轮廓线具有分形特性,定量反应了粗料颗粒形状和起伏程度,其物理意义与通常所说的圆形度相对应。     

THE FRACTAL CHARACTERISTICS OF ROCK FRACTURE IN DAM FOUNDATION OF THE THREE GORGES PROJECT UNDER UNIAXIAL COMPRESSION

The fractal structure of rock fracture in dam founda ti on of the Three Gorges Project under uniaxial compression is studied based on fr actal theory. The results show that the fracture system and the main fractures of rock under uniaxial compression tests are of highly self-similar characteris tic in statistics. The fractal dimension values of rock fracture raise with incr ease of pressure. The fractal dimension can be taken as a parameter to describe the process of rock fracture and there are good correlation among fractal dimens ion of rock fracture, uniaxial compressive strength and rock weathering deg ree. The fractal dimensions reflect the formational and evolutional features of rock fractures and the difference of rock weathering.