石灰岩热冲击破裂二维分形参数演化规律研究

为探究石灰岩热冲击破裂二维分形参数演化规律,应用高分辨X射线三维CT检测系统对经过不同温度热冲击试验处理的标准石灰岩试件进行观测,结合图像处理软件统计并计算石灰岩二维分形参数,对石灰岩热冲击破裂后的二维分形参数演化规律进行研究。结果表明：高温石灰岩在20℃水中热冲击冷却时,随着温度由200℃升至600℃,二维分形维数D单调递增,且D在200℃～400℃上升幅度小于400℃～600℃阶段。对于裂隙强随机分布的石灰岩,引入裂隙发育指数K,并得到在20℃水中热冲击下K关于石灰岩温度T的拟合关系式;400℃石灰岩在不同温度水中热冲击破裂,随着水温由20℃升至100℃,任意方向的二维分形维数逐渐减小,且具有方向差异性;400℃石灰岩在不同温度水中热冲击破裂,裂隙面三维分形容量维数与二维分形维数演变规律一致,且两者具有高度拟合的线性关系。研究结果可以丰富和发展高温岩石力学理论。     

岩体裂缝面数量三维分形分布规律研究

采用计算机仿真的数值试验方法,首先证明了岩体裂隙面数量服从三维分形分布规律这一自然现象。然后根据大量的计算以及理论推演,得到了裂隙面的2个重要的分形参数(分形维数和分形分布初值),以及分形维数DS和分形分布初值NS与二维剖面裂隙迹线分形参数DL,NL的相关关系。即二维分形维数与三维分形维数遵循:DL = DS-1,二维分形维数DL与裂隙面的其他参数无关;二维分形分布初值NL与三维裂隙面的倾角ST,方位角SP遵循投影关系;二维分形分布初值NL与三维分形分布初值NS遵循正比关系:NL = kNS,k值决定与岩体剖面和三维裂隙面的投影关系。实测结果证实了这些关系的正确性。这些结论为研究裂隙岩体的其他物理力学性质奠定了基础。     

初始裂隙几何要素对岩石裂隙分维演化的影响

采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对特定应力条件下岩石裂隙演化过程进行数值模拟,根据获得的不同应力状态下裂隙扩展的图片研究初始裂隙长度、裂隙数量对岩石裂隙分形维数的影响,根据岩石裂隙分维-应力曲线将岩石裂隙扩展演化过程分为五个阶段,分析不同阶段裂隙分形维数随岩石内部应力的演化特征,揭示初始裂隙几何要素对岩石裂隙分形维数的影响规律。所获得的理论成果,对于研究裂隙岩体在外界荷载作用下的裂隙扩展演化规律具有一定的参考价值。     

三轴等压条件下400 ℃内褐煤变形及结构衍化实验研究

 为深入研究褐煤原位注热开采过程物性特征的衍变,应用高温高压实验平台,研究7 MPa三轴等压条件下,Φ50 mm×100 mm褐煤以3 ℃/min升温速率由室温升高到400 ℃过程中及恒温恒载5 h的变形特征规律。并应用显微CT、压汞、液氮吸附解吸方法综合分析褐煤不同孔径范围的孔裂隙衍化规律。研究发现：热力耦合作用下,褐煤变形过程可以划分为缓慢膨胀阶段(室温～170 ℃)、剧烈压缩阶段(170 ℃～289 ℃)及缓慢压缩阶段        (289 ℃～400 ℃),褐煤脆性–韧性转变临界温度为180 ℃。恒温恒载5 h过程中,褐煤轴向线应变终值随温度的升高先增大后减小,最大值为2.5%(200 ℃),最小值为1.3%(100 ℃)。褐煤最大径向累积压缩应变约为19%        (400 ℃),最大体积累积压缩应变约为41%(400 ℃)。热力耦合作用下,褐煤变形对其结构衍化有重要影响。随着温度的升高,褐煤总孔隙率表现为先增大后减小,孔裂隙率极大值为21.46%(200 ℃),最小孔裂隙率为7.61%        (23 ℃);主要孔裂隙的孔径逐渐增大。褐煤孔裂隙率衍化具有较好的分形特征,随着温度的升高,孔裂隙率的分形维数表现为先减小后增大、分形初值则先增大后减小。     

基于三维CT图像的油页岩热解及内部结构变化特征分析

 利用显微CT试验分析系统,对油页岩样进行不同温度下的显微CT扫描,并应用三维衰减系数重建技术对不同温度下油页岩样内部孔、裂隙的演化特征进行分析研究,结果表明：(1) 在20 ℃～600 ℃温度范围内,油页岩样内部孔隙、裂隙的数量和规模发生了质的变化,从致密状态变为孔、裂隙发育的多孔介质。(2) 随着温度的升高,油页岩内部空隙团不断得到连通,从100 ℃时的只局限在一个很小区域的小规模,发展到200 ℃时的连通了油页岩内部立方体区域2个相对面的渗流通道,到600 ℃时,油页岩内部热解率达到了39.80%,最大空隙团在空隙团中的比例达到97.45%,空隙团已基本全部得到连通,形成了连通整个区域的渗流通道。研究结论对分析油页岩原位热解过程中油气的渗流通道的发展规律有重要意义。     

膨胀土裂隙发育的厚度效应试验研究

膨胀土的裂隙开展受到许多因素的影响,包括自身的土体性质,环境状况,边界条件、土体尺寸等。厚度对膨胀土等黏性土体的开裂规律具有重要的影响,为了探究这种重要因素在膨胀土失水收缩开裂过程中的具体影响规律,试验设置了4个具有不同厚度的大直径圆形泥浆试样。运用图像处理技术,通过记录试样的裂隙演化过程及质量的变化,定量分析裂隙面积分形维数、长度分形维数等指标随含水率下降的动态变化关系。试验结果发现:①厚度对膨胀土失水收缩开裂及裂隙扩展过程有明显影响,厚度较小的试样其裂隙发育充分,裂隙密集细长而纹理丰富;厚度较大的试样裂隙发育单一,裂隙宽大而边界效应明显,通过提出厚度和试样直径的比值,可以初步预估试样的裂隙发育情况;②裂隙面积分形维数受厚度的影响较小,而裂隙长度分形维数受厚度的影响较大,结合两者可以有效地对裂隙形态及分布进行表征,裂隙最终的长度分形维数一般在1～1.5,而面积分形维数基本维持在1.6～1.7。此外,结合土体开裂的张拉破坏理论以及试样的收缩蒸发情况,对厚度影响下的土体开裂差异进行了理论分析,进一步探究了裂隙的扩展规律。     

煤岩体在水中高压放电下致裂效果的定量评价

为了研究水中高压放电对低渗透性煤体的致裂效果,设计在3MPa水压中高压脉冲放电压裂试验,利用CT扫描系统和孔裂隙特征分析软件,通过研究煤样内部裂隙的几何形态参数、分形维数及裂隙宽度概率密度函数的变化,定量分析煤岩体在不同加载压裂方式下的裂纹扩展规律。研究结果表明:在相同水压条件下,高压电脉冲水压压裂煤体的效果明显优于单纯3 MPa水压的压裂效果;放电电压越高,煤样内部裂隙的数量和节点数量越多、总长度越长、平均宽度越宽以及裂隙率越大;放电电压越高,分形维数和裂隙分布初值的对数值越大,即裂隙越复杂,大裂隙所占比例越大;放电电压越高,裂隙宽度越宽,宽度分布范围也越广。由此可见,水中高压脉冲放电对煤体具有良好的致裂效果。     

强随机分布裂隙介质的二维逾渗规律研究

首先以介质中裂隙的方向分布为基础,将孔隙裂隙双重介质分为弱随机分布裂隙介质、分组分布裂隙介质、强随机分布裂隙介质3类。然后将岩体的主要渗流通道——裂隙引入到逾渗研究理论中,以裂隙数量分布分形规律的基础,建立了强随机分布裂隙介质的逾渗模拟方法。通过数值计算的方法研究了强随机分布裂隙介质逾渗现象与逾渗规律,得到了以裂隙分形维数、裂隙数量分布初值、孔隙率为变量的逾渗阈值的数学表达式。     

采动岩体分形裂隙网络演化规律的试验研究

利用相似材料模拟试验模拟采动岩体裂隙的形成过程和分布状态 ,运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙网络的演化规律。试验结果表明 :采动覆岩裂隙分形维数随工作面推进 ,经历了由小→大→小并趋于稳定的变化过程 ,在工作面推进距离相同情况下 ,冒落带分形维数是裂隙带的 1 0～ 1 2倍 ,裂隙带分形维数是弯沉带的 1 0～ 1 1倍     

不同温压条件下油页岩孔裂隙结构演化试验研究

为了研究进入热解状态后不同温度和压力条件对油页岩热解特性的影响,对φ7 mm×14 mm的油页岩试件进行300℃~600℃和5~15 MPa不同温压条件下且时长为12 h的热解反应试验,并综合利用显微CT、压汞和SEM试验进行精细化表征,以研究孔裂隙结构的演化特征及其规律。研究结果表明:温度是改变油页岩孔裂隙结构的最重要因素,随着温度的升高,热解破裂作用增强,尤以300℃~500℃的增幅最为明显,总孔容和孔隙率不断增大,孔径分布由小孔为主向中孔和小孔共同发育为主转变,高温作用下产生了不同尺度的裂缝,且裂缝数量逐渐增多,600℃下大裂缝的面积裂缝密度是300℃的8.1倍。外部压力的增长在一定程度上与热应力的作用共同促进了原有及新生孔裂隙团及通道的膨胀破裂,使得总孔容和裂缝数量均有所增加,在15MPa下孔隙率和面积裂缝密度均达到最大值,最大孔隙率是600℃且15MPa下的51.6%。油页岩的热解破裂作用同时受到矿物颗粒膨胀产生的热应力和干酪根的热解作用的共同影响,温度和压力的耦合作用加剧了油页岩的热解破裂程度,共同促进了孔裂隙的产生、扩展和发育。     

Char cracking of medium density fibreboard due to thermal shock effect induced pyrolysis shrinkage

Pyrolysis experiments were conducted on medium density fibreboard (MDF) in inert atmosphere and different ambient pressures, to investigate the char shrinkage and cracking. It is found that the char cracking under uniform heat flux is a typical thermal shock process induced by unbalance shrinkage along the sample thickness during pyrolysis. To predict the number of char fissures, the critical stress criterion and energy conservation theory are used to develop mathematical models under plane constitutive stress state, which reveal that under the same surface degradation the number of char fissures (blisters) strongly relates to the pyrolysis depth at cracking time. Increasing external heat flux decreases the pyrolysis depth and increases the number of char fissures. Both experiments and numerical modelling are used to validate the models. The experimental results show that the horizontal shrinkage is 11% of original length and the micro-structure of char fissures of MDF is less uniform compared to the one of natural wood with a cellular pattern. The surface stresses after cracking are found similarly close to the tensile strength under different heat fluxes, while the surface stresses are very different assuming no crack, which indicates the cracking process reduces the surface stress to lower than the tensile strength. The modelled cracking times are different from the observed cracking time as the fissures are hard to identify at its initial stage and only when they have expanded to certain size the fissures are visually observed. Using the modelled cracking time, the number of char blisters can be well correlated with the pyrolysis depth.     

甘肃北山地区深部花岗岩的热开裂试验研究

 通过岛津SEM全数字液压高温疲劳试验系统,实时观察不同温度下北山花岗岩的热开裂过程,获得北山花岗岩的热开裂临界温度为68 ℃～88 ℃。在较低温度时,北山花岗岩热开裂以沿颗粒热开裂为主;在较高温度时,热开裂以穿颗粒热开裂及沿颗粒穿颗粒混合热开裂为主。热开裂不仅受到矿物颗粒的热膨胀性质不匹配及热膨胀各向异性的影响,还受到矿物颗粒的物理、力学、热学性质及矿物颗粒形状结构的影响。而花岗岩内流体包裹体也可能是影响北山花岗岩热开裂的一种重要因素,这是种新的影响机制。在微细观层次对热开裂模式进行分类,并由热开裂的分形模型定量解释沿颗粒和穿颗粒热开裂等发生的难易程度。当温度升高超过250 ℃时,北山花岗岩有可能存在热熔效应,这导致热开裂裂纹数有减少趋势,并且温度与其对应的热裂纹数量的统计关系符合Gauss曲线关系。     

三维应力下热破裂对花岗岩渗流规律影响的试验研究

 采用“20 MN高温高压岩体三轴试验机”,精心设计4块完整花岗岩岩样。在25和75 MPa静水应力条件下,实时测试花岗岩岩样在热破裂作用下的渗流规律,这是国内目前首次对花岗岩在高温三维应力作用下渗流规律的实时试验研究。试验结果表明：(1) 在三维应力条件下,花岗岩发生热破裂。在热破裂升温过程中,花岗岩岩样的渗透率随温度的升高而表现为正指数增大的规律。(2) 在热破裂作用初期,花岗岩岩样渗透率随温度的增加而缓慢增加。在热破裂作用的后期,花岗岩岩样渗透率随温度的升高而急剧升高直至达到渗透率峰值。(3) 在整个热破裂升温过程中,各花岗岩岩样渗透率随温度升高而不断增加,渗透率变化率随温度的升高而不断加速。(4) 在静水应力和热破裂作用下,花岗岩岩样的渗透率峰值和初始值的比值最高可达93倍,其渗透率的变化率最高达3.5×10－4 mD/℃,热破裂作用极大地增强花岗岩的渗透特性。试验得到的数据和结论对高温岩体地热开发、石油二次开采及煤炭地下气化具有重要的意义。     

全氟己酮灭火剂热裂解产生氟化氢研究

通过管式裂解炉模拟全氟己酮灭火剂受高温裂解产生HF 的行为,研究影响HF 产生的条件,对比研究不同生产工艺的全氟己酮灭火剂以及其他氟代烃气体灭火剂热裂解产生HF 的情况。随着温度升高、停留时间加大,全氟己酮产生HF 的比重增大,不同生产工艺的全氟己酮裂解产生HF 的水平相当。与其他氢氟烃灭火剂相比,全氟己酮灭火剂热裂解初始温度低（500 ℃）,在中低温区（550～750 ℃）裂解产生HF 比例高。     

高温下页岩三轴压缩实验及井壁稳定研究

通过高温下页岩的三轴压缩实验,结合井壁稳定分析理论,进行了高温下页岩的力学特性及井壁稳定性研究.结果表明:高温引起页岩强度劣化,在温度低于150℃时,温度对页岩强度劣化主要体现在粘聚力弱化,在温度超过150℃时,温度会进一步导致页岩内摩擦角减小.钻井液与地层间的温差将在井周附加热应力,随着远离井壁,温差附加径向热应力先...     

Mechanical behaviours of sandstone containing intersecting fissures under uniaxial compression

Predicting rock cracking is important for assessing the stability of underground engineering. The effects of the intersecting angle α and the distribution orientation angle β of intersecting fissures on the uniaxial compressive strength and the failure characteristics of sandstone containing intersecting fissures are investigated through laboratory experiments and two-dimensional particle flow code (PFC2D). The relationship between the mechanical properties of sandstone and the intersecting angle α and the distribution orientation angle β is analysed. Crack initiation forms and the final failure modes are then categorised and determined via empirical methods. In addition, the cracking processes of intersecting fissures with different α and β values are discussed. The results show that variations in the peak stress, peak strain, average modulus, and crack initiation stress of sandstone containing intersecting fissures show a “moth” shape in the space of the α-β-mechanical parameters. Two crack initiation forms are identified: inner tip cracking (usually accompanied by one outer tip cracking) and only outer tips cracking. Two failure modes are observed: (1) the main fracture planes are created at the inner tip and one outer tip, and (2) the main fracture planes are formed at the two outer tips. Two main crack evolution processes of sandstone containing intersecting fissures under uniaxial compression are found. Approaches for quickly determining the crack initiation form and the failure mode are proposed. The combination of the determination equations for the crack initiation form and the failure mode can be used to predict the crack evolution. The approach for determining the crack evolution processes is hence proposed with acceptable precision.     

Fractals by Multigenerators

Abstract: Non-classical fractals generated by many generators are of interest. Random fractals caused by the random action of given generators and by random generrrtors are discussed The generators may have different scales. The fractal spectral function, the generalized fractal dimensions and scaling index are derived explicitly. Examples include the cracking patterns of concrete mix.     

Laboratory investigation of thermally induced desiccation of GCLs in double composite liner systems

The potential for desiccation of GCLs in double composite liner systems under thermal gradients is experimentally investigated. The effects of key initial and boundary conditions such as the GCL mass per unit area, initial GCL and subsoil water content, time lag between waste placement and temperature increase, the applied temperature gradient and the foundation layer thickness are investigated and discussed. The results suggest that surface temperatures of 39-45 °C, corresponding to thermal gradients of 59-67 °C/m, can induce sufficient thermally driven moisture redistribution to cause desiccation of GCLs. For surface temperatures of 29-37 °C and thermal gradients of 20-29 °C/m there was occasional slight cracking observed in about a quarter of the cases examined. Results of laboratory permeability tests on the virgin and exhumed samples are used to assess the self-healing capacity of GCLs.     

600 ℃内高温状态花岗岩遇水冷却后力学特性试验研究

 通过对600 ℃内高温状态花岗岩遇水冷却后的力学特性试验研究及花岗岩体遇水热破裂劣化机制的探讨,发现高温状态花岗岩遇水冷却过程中,由于岩体内温度急剧变化,岩体内产生热破裂或热冲击现象,岩体力学性能劣化,从而导致超声波速、单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量随温度逐渐减小。具体表现为：(1) 高温状态花岗岩遇水冷却后超声波速随着经历温度的升高呈负指数函数关系降低;(2) 花岗岩经过高温遇水冷却处理,峰值应力和峰值应变及其单轴抗压强度都受到很大影响;(3) 高温状态遇水冷却处理对花岗岩的抗拉强度影响明显,抗拉强度随温度的变化规律符合负指数函数关系;(4) 高温状态花岗岩遇水冷却后其弹性模量随温度的升高呈负对数规律减小。