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岩体工程地质
实际工程中冻融循环作用下裂隙岩体损伤较为严重,研究其力学特性及损伤演化规律具有极大的现实意义。鉴于此,本文采用类岩石材料模拟不同长度裂隙对岩石力学性质及冻融损伤劣化的影响,通过试验结果分析冻融过程中岩石的变形破坏现象、抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线等在冻融循环作用与不同长度垂直裂隙相耦合作用下的变化规律,研究结果表明:岩石的抗压强度、弹性模量随着裂缝长度增大而不断降低趋势;试样在单轴压缩整个变形过程可以分为4个阶段:(1)孔隙裂隙压密阶段;(2)预制裂隙张开阶段;(3)主干裂隙扩展延伸阶段;(4)断裂破坏阶段。冻融作用对(1)、(3)阶段影响最为明显,冻融后(1)阶段明显增长,而(3)阶段中岩石伴随着主干裂隙扩展的次级裂隙明显减少;冻融后试样相对于冻融前破坏后更加松散破碎,伴随着大量岩粉、矿物颗粒的产生。而对于不同长度裂隙试样,随着裂隙长度增长,试样破碎程度提高,且破坏模式更为复杂。本研究成果可为冻融循环作用下裂隙岩体劣化损伤及断裂特性研究提供参考。 实际工程中冻融循环作用下裂隙岩体损伤较为严重,研究其力学特性及损伤演化规律具有极大的现实意义。鉴于此,本文采用类岩石材料模拟不同长度裂隙对岩石力学性质及冻融损伤劣化的影响,通过试验结果分析冻融过程中岩石的变形破坏现象、抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线等在冻融循环作用与不同长度垂直裂隙相耦合作用下的变化规律,研究结果表明:岩石的抗压强度、弹性模量随着裂缝长度增大而不断降低趋势;试样在单轴压缩整个变形过程可以分为4个阶段:(1)孔隙裂隙压密阶段;(2)预制裂隙张开阶段;(3)主干裂隙扩展延伸阶段;(4)断裂破坏阶段。冻融作用对(1)、(3)阶段影响最为明显,冻融后(1)阶段明显增长,而(3)阶段中岩石伴随着主干裂隙扩展的次级裂隙明显减少;冻融后试样相对于冻融前破坏后更加松散破碎,伴随着大量岩粉、矿物颗粒的产生。而对于不同长度裂隙试样,随着裂隙长度增长,试样破碎程度提高,且破坏模式更为复杂。本研究成果可为冻融循环作用下裂隙岩体劣化损伤及断裂特性研究提供参考。
高放废物深部地质处置目前受到世界各国的高度重视,处置库围岩岩体质量评价是高放废物处置库选址的关键问题之一。文章基于BQ系统对我国高放废物地质处置库阿拉善预选区巴彦诺日公NRG01号钻孔进行了岩体质量评价。NRG01号孔钻孔资料丰富,采用岩芯编录、波速测井、水压致裂地应力测量及岩石波速测试、单轴压缩试验等多种方法手段相结合的方式获取了BQ评价系统中的各个参数。评价过程中,综合考虑了岩体坚硬程度、完整程度及地下水、软弱结构面、初始地应力等因素对围岩稳定的影响。根据计算的[BQ]值对岩体质量进行评价并与RQD评价结果进行对比。评价结果表明,NRG01号孔岩体质量较好,Ⅰ级和Ⅱ级岩体占90%,410~500 m的岩体范围可作为处置库建设的目标岩体。[BQ]值与RQD值所得的岩体质量评价结果一致性良好,但由于BQ系统考虑的影响因素更为全面,评价结果更为精细。本次评价可为巴彦诺日公地段高放废物地质处置库场址比选及处置库目标岩体选择提供依据。 高放废物深部地质处置目前受到世界各国的高度重视,处置库围岩岩体质量评价是高放废物处置库选址的关键问题之一。文章基于BQ系统对我国高放废物地质处置库阿拉善预选区巴彦诺日公NRG01号钻孔进行了岩体质量评价。NRG01号孔钻孔资料丰富,采用岩芯编录、波速测井、水压致裂地应力测量及岩石波速测试、单轴压缩试验等多种方法手段相结合的方式获取了BQ评价系统中的各个参数。评价过程中,综合考虑了岩体坚硬程度、完整程度及地下水、软弱结构面、初始地应力等因素对围岩稳定的影响。根据计算的[BQ]值对岩体质量进行评价并与RQD评价结果进行对比。评价结果表明,NRG01号孔岩体质量较好,Ⅰ级和Ⅱ级岩体占90%,410~500 m的岩体范围可作为处置库建设的目标岩体。[BQ]值与RQD值所得的岩体质量评价结果一致性良好,但由于BQ系统考虑的影响因素更为全面,评价结果更为精细。本次评价可为巴彦诺日公地段高放废物地质处置库场址比选及处置库目标岩体选择提供依据。
为深入探讨岩体物理力学参数对凿碎比功及刀具磨损值的影响,本文以南疆铁路吐库二线,中天山隧道为研究对象,基于隧道掘进机法(TBM),对隧道围岩进行原位及室内实验,获得纵波波速、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、静弹性模量、黏聚力等基本力学参数。使用SPSS22软件分别对以上参数与凿碎比功及刀具磨损值进行相关性分析,结果表明其单因素相关性均较弱。而在以凿碎比功及磨损值分别作为因变量,以各物理力学参数为自变量进行多因素回归分析并对数据进行逐步法多项式拟合的条件下,得出两因变量与单轴抗压强度和岩体完整性系数均高度相关。在对拟合模型验证过程中发现,在单轴抗压强度大于100 MPa且岩体完整性系数大于0.5的条件下,使用该模型具有更高精确度。 为深入探讨岩体物理力学参数对凿碎比功及刀具磨损值的影响,本文以南疆铁路吐库二线,中天山隧道为研究对象,基于隧道掘进机法(TBM),对隧道围岩进行原位及室内实验,获得纵波波速、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、静弹性模量、黏聚力等基本力学参数。使用SPSS22软件分别对以上参数与凿碎比功及刀具磨损值进行相关性分析,结果表明其单因素相关性均较弱。而在以凿碎比功及磨损值分别作为因变量,以各物理力学参数为自变量进行多因素回归分析并对数据进行逐步法多项式拟合的条件下,得出两因变量与单轴抗压强度和岩体完整性系数均高度相关。在对拟合模型验证过程中发现,在单轴抗压强度大于100 MPa且岩体完整性系数大于0.5的条件下,使用该模型具有更高精确度。
针对金属矿山接触带复合岩体非协调变形现象,开展物理相似试样单轴压缩试验,结合理论分析,研究不同介质力学性质的差异对复合试样力学特性及破坏形式的影响。试验结果表明:复合试样的单轴抗压强度和弹性模量相对两种介质中较大的单轴抗压强度和弹性模量减小,减小幅度随介质力学性质差异程度(λ)的增大而增大,同时,随着差异程度(λ)的增大,复合试样逐渐由单斜面剪切破坏变为复杂的横向拉伸破坏。理论分析表明,不同介质泊松比的差异(Δv)导致接触面处产生非协调变形,形成的侧向约束应力弱化了复合试样的力学性能,通过引入非协调变形系数α量化了非协调变形程度与泊松比的差异(Δv)之间的相关性;构建了由两种介质力学参数确定的复合试样弹性模量的表达式和轴向应力-应变本构关系式。研究结果可为接触带复合岩体非协调变形破坏的进一步分析提供理论基础。 针对金属矿山接触带复合岩体非协调变形现象,开展物理相似试样单轴压缩试验,结合理论分析,研究不同介质力学性质的差异对复合试样力学特性及破坏形式的影响。试验结果表明:复合试样的单轴抗压强度和弹性模量相对两种介质中较大的单轴抗压强度和弹性模量减小,减小幅度随介质力学性质差异程度(λ)的增大而增大,同时,随着差异程度(λ)的增大,复合试样逐渐由单斜面剪切破坏变为复杂的横向拉伸破坏。理论分析表明,不同介质泊松比的差异(Δv)导致接触面处产生非协调变形,形成的侧向约束应力弱化了复合试样的力学性能,通过引入非协调变形系数α量化了非协调变形程度与泊松比的差异(Δv)之间的相关性;构建了由两种介质力学参数确定的复合试样弹性模量的表达式和轴向应力-应变本构关系式。研究结果可为接触带复合岩体非协调变形破坏的进一步分析提供理论基础。
为解决传统围岩分级方法对极软岩隧洞复杂性考虑不足的缺陷,引入模糊数学理论,选取单轴抗压强度、岩石完整性指标RQD、结构面间距、结构面特征、岩石含水量及干燥饱和吸水率6个因素作为评价指标,为避免评价指标赋值的主观性,利用熵权法计算各指标的权重,建立起围岩分级的熵权模糊综合评价模型。将该模型应用于印度尼西亚某在建水电站黏土岩隧洞围岩分级当中,选取15个待评洞段进行评价,结果表明,隧洞围岩以Ⅳ级或Ⅴ级为主,利用该模型计算的围岩分级结果与现场确定的围岩支护等级高度吻合,通过对比分析,认为该模型分级结果较传统RMR分级法更优,表明模糊数学理论可以解决极软岩隧洞影响因素的复杂性及模糊性问题,熵权法能够降低人为赋值的主观性,两者结合可实现对黏土岩隧洞的客观评价,该方法可为极软岩隧洞分级提供参考。 为解决传统围岩分级方法对极软岩隧洞复杂性考虑不足的缺陷,引入模糊数学理论,选取单轴抗压强度、岩石完整性指标RQD、结构面间距、结构面特征、岩石含水量及干燥饱和吸水率6个因素作为评价指标,为避免评价指标赋值的主观性,利用熵权法计算各指标的权重,建立起围岩分级的熵权模糊综合评价模型。将该模型应用于印度尼西亚某在建水电站黏土岩隧洞围岩分级当中,选取15个待评洞段进行评价,结果表明,隧洞围岩以Ⅳ级或Ⅴ级为主,利用该模型计算的围岩分级结果与现场确定的围岩支护等级高度吻合,通过对比分析,认为该模型分级结果较传统RMR分级法更优,表明模糊数学理论可以解决极软岩隧洞影响因素的复杂性及模糊性问题,熵权法能够降低人为赋值的主观性,两者结合可实现对黏土岩隧洞的客观评价,该方法可为极软岩隧洞分级提供参考。
研究结构面粗糙度的尺寸效应特征对全面理解结构面的力学性质有重要的意义。基于此,将随机数应用于投影覆盖法中,改进了投影覆盖法计算结构面分维数时三角形单元划分方法;在分辨率相同情况下,应用改进投影覆盖法计算了两个形貌特征不同的结构面(2 m×2 m)尺寸大小不同时的分维数;探讨了用取自不同区域位置相同尺寸结构面的最大分维数差值来判定结构面合理尺寸的方法。研究结果表明:(1)形貌特征不同的结构面尺寸效应特征不尽相同,一般情况下,随尺寸增大,结构面粗糙度先增大而后减小,即在小尺寸时表现为正尺寸效应,而后为负尺寸效应;(2)对于某一特定结构面,不同尺寸范围选取位置不同,其尺寸效应特征也不尽相同;(3)不同区域位置相同尺寸结构面最大分维数差值随尺寸的增大,其总体趋势为先减小而后逐渐趋于稳定。该研究结果是全面认识结构面粗糙度尺寸效应的有益补充,为确定结构面合理尺寸提供一条新途径。 研究结构面粗糙度的尺寸效应特征对全面理解结构面的力学性质有重要的意义。基于此,将随机数应用于投影覆盖法中,改进了投影覆盖法计算结构面分维数时三角形单元划分方法;在分辨率相同情况下,应用改进投影覆盖法计算了两个形貌特征不同的结构面(2 m×2 m)尺寸大小不同时的分维数;探讨了用取自不同区域位置相同尺寸结构面的最大分维数差值来判定结构面合理尺寸的方法。研究结果表明:(1)形貌特征不同的结构面尺寸效应特征不尽相同,一般情况下,随尺寸增大,结构面粗糙度先增大而后减小,即在小尺寸时表现为正尺寸效应,而后为负尺寸效应;(2)对于某一特定结构面,不同尺寸范围选取位置不同,其尺寸效应特征也不尽相同;(3)不同区域位置相同尺寸结构面最大分维数差值随尺寸的增大,其总体趋势为先减小而后逐渐趋于稳定。该研究结果是全面认识结构面粗糙度尺寸效应的有益补充,为确定结构面合理尺寸提供一条新途径。
土体工程地质
红层风化土具有遇水崩解特性,水稳性较差,在华南湿热多雨的气候条件下,极易发生崩解破坏,故研究其崩解特性及其控制机理成为实际工程中关注的热点问题之一。针对当前对红层风化土崩解特性研究的不足,自行设计了一套崩解试验装置,开展了不同含水率及密实度条件下华南典型红层风化土的崩解试验,并从组分及组构的角度分析了红层风化土的崩解破坏机理,然后在此基础上,通过掺入高性能酯类材料进行土壤改性试验,探索了提高红层风化土抗崩解性的改性控制方法。结果表明:土体初始含水率愈低、密实度愈小,红层风化土的崩解性愈强,崩解速率愈快,破坏现象愈显著;崩解控制因素主要为土体矿物成分、化学成分、孔隙裂隙及胶结物特征等;高性能酯类材料可以增强土体颗粒间的胶结作用及团聚程度,从而提高土体的水稳定性,进而控制红层风化土的崩解特性。研究对揭示红层风化土遇水崩解特性及其崩解机理,并从土壤改性角度提高其抗崩解性具有一定参考意义。 红层风化土具有遇水崩解特性,水稳性较差,在华南湿热多雨的气候条件下,极易发生崩解破坏,故研究其崩解特性及其控制机理成为实际工程中关注的热点问题之一。针对当前对红层风化土崩解特性研究的不足,自行设计了一套崩解试验装置,开展了不同含水率及密实度条件下华南典型红层风化土的崩解试验,并从组分及组构的角度分析了红层风化土的崩解破坏机理,然后在此基础上,通过掺入高性能酯类材料进行土壤改性试验,探索了提高红层风化土抗崩解性的改性控制方法。结果表明:土体初始含水率愈低、密实度愈小,红层风化土的崩解性愈强,崩解速率愈快,破坏现象愈显著;崩解控制因素主要为土体矿物成分、化学成分、孔隙裂隙及胶结物特征等;高性能酯类材料可以增强土体颗粒间的胶结作用及团聚程度,从而提高土体的水稳定性,进而控制红层风化土的崩解特性。研究对揭示红层风化土遇水崩解特性及其崩解机理,并从土壤改性角度提高其抗崩解性具有一定参考意义。
为了研究上海软黏土的蠕变力学特性,开展了排水和不排水条件下上海软黏土的三轴蠕变力学试验,分析了不同围压水平、加卸荷水平对饱和软黏土蠕变特性的影响,得到了不同试验条件下上海软黏土蠕变的力学特性。试验结果表明:围压水平及加卸荷水平对软黏土蠕变变形有一定影响;土体蠕变变形特性与排水条件密切相关,排水条件下,固结效应削弱了土体蠕变现象;同等条件加载过程中不排水条件下土体变形量大,卸载后不排水条件下土体回弹较明显;不排水蠕变试验加载过程中,孔隙水压力随时间发展的变化规律与土体蠕变变形规律相似;排水蠕变试验加载过程中,固结变形和蠕变变形同时存在,排水量曲线在卸载后没有出现明显下降。 为了研究上海软黏土的蠕变力学特性,开展了排水和不排水条件下上海软黏土的三轴蠕变力学试验,分析了不同围压水平、加卸荷水平对饱和软黏土蠕变特性的影响,得到了不同试验条件下上海软黏土蠕变的力学特性。试验结果表明:围压水平及加卸荷水平对软黏土蠕变变形有一定影响;土体蠕变变形特性与排水条件密切相关,排水条件下,固结效应削弱了土体蠕变现象;同等条件加载过程中不排水条件下土体变形量大,卸载后不排水条件下土体回弹较明显;不排水蠕变试验加载过程中,孔隙水压力随时间发展的变化规律与土体蠕变变形规律相似;排水蠕变试验加载过程中,固结变形和蠕变变形同时存在,排水量曲线在卸载后没有出现明显下降。
利用研制的平面应变模型加载及观测系统,研究了位移控制加载条件下含孔洞土样的破坏过程。孔洞内压及侧压由气囊施加。利用数字图像相关方法,获得应变场。通过布置测线的方式,研究了剪切带内外最大剪切应变及主应变轴偏转角的分布及演变规律。得到了下列结果。随着纵向应变的增加,含孔洞土样的最大剪切应变的分布经历由均匀变形向局部化变形的转化过程。对于剪切带外的测点,随着远离孔洞表面,最大剪切应变有增加的趋势,这与剪切带内损伤导致带外弹性应变降低(卸荷)有关。在孔洞表面附近,最大剪切应变变化复杂,这与应变弹性成分的下降与塑性成分的增加的博弈有关。对于剪切带尖端的测点,其和前后测点相比,水平线应变发生突增(剧烈膨胀),垂直线应变的值发生突降(挤压程度剧烈降低),剪切应变的值发生突增(剪切变形剧烈增加),由此导致主应变轴偏转角的值发生突增,达到30°。当纵向应变相同时,侧压或内压的增加对含孔洞土样的纵向应力有增强作用。 利用研制的平面应变模型加载及观测系统,研究了位移控制加载条件下含孔洞土样的破坏过程。孔洞内压及侧压由气囊施加。利用数字图像相关方法,获得应变场。通过布置测线的方式,研究了剪切带内外最大剪切应变及主应变轴偏转角的分布及演变规律。得到了下列结果。随着纵向应变的增加,含孔洞土样的最大剪切应变的分布经历由均匀变形向局部化变形的转化过程。对于剪切带外的测点,随着远离孔洞表面,最大剪切应变有增加的趋势,这与剪切带内损伤导致带外弹性应变降低(卸荷)有关。在孔洞表面附近,最大剪切应变变化复杂,这与应变弹性成分的下降与塑性成分的增加的博弈有关。对于剪切带尖端的测点,其和前后测点相比,水平线应变发生突增(剧烈膨胀),垂直线应变的值发生突降(挤压程度剧烈降低),剪切应变的值发生突增(剪切变形剧烈增加),由此导致主应变轴偏转角的值发生突增,达到30°。当纵向应变相同时,侧压或内压的增加对含孔洞土样的纵向应力有增强作用。
采用室内砂雨试验和颗粒流软件PFC2D,研究了颗粒粒径和摩擦系数对砂粒堆积结构压力特性的影响。室内试验是通过自制砂雨装置,选取不同级配的干砂、湿砂、湿砂+黄土,研究颗粒粒径和颗粒间摩擦系数对砂堆底部压力的影响;数值模拟利用PFC软件内置命令(ball generate)生成3种不同粒径的颗粒,通过ball property命令给颗粒间赋予6种不同的摩擦系数,从力链角度分析其对砂堆结构内部的影响。结果表明:颗粒粒径和颗粒间摩擦系数对砂堆结构底部压力具有显著的影响;相同摩擦系数条件下,颗粒粒径越大,堆积结构内部力链分布越稀疏,其底部压力越小;相同粒径条件下,砂堆底部压力随摩擦系数的增大呈先减小后趋于稳定的趋势,即摩擦系数对砂堆底部压力的影响存在上限值。 采用室内砂雨试验和颗粒流软件PFC2D,研究了颗粒粒径和摩擦系数对砂粒堆积结构压力特性的影响。室内试验是通过自制砂雨装置,选取不同级配的干砂、湿砂、湿砂+黄土,研究颗粒粒径和颗粒间摩擦系数对砂堆底部压力的影响;数值模拟利用PFC软件内置命令(ball generate)生成3种不同粒径的颗粒,通过ball property命令给颗粒间赋予6种不同的摩擦系数,从力链角度分析其对砂堆结构内部的影响。结果表明:颗粒粒径和颗粒间摩擦系数对砂堆结构底部压力具有显著的影响;相同摩擦系数条件下,颗粒粒径越大,堆积结构内部力链分布越稀疏,其底部压力越小;相同粒径条件下,砂堆底部压力随摩擦系数的增大呈先减小后趋于稳定的趋势,即摩擦系数对砂堆底部压力的影响存在上限值。
高位滑坡具有高隐蔽特性,失稳破坏后往往转化为流动性强大的碎屑流,成灾时间短暂且破坏性极强。由于碎屑流本质为碎裂岩体在重力作用下的高速远程运动,研究其堆积体的粒径分布情况用以分析灾害过程,对碎屑流危害预测具有重要意义。基于该认识,本文选用PCAS系统分析碎屑流堆积体影像数据,并基于此结果开展后续分析。本文以2017年贵州普洒村崩塌碎屑流为研究案例,步骤如下:首先,结合现场调查,拍摄无人机航拍图像;随后,统计灾害前后受灾房屋情况;最后,使用PCAS系统开展堆积体图像识别,并分析堆积体粒径分布情况以及分析粒径分布与房屋破坏之间的关系;研究可知:(1)PCAS系统识别堆积体颗粒效果好,精度高。(2)随着碎屑流的运移,堆积物小粒径占比增加。(3)大粒径出现了双峰分布,但总体上呈减少趋势。(4)在横向分布上,其一致性越来越优。(5)堆积体房屋具有"拦粗排细"的作用。综上可知,运用PCAS图像识别分析碎屑流粒径分布具有高效可靠的特点,能够在堆积体粒径识别领域发挥一定积极作用。 高位滑坡具有高隐蔽特性,失稳破坏后往往转化为流动性强大的碎屑流,成灾时间短暂且破坏性极强。由于碎屑流本质为碎裂岩体在重力作用下的高速远程运动,研究其堆积体的粒径分布情况用以分析灾害过程,对碎屑流危害预测具有重要意义。基于该认识,本文选用PCAS系统分析碎屑流堆积体影像数据,并基于此结果开展后续分析。本文以2017年贵州普洒村崩塌碎屑流为研究案例,步骤如下:首先,结合现场调查,拍摄无人机航拍图像;随后,统计灾害前后受灾房屋情况;最后,使用PCAS系统开展堆积体图像识别,并分析堆积体粒径分布情况以及分析粒径分布与房屋破坏之间的关系;研究可知:(1)PCAS系统识别堆积体颗粒效果好,精度高。(2)随着碎屑流的运移,堆积物小粒径占比增加。(3)大粒径出现了双峰分布,但总体上呈减少趋势。(4)在横向分布上,其一致性越来越优。(5)堆积体房屋具有"拦粗排细"的作用。综上可知,运用PCAS图像识别分析碎屑流粒径分布具有高效可靠的特点,能够在堆积体粒径识别领域发挥一定积极作用。
在已有氧化镁碳化固化软弱土试验研究的基础上,通过整体碳化固化技术进行了淤泥质土的室内模型试验。采用常宜高速公路现场河塘淤泥质土进行活性氧化镁的整体碳化试验,并对碳化处理土的温度、含水率和pH值进行测试,以分析氧化镁处理土的碳化反应程度;通过微型贯入试验和压缩试验以评价碳化固化土的承载力和压缩特性。结果表明,当淤泥质软土的初始含水率为35%时,MgO碳化后能取得良好的处理效果,土的状态由软塑全部变为硬塑,由微型贯入试验换算所得的允许承载力可达300 kPa以上;当初始含水率为46%时,二氧化碳的运移距离受到限制,整体碳化程度降低,承载力提高并不显著,仅达到可塑状态,而只有在通气孔附近以及土体表面等有限区域能得到有效加固;碳化法处理对淤泥土的压缩性有显著改善:即使只进行简单压实,也可以通过氧化镁碳化法使处理后土的压缩性降低。与其他淤泥质土处理方法对比,在施工要求低、排水不便的条件下可通过添加减水剂、细砂等辅助措施增大淤泥质土的透气性,使氧化镁碳化法处理淤泥土取得更好的处理效果。 在已有氧化镁碳化固化软弱土试验研究的基础上,通过整体碳化固化技术进行了淤泥质土的室内模型试验。采用常宜高速公路现场河塘淤泥质土进行活性氧化镁的整体碳化试验,并对碳化处理土的温度、含水率和pH值进行测试,以分析氧化镁处理土的碳化反应程度;通过微型贯入试验和压缩试验以评价碳化固化土的承载力和压缩特性。结果表明,当淤泥质软土的初始含水率为35%时,MgO碳化后能取得良好的处理效果,土的状态由软塑全部变为硬塑,由微型贯入试验换算所得的允许承载力可达300 kPa以上;当初始含水率为46%时,二氧化碳的运移距离受到限制,整体碳化程度降低,承载力提高并不显著,仅达到可塑状态,而只有在通气孔附近以及土体表面等有限区域能得到有效加固;碳化法处理对淤泥土的压缩性有显著改善:即使只进行简单压实,也可以通过氧化镁碳化法使处理后土的压缩性降低。与其他淤泥质土处理方法对比,在施工要求低、排水不便的条件下可通过添加减水剂、细砂等辅助措施增大淤泥质土的透气性,使氧化镁碳化法处理淤泥土取得更好的处理效果。
红黏土在工程应用中易随环境温、湿度的变化产生收缩变形甚至开裂现象,从而诱发产生诸多工程问题。在工程应用中掌握红黏土的收缩与开裂性能,才能及时做出有效的防治措施。为此,以内蒙古地区典型红黏土为研究对象,在明确其击实特性的基础上,分析了红黏土在不同击实次数条件下的收缩特性并结合图像处理技术进一步阐释了压实红黏土裂缝形态的发展规律。试验结果表明:红黏土的最大干密度随着击实次数的增加呈线性增加,最佳含水率随着击实次数的增加呈线性减小的特征;红黏土失水率曲线随干燥时间呈指数规律变化,干燥初期,试样水分迅速蒸发呈线性变化,随着干燥时间的延续水分蒸发量逐渐减少,失水率曲线趋于稳定;随着击实次数的增加试样收缩率增大,收缩指标(径向线缩率、轴向线缩率以及体积收缩率)随干燥时间呈指数规律变化。红黏土收缩几何因子小于3,表明其轴向收缩大于径向收缩,红黏土收缩具有各向异性的特点;红黏土的裂缝特征参数(平均裂缝宽度、裂缝总长度、裂隙率)也随击实次数的增加而增大。试样击实次数的增加破坏了土体的黏粒结构,导致土体对结合水最大吸附能力减弱,降低了土体的持水能力,从而使土体的失水率、收缩率以及裂隙率增大。因此,在工程应用中增加击实次数以期改善红黏土的收缩与抗裂性是低效不经济的。 红黏土在工程应用中易随环境温、湿度的变化产生收缩变形甚至开裂现象,从而诱发产生诸多工程问题。在工程应用中掌握红黏土的收缩与开裂性能,才能及时做出有效的防治措施。为此,以内蒙古地区典型红黏土为研究对象,在明确其击实特性的基础上,分析了红黏土在不同击实次数条件下的收缩特性并结合图像处理技术进一步阐释了压实红黏土裂缝形态的发展规律。试验结果表明:红黏土的最大干密度随着击实次数的增加呈线性增加,最佳含水率随着击实次数的增加呈线性减小的特征;红黏土失水率曲线随干燥时间呈指数规律变化,干燥初期,试样水分迅速蒸发呈线性变化,随着干燥时间的延续水分蒸发量逐渐减少,失水率曲线趋于稳定;随着击实次数的增加试样收缩率增大,收缩指标(径向线缩率、轴向线缩率以及体积收缩率)随干燥时间呈指数规律变化。红黏土收缩几何因子小于3,表明其轴向收缩大于径向收缩,红黏土收缩具有各向异性的特点;红黏土的裂缝特征参数(平均裂缝宽度、裂缝总长度、裂隙率)也随击实次数的增加而增大。试样击实次数的增加破坏了土体的黏粒结构,导致土体对结合水最大吸附能力减弱,降低了土体的持水能力,从而使土体的失水率、收缩率以及裂隙率增大。因此,在工程应用中增加击实次数以期改善红黏土的收缩与抗裂性是低效不经济的。
为进一步探讨饱和黏性土的弹黏塑性和变渗透性对一维固结进程的影响,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述饱和黏土的弹黏塑性,并用Taylor的经验关系式表示其渗透系数与孔隙比的关系,修正了太沙基一维固结理论,并利用有限差分法对方程进行求解。通过与一维流变固结试验结果对比,验证本文计算方法的有效性以及UH模型的适用性。在此基础上,讨论了UH模型参数、压缩指数与渗透指数的比值以及荷载强度等对固结过程的影响。计算结果表明:饱和黏土的黏滞性使得在固结初期地基内部出现了孔压升高现象,并减缓了固结中后期地基孔压的整体消散,增大了地基的沉降量,并且这种现象随着初始超固结参数的增大而更明显;另外,随着压缩指数与渗透指数比值的减小,地基固结进程会加快,但地基最终沉降量不受影响;同时,在固结后期,当压缩指数不大于渗透指数时,较小荷载强度对应的地基内孔压消散较慢,然而,当压缩指数大于渗透指数时,荷载强度对孔压消散的影响则相对很小。 为进一步探讨饱和黏性土的弹黏塑性和变渗透性对一维固结进程的影响,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型描述饱和黏土的弹黏塑性,并用Taylor的经验关系式表示其渗透系数与孔隙比的关系,修正了太沙基一维固结理论,并利用有限差分法对方程进行求解。通过与一维流变固结试验结果对比,验证本文计算方法的有效性以及UH模型的适用性。在此基础上,讨论了UH模型参数、压缩指数与渗透指数的比值以及荷载强度等对固结过程的影响。计算结果表明:饱和黏土的黏滞性使得在固结初期地基内部出现了孔压升高现象,并减缓了固结中后期地基孔压的整体消散,增大了地基的沉降量,并且这种现象随着初始超固结参数的增大而更明显;另外,随着压缩指数与渗透指数比值的减小,地基固结进程会加快,但地基最终沉降量不受影响;同时,在固结后期,当压缩指数不大于渗透指数时,较小荷载强度对应的地基内孔压消散较慢,然而,当压缩指数大于渗透指数时,荷载强度对孔压消散的影响则相对很小。
针对宁夏引黄灌区农业灌排工程中排水沟道边坡滑移问题,尝试采用土工袋装新技术砌护农田排水沟道。文中推导了基于土工袋砌护农田排水沟边坡的扩展简化Bishop公式并编写相应计算程序,分别对均质土边坡、土工袋砌护边坡以及考虑流沙地层条件时的均质土边坡和土工袋砌护边坡4种模式进行了稳定性分析。将程序计算结果及其搜索的滑移面位置分别与岩土工程专业数值分析软件GeoStudio2007的计算结果和土工袋砌护沟道示范工程的原位监测结果进行对比,结果显示:(1)相同模式下,自编程序计算结果与GeoStudio2007计算结果比较吻合,说明自编程序计算结果可靠;(2)土工袋砌护形式能使均质土坡的安全系数提高34.5%左右,但对于沟底存在流沙层的情况,仅靠土工袋加固,效果并不明显,建议采用土工袋与抗滑柳桩组合防护形式;(3)原位监测数据表明,土工袋砌护的边坡内部位移量随着深度的增加而增大,其规律与自编程序搜索的滑移面位置趋势基本一致;(4)土工袋砌护边坡的内部位移量、位移年变化量等均小于传统的草土柳桩支档边坡,边坡稳定性较高。 针对宁夏引黄灌区农业灌排工程中排水沟道边坡滑移问题,尝试采用土工袋装新技术砌护农田排水沟道。文中推导了基于土工袋砌护农田排水沟边坡的扩展简化Bishop公式并编写相应计算程序,分别对均质土边坡、土工袋砌护边坡以及考虑流沙地层条件时的均质土边坡和土工袋砌护边坡4种模式进行了稳定性分析。将程序计算结果及其搜索的滑移面位置分别与岩土工程专业数值分析软件GeoStudio2007的计算结果和土工袋砌护沟道示范工程的原位监测结果进行对比,结果显示:(1)相同模式下,自编程序计算结果与GeoStudio2007计算结果比较吻合,说明自编程序计算结果可靠;(2)土工袋砌护形式能使均质土坡的安全系数提高34.5%左右,但对于沟底存在流沙层的情况,仅靠土工袋加固,效果并不明显,建议采用土工袋与抗滑柳桩组合防护形式;(3)原位监测数据表明,土工袋砌护的边坡内部位移量随着深度的增加而增大,其规律与自编程序搜索的滑移面位置趋势基本一致;(4)土工袋砌护边坡的内部位移量、位移年变化量等均小于传统的草土柳桩支档边坡,边坡稳定性较高。
地质灾害
浙江省温岭市大溪镇的世界地质公园方山景区位于早白垩世磨石山群九里坪组的火山岩地层上。方山所具有的火山岩台地地貌景观的形成与构成方山台地的较坚硬且不易风化的流纹岩有关。据现场考察,方山景区的岩体具有层状结构,工程地质条件评价为良,但与游路相关的高陡反坡却存在着较多的落石,并在台风来临时还可能发生水带泥石落下的问题。它们在某些游客出现的部位有可能形成地质灾害的严重隐患。例如方山景区两宜亭景点就曾在2013年台风来临的季节发生了一次两宜亭被从上述高陡反坡顶部水冲下来的泥石砸坏。此外,作者还在两宜亭景点发现了散落在地面上的大量落石。显然,两宜亭景点存在严重威胁旅游安全的地质灾害隐患问题。在两宜亭景点地质灾害的防治方面,作者提出了基于工程地质学与旅游规划学相结合所形成的山地旅游规划工程地质方法来调整景区的游路,以达到既确保旅游安全又可维护方山景区原状的目的。 浙江省温岭市大溪镇的世界地质公园方山景区位于早白垩世磨石山群九里坪组的火山岩地层上。方山所具有的火山岩台地地貌景观的形成与构成方山台地的较坚硬且不易风化的流纹岩有关。据现场考察,方山景区的岩体具有层状结构,工程地质条件评价为良,但与游路相关的高陡反坡却存在着较多的落石,并在台风来临时还可能发生水带泥石落下的问题。它们在某些游客出现的部位有可能形成地质灾害的严重隐患。例如方山景区两宜亭景点就曾在2013年台风来临的季节发生了一次两宜亭被从上述高陡反坡顶部水冲下来的泥石砸坏。此外,作者还在两宜亭景点发现了散落在地面上的大量落石。显然,两宜亭景点存在严重威胁旅游安全的地质灾害隐患问题。在两宜亭景点地质灾害的防治方面,作者提出了基于工程地质学与旅游规划学相结合所形成的山地旅游规划工程地质方法来调整景区的游路,以达到既确保旅游安全又可维护方山景区原状的目的。
地面沉降是福州市的主要地质灾害之一,自20世纪中期以来就有监测资料显示福州市存在地面沉降问题。本文基于永久散射体雷达干涉测量技术(IPTA),处理了福州市2008~2014年间多时相、高分辨率TerraSAR-X数据,对福州市6年时间的地面沉降进行监测分析,根据研究区地面沉降历史、建设发展现状及沉降异常区分布,着重分析了复杂因素影响下福州市地面沉降的时空变化规律。结果表明:福州市总体年均沉降率-15 mm ·a-1左右,存在多个明显的快速沉降区;与1960~1990年的监测资料对比发现,沉降中心由地热温泉区向工程密集建设区转移;较大沉降区以快速线性沉降为主;地面沉降特征的变化受到多种复杂因素叠加影响,导致地面沉降空间扩张、速率加剧。该研究成果可为福州市或其他沿海城市地面沉降风险评估、地面沉降防控等提供一定的科学依据和参考。 地面沉降是福州市的主要地质灾害之一,自20世纪中期以来就有监测资料显示福州市存在地面沉降问题。本文基于永久散射体雷达干涉测量技术(IPTA),处理了福州市2008~2014年间多时相、高分辨率TerraSAR-X数据,对福州市6年时间的地面沉降进行监测分析,根据研究区地面沉降历史、建设发展现状及沉降异常区分布,着重分析了复杂因素影响下福州市地面沉降的时空变化规律。结果表明:福州市总体年均沉降率-15 mm ·a-1左右,存在多个明显的快速沉降区;与1960~1990年的监测资料对比发现,沉降中心由地热温泉区向工程密集建设区转移;较大沉降区以快速线性沉降为主;地面沉降特征的变化受到多种复杂因素叠加影响,导致地面沉降空间扩张、速率加剧。该研究成果可为福州市或其他沿海城市地面沉降风险评估、地面沉降防控等提供一定的科学依据和参考。
数值模拟是研究高速远程滑坡的重要手段。本文以茂县新磨村滑坡为例,提出一种三维大规模滑坡离散元建模与数值模拟方法。基于离散元法宏微观转换公式和数值模拟测试,快速得到与滑坡体砂岩力学性质类似的离散元堆积模型。并结合滑坡数字高程数据和地层信息,建立起符合滑坡实际地层条件和岩体力学性质的三维离散元薄壳模型,模拟了新磨村滑坡启动、高速下滑和堆积的全过程。模拟结果与实际的滑坡堆积体在形态和分布上非常相似,并且模拟的滑坡速度场变化特点和时间范围与理论估算与实测地震信号较为一致,验证了数值模拟结果的可靠性和方法的有效性。论文共享了数值模拟源代码,可快速构建三维滑坡数值模型,为高速远程滑坡的数值模拟研究和相应灾害范围评估提供一个可选的方法。 数值模拟是研究高速远程滑坡的重要手段。本文以茂县新磨村滑坡为例,提出一种三维大规模滑坡离散元建模与数值模拟方法。基于离散元法宏微观转换公式和数值模拟测试,快速得到与滑坡体砂岩力学性质类似的离散元堆积模型。并结合滑坡数字高程数据和地层信息,建立起符合滑坡实际地层条件和岩体力学性质的三维离散元薄壳模型,模拟了新磨村滑坡启动、高速下滑和堆积的全过程。模拟结果与实际的滑坡堆积体在形态和分布上非常相似,并且模拟的滑坡速度场变化特点和时间范围与理论估算与实测地震信号较为一致,验证了数值模拟结果的可靠性和方法的有效性。论文共享了数值模拟源代码,可快速构建三维滑坡数值模型,为高速远程滑坡的数值模拟研究和相应灾害范围评估提供一个可选的方法。
为研究地震作用下微型桩群桩支护均质土滑坡的地震动力响应特性,依托大型振动台,设计完成几何相似比为8:1(原型:模型)的物理试验模型。试验以El Centro波、汶川波、Kobe波以及不同频率的正弦波为激励波,研究地震动力作用下微型桩群桩的破坏模式、加桩后土质滑坡的加速度响应规律等。试验结果表明:(1)地震激励后微型桩的破坏模式与静力情况类似,呈反"S"型变形,弯曲破坏范围主要分布在滑面上1.4~4倍桩径内和滑面下1.4~3.4倍桩径内。(2)不同频谱特性的地震波激励时,滑坡加速度响应不同。激励频率越靠近滑坡自振频率,其加速度响应越强烈。微型桩群桩支护滑坡的加速度响应具有高程放大效应,且激励频率越靠近坡体自振频率,其高程放大效应越显著。(3)微型桩群桩支护结构对地震波有一定的阻滞作用,支护部位(尤其是坡脚)坡面的加速度响应明显弱于坡内,可限制坡表效应,但伴随坡高的增大,这种阻滞作用趋于减弱,无支护部位的上部坡体仍会出现坡表效应。 为研究地震作用下微型桩群桩支护均质土滑坡的地震动力响应特性,依托大型振动台,设计完成几何相似比为8:1(原型:模型)的物理试验模型。试验以El Centro波、汶川波、Kobe波以及不同频率的正弦波为激励波,研究地震动力作用下微型桩群桩的破坏模式、加桩后土质滑坡的加速度响应规律等。试验结果表明:(1)地震激励后微型桩的破坏模式与静力情况类似,呈反"S"型变形,弯曲破坏范围主要分布在滑面上1.4~4倍桩径内和滑面下1.4~3.4倍桩径内。(2)不同频谱特性的地震波激励时,滑坡加速度响应不同。激励频率越靠近滑坡自振频率,其加速度响应越强烈。微型桩群桩支护滑坡的加速度响应具有高程放大效应,且激励频率越靠近坡体自振频率,其高程放大效应越显著。(3)微型桩群桩支护结构对地震波有一定的阻滞作用,支护部位(尤其是坡脚)坡面的加速度响应明显弱于坡内,可限制坡表效应,但伴随坡高的增大,这种阻滞作用趋于减弱,无支护部位的上部坡体仍会出现坡表效应。
为了分析地形因子对坡脚型滑坡运动参数(最大水平运动距离Lmax、坡脚运动距离L、等效摩擦系数f)的影响,建立不同滑坡规模的运动参数非线性统计模型进行反演分析,分析结果表明:(1)不同滑坡规模下,最大运动距离Lmax、坡脚运动距离L、等效摩擦系数f均主要受滑坡高差(H)和斜坡坡度(α)的影响。(2)随滑坡规模的增大,LmaxLβ的影响逐渐减弱,表现为坡脚阻止效应的减弱;fβ的影响逐渐增大,表现为滑坡运动能力改变。(3)随滑坡规模的增大,Lmaxfγ的影响逐渐增大,表现为堆积场地的微地貌效应显著增强。最后,基于主要地形参数(Hαβγ)和滑坡规模(V)建立的最大水平运动距离预测统计模型,具有较好的预测精度和一定的适用性。 为了分析地形因子对坡脚型滑坡运动参数(最大水平运动距离Lmax、坡脚运动距离L、等效摩擦系数f)的影响,建立不同滑坡规模的运动参数非线性统计模型进行反演分析,分析结果表明:(1)不同滑坡规模下,最大运动距离Lmax、坡脚运动距离L、等效摩擦系数f均主要受滑坡高差(H)和斜坡坡度(α)的影响。(2)随滑坡规模的增大,LmaxLβ的影响逐渐减弱,表现为坡脚阻止效应的减弱;fβ的影响逐渐增大,表现为滑坡运动能力改变。(3)随滑坡规模的增大,Lmaxfγ的影响逐渐增大,表现为堆积场地的微地貌效应显著增强。最后,基于主要地形参数(Hαβγ)和滑坡规模(V)建立的最大水平运动距离预测统计模型,具有较好的预测精度和一定的适用性。
为了研究岩溶地区的岩溶塌陷预测问题,根据大量岩溶塌陷实例确定6项岩溶地区典型的影响因子(岩性系数(RQC)、岩体结构系数(RMSC)、地下水系数(GWC)、覆盖层系数(SSC)、地形地貌系数(LPC)、环境条件系数(ECC)),采用熵权法计算各项影响因子的权重并结合云理论建立熵权正态云模型。通过模型对桂林西城区岩溶塌陷进行预测且结合实际塌陷情况进行比较分析,结果证明建立的熵权正态云模型的预测结果与实际结果比较接近。表明该模型对于岩溶塌陷的预测分析方面具有良好的适用性和可靠性,且能够为岩溶发育地区岩溶塌陷的非线性、复杂性预测判断提供一种新的思路和方法。 为了研究岩溶地区的岩溶塌陷预测问题,根据大量岩溶塌陷实例确定6项岩溶地区典型的影响因子(岩性系数(RQC)、岩体结构系数(RMSC)、地下水系数(GWC)、覆盖层系数(SSC)、地形地貌系数(LPC)、环境条件系数(ECC)),采用熵权法计算各项影响因子的权重并结合云理论建立熵权正态云模型。通过模型对桂林西城区岩溶塌陷进行预测且结合实际塌陷情况进行比较分析,结果证明建立的熵权正态云模型的预测结果与实际结果比较接近。表明该模型对于岩溶塌陷的预测分析方面具有良好的适用性和可靠性,且能够为岩溶发育地区岩溶塌陷的非线性、复杂性预测判断提供一种新的思路和方法。
2018年10月、11月于金沙江川藏交界处江达县波罗乡白格村先后发生两次体积约2400×104 m3和850×104 m3的滑坡,两次滑坡平均运动距离1400 m,堵塞金沙江形成堰塞湖。首次形成的堵江滑坡坝天然溃决,未造成人员伤亡;然而第2次滑坡堵塞第1次滑坡自然溃口,导致堰塞湖库容迅速增加到3.85×108 m3。政府部门立即开展抢险工作,通过人工修建溢洪道的方法成功泄洪,极大程度上降低洪水风险。本文利用PFC3D颗粒流软件模拟两次滑坡的发生、运动、堆积过程,并在反演结果的基础上对白格滑坡滑源区残留潜在不稳定部分未来失稳的运动路径和堆积范围进行预测,对其危险性进行科学评价。结果表明:(1)滑坡在重力作用下失稳,除了受初始势能的影响外,微地貌也是决定滑坡运动路径与距离的关键因素之一;(2)PFC3D颗粒流数值模拟方法适用于类似于白格滑坡这类碎屑流类型的滑坡,两次滑坡反演得到的堆积厚度、堆积范围均与真实结果相近;(3)利用两次事件反演所得参数,可以预测若滑源区潜在不稳定部分同时失稳,则形成约70 m高的滑坡坝,可能再次堵塞金沙江。 2018年10月、11月于金沙江川藏交界处江达县波罗乡白格村先后发生两次体积约2400×104 m3和850×104 m3的滑坡,两次滑坡平均运动距离1400 m,堵塞金沙江形成堰塞湖。首次形成的堵江滑坡坝天然溃决,未造成人员伤亡;然而第2次滑坡堵塞第1次滑坡自然溃口,导致堰塞湖库容迅速增加到3.85×108 m3。政府部门立即开展抢险工作,通过人工修建溢洪道的方法成功泄洪,极大程度上降低洪水风险。本文利用PFC3D颗粒流软件模拟两次滑坡的发生、运动、堆积过程,并在反演结果的基础上对白格滑坡滑源区残留潜在不稳定部分未来失稳的运动路径和堆积范围进行预测,对其危险性进行科学评价。结果表明:(1)滑坡在重力作用下失稳,除了受初始势能的影响外,微地貌也是决定滑坡运动路径与距离的关键因素之一;(2)PFC3D颗粒流数值模拟方法适用于类似于白格滑坡这类碎屑流类型的滑坡,两次滑坡反演得到的堆积厚度、堆积范围均与真实结果相近;(3)利用两次事件反演所得参数,可以预测若滑源区潜在不稳定部分同时失稳,则形成约70 m高的滑坡坝,可能再次堵塞金沙江。
高速流动性滑坡运动距离远,破坏性强。这类滑坡在运动过程中常裹挟大量的松散物质,导致滑坡的体积和致灾范围增大,该现象被称为基底侵蚀效应。以往的研究指出基底侵蚀效应对这类滑坡的运动性有显著的影响,但却很少有研究考虑其对滑体性质的影响,以及如何对其进行量化。因此,本文基于动量守恒原理建立了考虑基底侵蚀效应的滑坡运动模型,利用有限差分法求解,并依据滑坡的侵蚀深度来计算侵蚀导致的滑坡性质变化。利用改进的模型对陕西泾河南岸的西庙店滑坡进行模拟分析。结果表明,滑坡运动可分为启动加速阶段(0~5 s)和运动减速阶段(5~14 s)。在启动加速阶段,基底侵蚀程度低,对滑体运动的影响较弱。而在运动减速阶段,基底侵蚀效应降低了滑带土强度,对该滑坡的运动产生了明显的促进作用,致使其发生远程运动。此外,对比考虑和不考虑基底侵蚀两种工况的模拟结果还发现,考虑这种影响时,模拟所得的运动范围及地形与实测吻合良好,而未考虑时模拟所得运动范围明显偏小。因此,本文的模型可对这类滑坡的运动过程进行更为有效的模拟。 高速流动性滑坡运动距离远,破坏性强。这类滑坡在运动过程中常裹挟大量的松散物质,导致滑坡的体积和致灾范围增大,该现象被称为基底侵蚀效应。以往的研究指出基底侵蚀效应对这类滑坡的运动性有显著的影响,但却很少有研究考虑其对滑体性质的影响,以及如何对其进行量化。因此,本文基于动量守恒原理建立了考虑基底侵蚀效应的滑坡运动模型,利用有限差分法求解,并依据滑坡的侵蚀深度来计算侵蚀导致的滑坡性质变化。利用改进的模型对陕西泾河南岸的西庙店滑坡进行模拟分析。结果表明,滑坡运动可分为启动加速阶段(0~5 s)和运动减速阶段(5~14 s)。在启动加速阶段,基底侵蚀程度低,对滑体运动的影响较弱。而在运动减速阶段,基底侵蚀效应降低了滑带土强度,对该滑坡的运动产生了明显的促进作用,致使其发生远程运动。此外,对比考虑和不考虑基底侵蚀两种工况的模拟结果还发现,考虑这种影响时,模拟所得的运动范围及地形与实测吻合良好,而未考虑时模拟所得运动范围明显偏小。因此,本文的模型可对这类滑坡的运动过程进行更为有效的模拟。
火后泥石流是火烧迹地最为严重的次生地质灾害,相对于传统泥石流和震后泥石流,其物源启动模式及致灾机理呈现出特殊性。通过对四川省乡城县仁额拥沟火烧迹地沟道不同时间尺度下的累积侵蚀量统计分析,将火烧迹地物源启动分为3个阶段:坡面侵蚀阶段、高含沙水流沟道侵蚀阶段和泥石流沟道刨蚀阶段,其中面蚀到沟蚀转变所需的汇流面积与斜坡倾斜度和火烈度呈负相关,高含沙水流转变为泥石流后常常造成沟道侵蚀率的激增;火烧后2 a的坡面侵蚀量相当于火烧前10~30 a的侵蚀总量,且主要发生在中度及严重火烧区;火烧区的滑坡发育率远高于未火烧区,但未发现火烈度对滑坡体积有明显影响,其主要受临空面高度影响,并呈幂函数正相关,滑坡物源启动模式为坡脚切坡触发的逐级牵引后退式补给。 火后泥石流是火烧迹地最为严重的次生地质灾害,相对于传统泥石流和震后泥石流,其物源启动模式及致灾机理呈现出特殊性。通过对四川省乡城县仁额拥沟火烧迹地沟道不同时间尺度下的累积侵蚀量统计分析,将火烧迹地物源启动分为3个阶段:坡面侵蚀阶段、高含沙水流沟道侵蚀阶段和泥石流沟道刨蚀阶段,其中面蚀到沟蚀转变所需的汇流面积与斜坡倾斜度和火烈度呈负相关,高含沙水流转变为泥石流后常常造成沟道侵蚀率的激增;火烧后2 a的坡面侵蚀量相当于火烧前10~30 a的侵蚀总量,且主要发生在中度及严重火烧区;火烧区的滑坡发育率远高于未火烧区,但未发现火烈度对滑坡体积有明显影响,其主要受临空面高度影响,并呈幂函数正相关,滑坡物源启动模式为坡脚切坡触发的逐级牵引后退式补给。
交叉领域与高新技术
行星科学是近几十年发展起来的一门多学科交叉的新兴学科,如何利用行星资源、可持续永久开发太空成为行星科学的新兴前沿研究方向。在阿波罗号人类登月50周年之际,世界大国纷纷抢占深空探测的科技制高点,美国宣布重启太空计划,俄罗斯制定了一系列的月球战略,我国也制定了深空科学探测任务规划发展路线图,要达到这些宏伟的深空探测与开发目标,亟待发展行星地质资源与工程学,为太空的可持续永久开发提供基础理论与关键技术支撑。行星地质资源与工程学是行星地质学的分支,运用行星科学的基础理论,利用行星观测、探测及开发技术方法,研究行星地质资源形成演化规律,查明地质资源的类型、特征、储量和分布规律;进行行星地质资源的地质调查、岩石成分、结构与性能、开发地质条件评价与预测,解决行星工程中的各类地质问题,研发行星开发利用地质工程技术,为行星地质资源开发与人类工程活动提供基础理论与关键技术方法。行星地质资源与工程学的研究内容通常包括:行星地质资源探测理论与技术、行星地质资源成因演化与评价、行星地质工程。发展行星地质资源与工程学具有重要意义:从行星科学的视角进行研究,促进学科增长与拓展;开发行星地质资源,打破资源束缚,实现太空永久可持续开发;培养学科人才,提升行星地质资源与工程科技水平,为人类移居行星奠定基础。未来行星地质资源与工程学科应加强行星物理学、行星化学和行星地质学的交叉融合及理论应用,发展行星地质勘探方法与智能机器人工程技术,发展高/低温、高/低压、高辐照、低/微重力环境条件下样品采集、加工、多尺度测试分析理论与方法,培养行星地质资源与工程学科人才。 行星科学是近几十年发展起来的一门多学科交叉的新兴学科,如何利用行星资源、可持续永久开发太空成为行星科学的新兴前沿研究方向。在阿波罗号人类登月50周年之际,世界大国纷纷抢占深空探测的科技制高点,美国宣布重启太空计划,俄罗斯制定了一系列的月球战略,我国也制定了深空科学探测任务规划发展路线图,要达到这些宏伟的深空探测与开发目标,亟待发展行星地质资源与工程学,为太空的可持续永久开发提供基础理论与关键技术支撑。行星地质资源与工程学是行星地质学的分支,运用行星科学的基础理论,利用行星观测、探测及开发技术方法,研究行星地质资源形成演化规律,查明地质资源的类型、特征、储量和分布规律;进行行星地质资源的地质调查、岩石成分、结构与性能、开发地质条件评价与预测,解决行星工程中的各类地质问题,研发行星开发利用地质工程技术,为行星地质资源开发与人类工程活动提供基础理论与关键技术方法。行星地质资源与工程学的研究内容通常包括:行星地质资源探测理论与技术、行星地质资源成因演化与评价、行星地质工程。发展行星地质资源与工程学具有重要意义:从行星科学的视角进行研究,促进学科增长与拓展;开发行星地质资源,打破资源束缚,实现太空永久可持续开发;培养学科人才,提升行星地质资源与工程科技水平,为人类移居行星奠定基础。未来行星地质资源与工程学科应加强行星物理学、行星化学和行星地质学的交叉融合及理论应用,发展行星地质勘探方法与智能机器人工程技术,发展高/低温、高/低压、高辐照、低/微重力环境条件下样品采集、加工、多尺度测试分析理论与方法,培养行星地质资源与工程学科人才。
为实现岛礁公路建设资源集约化,提出采用水泥固化稳定珊瑚礁岩、砂作为路面基层材料。通过无侧限抗压强度、劈裂强度、回弹模量、水稳性、干缩和温缩试验,探究水泥固化稳定珊瑚礁岩、砂吹填材料强度、刚度、水稳性和收缩性等路用性能,为后续岛礁工程建设提供理论依据和数据支持。结果表明:在标养条件下,相同龄期的试样抗压强度和劈裂强度随水泥用量增加而提高,水泥用量相同的试样随龄期增长而提高;抗压强度增长基本符合线性规律。回弹模量随水泥用量增加而提高,但增幅逐渐减小。相同龄期下,试件饱和抗压强度相对于低于标准抗压强度;水泥用量和龄期越大,强度损失率越小,抗软化能力越强,如水泥用量6%试样28 d强度损失率与软化系数是水泥用量3%的93%和101%。试样失水率与干缩应变随龄期与水泥用量增加而增长,如水泥用量6%试样180 d失水率和干缩应变是水泥用量3%的1.35倍和1.27倍。温缩试验表明:温缩应变和温缩系数随水泥用量增加而增大,而随温度降低先增大后减小,处于30~45℃温度区间是岛礁公路建设最不利的状态,应尽量避免高温施工。 为实现岛礁公路建设资源集约化,提出采用水泥固化稳定珊瑚礁岩、砂作为路面基层材料。通过无侧限抗压强度、劈裂强度、回弹模量、水稳性、干缩和温缩试验,探究水泥固化稳定珊瑚礁岩、砂吹填材料强度、刚度、水稳性和收缩性等路用性能,为后续岛礁工程建设提供理论依据和数据支持。结果表明:在标养条件下,相同龄期的试样抗压强度和劈裂强度随水泥用量增加而提高,水泥用量相同的试样随龄期增长而提高;抗压强度增长基本符合线性规律。回弹模量随水泥用量增加而提高,但增幅逐渐减小。相同龄期下,试件饱和抗压强度相对于低于标准抗压强度;水泥用量和龄期越大,强度损失率越小,抗软化能力越强,如水泥用量6%试样28 d强度损失率与软化系数是水泥用量3%的93%和101%。试样失水率与干缩应变随龄期与水泥用量增加而增长,如水泥用量6%试样180 d失水率和干缩应变是水泥用量3%的1.35倍和1.27倍。温缩试验表明:温缩应变和温缩系数随水泥用量增加而增大,而随温度降低先增大后减小,处于30~45℃温度区间是岛礁公路建设最不利的状态,应尽量避免高温施工。
岩体结构特征控制着岩体力学性质并影响岩体工程稳定性,因此岩体结构地质编录一直是岩体工程地质中的重要内容。针对露天矿山边坡,传统的岩体结构编录方法具有危险性大、效率低等缺点,需要引入新技术实现地质编录的安全、高效。随着近年来无人机的民用化,采用无人机倾斜摄影技术改进传统露天矿坡的地质编录工作将成为未来的发展趋势。本文以浙江某露天采石场矿坡为例,阐述了无人机摄影技术在地质编录中的应用方法和工作流程。基于无人机倾斜摄影技术,采用运动恢复结构法将点云数据转化为岩体三维数字模型,并利用点云的坐标信息实现对岩体结构面产状的解译。通过对比罗盘测量的产状和点云计算的产状验证了该技术应用的可靠性。在此基础上划分了结构面的优势产状,为分析矿山边坡稳定性提供了基础数据支持。 岩体结构特征控制着岩体力学性质并影响岩体工程稳定性,因此岩体结构地质编录一直是岩体工程地质中的重要内容。针对露天矿山边坡,传统的岩体结构编录方法具有危险性大、效率低等缺点,需要引入新技术实现地质编录的安全、高效。随着近年来无人机的民用化,采用无人机倾斜摄影技术改进传统露天矿坡的地质编录工作将成为未来的发展趋势。本文以浙江某露天采石场矿坡为例,阐述了无人机摄影技术在地质编录中的应用方法和工作流程。基于无人机倾斜摄影技术,采用运动恢复结构法将点云数据转化为岩体三维数字模型,并利用点云的坐标信息实现对岩体结构面产状的解译。通过对比罗盘测量的产状和点云计算的产状验证了该技术应用的可靠性。在此基础上划分了结构面的优势产状,为分析矿山边坡稳定性提供了基础数据支持。
应变传感光缆与被测土体之间的耦合性是决定分布式光纤监测准确性的关键。为解决土工模型试验中传感光缆与被测松填砂土间的变形耦合性问题,本文研制了一种锚固点应变传感光缆,并利用自制的光缆-土体耦合性试验装置,开展了相关的光缆拉拔试验,探究了低围压下锚固点对应变传感光缆与砂土之间耦合性的影响及作用机理。研究结果表明:光缆的轴向应变随拉拔位移的增大而增大,但应变传递被限制在0.35 m以内;相同拉拔位移下,锚固点应变传感光缆比普通传感光缆需要更大的拉拔力;锚固点大大降低了应变梯度,使应变在一定范围内呈现出平均化的特征,影响范围为锚固点前后0.05~0.075 m以内。提出了耦合性的提升率指标,以此定量评价锚固点对增强光缆与土体耦合性的作用效果。本次试验中锚固点的提升率为97.41%,表明锚固点可有效增强光缆与土体的耦合性;同时,提出了一个力学模型来模拟锚固点应变传感光缆在松填砂土中的拉拔过程,准确地描述了光缆拉拔力与锚固点受力和光缆表面摩擦力之间的关系。研究成果对于土工模型试验中分布式光纤测试技术的应用提供了科学依据。 应变传感光缆与被测土体之间的耦合性是决定分布式光纤监测准确性的关键。为解决土工模型试验中传感光缆与被测松填砂土间的变形耦合性问题,本文研制了一种锚固点应变传感光缆,并利用自制的光缆-土体耦合性试验装置,开展了相关的光缆拉拔试验,探究了低围压下锚固点对应变传感光缆与砂土之间耦合性的影响及作用机理。研究结果表明:光缆的轴向应变随拉拔位移的增大而增大,但应变传递被限制在0.35 m以内;相同拉拔位移下,锚固点应变传感光缆比普通传感光缆需要更大的拉拔力;锚固点大大降低了应变梯度,使应变在一定范围内呈现出平均化的特征,影响范围为锚固点前后0.05~0.075 m以内。提出了耦合性的提升率指标,以此定量评价锚固点对增强光缆与土体耦合性的作用效果。本次试验中锚固点的提升率为97.41%,表明锚固点可有效增强光缆与土体的耦合性;同时,提出了一个力学模型来模拟锚固点应变传感光缆在松填砂土中的拉拔过程,准确地描述了光缆拉拔力与锚固点受力和光缆表面摩擦力之间的关系。研究成果对于土工模型试验中分布式光纤测试技术的应用提供了科学依据。
针对传统感测技术存在的问题,本文采用BOTDR分布式光纤感测技术对马家沟滑坡抗滑桩变形进行长期监测分析。在BOTDR监测数据的基础上,对抗滑桩内力进行反演分析,然后与抗滑桩理论设计值进行对比,从抗滑桩内力分布状态及外在环境影响因素两方面对抗滑桩稳定性进行了分析和评价,结果表明:马家沟滑坡在距地表 19m和27 m深度处存在两条滑动面;2015年3月之前,马家沟滑坡整体变形较小,处于相对稳定状态,之后抗滑桩逐渐发挥抗滑作用;目前,抗滑桩剪力已接近设计值,抗滑桩处于不稳定状态,需要加强监测;抗滑桩的变形主要受库水位控制,降雨影响较小。库水位降低时,抗滑桩变形增大,库水位升高时,抗滑桩变形趋于稳定。BOTDR监测技术为长期化、精细化评价抗滑桩稳定性状态提供了十分先进的监测手段。 针对传统感测技术存在的问题,本文采用BOTDR分布式光纤感测技术对马家沟滑坡抗滑桩变形进行长期监测分析。在BOTDR监测数据的基础上,对抗滑桩内力进行反演分析,然后与抗滑桩理论设计值进行对比,从抗滑桩内力分布状态及外在环境影响因素两方面对抗滑桩稳定性进行了分析和评价,结果表明:马家沟滑坡在距地表 19m和27 m深度处存在两条滑动面;2015年3月之前,马家沟滑坡整体变形较小,处于相对稳定状态,之后抗滑桩逐渐发挥抗滑作用;目前,抗滑桩剪力已接近设计值,抗滑桩处于不稳定状态,需要加强监测;抗滑桩的变形主要受库水位控制,降雨影响较小。库水位降低时,抗滑桩变形增大,库水位升高时,抗滑桩变形趋于稳定。BOTDR监测技术为长期化、精细化评价抗滑桩稳定性状态提供了十分先进的监测手段。
地裂缝监测是科学认识其成灾机制并进行灾害防治必不可少的工作。高空间分辨率分布式光纤感测(DFOS)技术的发展及其在地质和岩土工程监测中的应用,为地裂缝的精细化探测提供了技术支撑。本文探讨了DFOS技术探测地裂缝的理论基础。以地裂缝形成过程中土体的张拉破坏模式为例,结合传感光缆应变的特点,提出了基于线应变的地裂缝形成判定准则:Rs=ε3/εt(其中,εt为土体的极限拉应变,ε3为最小主应变)。当Rs小于1时,最小主应变小于极限拉应变,土体未发生张拉破坏;当Rs大于1时,土体发生张拉破坏,地裂缝形成。在此基础上,对DFOS探测地裂缝过程中存在的空间分辨率效应、传感光缆-土体界面效应、应变局部化效应、温度效应和应变传递效应及其对策进行了分析和讨论。在实际应用中需针对不同的地质条件和监测需要,对这些效应进行分析和处理,以提高监测结果的准确性。 地裂缝监测是科学认识其成灾机制并进行灾害防治必不可少的工作。高空间分辨率分布式光纤感测(DFOS)技术的发展及其在地质和岩土工程监测中的应用,为地裂缝的精细化探测提供了技术支撑。本文探讨了DFOS技术探测地裂缝的理论基础。以地裂缝形成过程中土体的张拉破坏模式为例,结合传感光缆应变的特点,提出了基于线应变的地裂缝形成判定准则:Rs=ε3/εt(其中,εt为土体的极限拉应变,ε3为最小主应变)。当Rs小于1时,最小主应变小于极限拉应变,土体未发生张拉破坏;当Rs大于1时,土体发生张拉破坏,地裂缝形成。在此基础上,对DFOS探测地裂缝过程中存在的空间分辨率效应、传感光缆-土体界面效应、应变局部化效应、温度效应和应变传递效应及其对策进行了分析和讨论。在实际应用中需针对不同的地质条件和监测需要,对这些效应进行分析和处理,以提高监测结果的准确性。
工程地质信息
2019年5月10日~12日,中国地震学会工程勘察专业委员会2019学术年会暨第四届海洋工程地质发展战略研讨会在中国海洋大学顺利召开。本次会议由山东省海洋环境地质工程重点实验室承办,防灾科技学院、国家自然科学基金委员会地球科学部协办。共有来自国内42家知名科研院所和企事业单位的120余位专家学者参会,围绕"海洋地震及次生灾害勘测与防灾"主题展开讨论。会议共设11场特邀报告、9场自由报告,还安排了海洋工程地质发展战略研讨会以及野外考察。各位代表围绕会议主题,进行了热烈讨论,碰撞出了新的学术火花。不仅对于促进海洋地震及其次生灾害形成机理与灾害防控研究具有重要意义,而且为海洋工程地质工作者搭建了一个交流学术思想、分享科研进展的平台。 2019年5月10日~12日,中国地震学会工程勘察专业委员会2019学术年会暨第四届海洋工程地质发展战略研讨会在中国海洋大学顺利召开。本次会议由山东省海洋环境地质工程重点实验室承办,防灾科技学院、国家自然科学基金委员会地球科学部协办。共有来自国内42家知名科研院所和企事业单位的120余位专家学者参会,围绕"海洋地震及次生灾害勘测与防灾"主题展开讨论。会议共设11场特邀报告、9场自由报告,还安排了海洋工程地质发展战略研讨会以及野外考察。各位代表围绕会议主题,进行了热烈讨论,碰撞出了新的学术火花。不仅对于促进海洋地震及其次生灾害形成机理与灾害防控研究具有重要意义,而且为海洋工程地质工作者搭建了一个交流学术思想、分享科研进展的平台。
总目录
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2019, 27(6): 1488-1498.
摘要(143)
531KB(7)

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