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岩土力学
通过GCTS空心圆柱扭剪仪,分别采用正弦波和三角波两种不同波形模拟海洋波浪的加载形式,对天津滨海吹填土进行一系列三向等压固结条件下的主应力轴循环旋转试验,探讨了动主应力方向连续旋转下循环剪应力幅值及振动波形对吹填土广义剪应变、动强度和孔压特性的影响。试验结果表明,循环剪应力幅值小于临界循环剪应力时,土体广义剪应变变化很小且增长缓慢,加荷波形对土体变形影响较小;循环剪应力幅值超过临界循环剪应力时,土体在较少的振动次数下便产生较大的变形,正弦波作用下广义剪应变的发展速率大于三角波,相同振次下正弦波对应的广义剪应变始终大于三角波。同一波形下破坏标准取值越大,动强度值越大。不同破坏标准下的动强度均随破坏振次增加呈减小趋势,并最终趋于同一数值,同条件时正弦波在主应力轴循环旋转效应下与三角波相比更容易导致土体破坏;对试验数据进行分析,构建了两种波形作用下考虑不同破坏标准时动强度与破坏振次间关系式。同等条件下,正弦波作用下土体孔压增长速率大于三角波,且循环剪应力幅值越大,孔压增长速率越快,但由于黏性土孔压的滞后效应,达到破坏应变时其值相对较小。 通过GCTS空心圆柱扭剪仪,分别采用正弦波和三角波两种不同波形模拟海洋波浪的加载形式,对天津滨海吹填土进行一系列三向等压固结条件下的主应力轴循环旋转试验,探讨了动主应力方向连续旋转下循环剪应力幅值及振动波形对吹填土广义剪应变、动强度和孔压特性的影响。试验结果表明,循环剪应力幅值小于临界循环剪应力时,土体广义剪应变变化很小且增长缓慢,加荷波形对土体变形影响较小;循环剪应力幅值超过临界循环剪应力时,土体在较少的振动次数下便产生较大的变形,正弦波作用下广义剪应变的发展速率大于三角波,相同振次下正弦波对应的广义剪应变始终大于三角波。同一波形下破坏标准取值越大,动强度值越大。不同破坏标准下的动强度均随破坏振次增加呈减小趋势,并最终趋于同一数值,同条件时正弦波在主应力轴循环旋转效应下与三角波相比更容易导致土体破坏;对试验数据进行分析,构建了两种波形作用下考虑不同破坏标准时动强度与破坏振次间关系式。同等条件下,正弦波作用下土体孔压增长速率大于三角波,且循环剪应力幅值越大,孔压增长速率越快,但由于黏性土孔压的滞后效应,达到破坏应变时其值相对较小。
由碎散物质组成的地质体失稳流滑大变形所致的地质灾害严重影响国民经济发展和人民生命财产安全,绝大多数造成此类地质灾害的对象属于颗粒物质,而地质灾害与颗粒物质力学的交叉融合一直以来都是软物质物理学和工程地质科研工作者的努力方向之一。颗粒物质是由大量离散颗粒组成的复杂无序体系,其力学特性极为复杂,根据颗粒的运动状态可以表现出气体、流体和固体的力学行为。地质工程领域中,典型的地质灾害现象如滑坡、泥石流等都与颗粒物质力学密切有关,其本质即为由碎散物质组成地质体的固液相变。本文通过介绍颗粒物质的基本性质,颗粒物质力学中的阻塞相变、局部流变和非局部流变的剪切流动特性,以及常用的开展颗粒物质力学研究的试验方法,最后初步探讨了颗粒物质力学在工程地质领域内的应用前景。颗粒物质力学与工程地质的交叉融合,一方面可以拓展我国颗粒物质物理与力学的研究深度,同时也可以为我国重大工程及地质灾害防治的研究提供理论基础。 由碎散物质组成的地质体失稳流滑大变形所致的地质灾害严重影响国民经济发展和人民生命财产安全,绝大多数造成此类地质灾害的对象属于颗粒物质,而地质灾害与颗粒物质力学的交叉融合一直以来都是软物质物理学和工程地质科研工作者的努力方向之一。颗粒物质是由大量离散颗粒组成的复杂无序体系,其力学特性极为复杂,根据颗粒的运动状态可以表现出气体、流体和固体的力学行为。地质工程领域中,典型的地质灾害现象如滑坡、泥石流等都与颗粒物质力学密切有关,其本质即为由碎散物质组成地质体的固液相变。本文通过介绍颗粒物质的基本性质,颗粒物质力学中的阻塞相变、局部流变和非局部流变的剪切流动特性,以及常用的开展颗粒物质力学研究的试验方法,最后初步探讨了颗粒物质力学在工程地质领域内的应用前景。颗粒物质力学与工程地质的交叉融合,一方面可以拓展我国颗粒物质物理与力学的研究深度,同时也可以为我国重大工程及地质灾害防治的研究提供理论基础。
岩体工程计算分析中结构面刚度系数是至关重要的力学参数,计算分析的精度和可靠程度与这个参数密不可分,结构面刚度系数取值仍然是一个难点。岩体中应力波传播至结构面处将会发生反射和透射现象,利用应力波透射系数可反演结构面动态刚度系数。本文从细观力学角度运用颗粒离散元方法,开发分段线性接触模型及应力波吸收边界模型,开展宏观岩体中应力波传播的模拟,结合准静态压缩试验模拟,研究了较为平直的岩体结构面分别在不同正应力条件下的动、静态刚度系数的变化特征。模拟结果表明:(1)利用C++语言开发的分段线性接触模型很好地实现了结构面非线性变形特征的模拟;(2)基于颗粒离散元方法能够准确地反映岩体中应力波传播规律,应力波通过不同刚度结构面的透射系数与理论解一致;(3)在离散颗粒模型中加入黏滞吸收边界条件很好地实现了在有限尺寸模型中远场应力波传播模拟;(4)在岩体模型中结构面接触部位运用分段线性接触模型,通过模拟应力波传播与单轴压缩试验分别获得了一致性较好的结构面动、静态刚度系数,结构面动/静态刚度系数之比值约为1.0。本文对岩体中结构面刚度的测试和取值具有重要的指导意义。 岩体工程计算分析中结构面刚度系数是至关重要的力学参数,计算分析的精度和可靠程度与这个参数密不可分,结构面刚度系数取值仍然是一个难点。岩体中应力波传播至结构面处将会发生反射和透射现象,利用应力波透射系数可反演结构面动态刚度系数。本文从细观力学角度运用颗粒离散元方法,开发分段线性接触模型及应力波吸收边界模型,开展宏观岩体中应力波传播的模拟,结合准静态压缩试验模拟,研究了较为平直的岩体结构面分别在不同正应力条件下的动、静态刚度系数的变化特征。模拟结果表明:(1)利用C++语言开发的分段线性接触模型很好地实现了结构面非线性变形特征的模拟;(2)基于颗粒离散元方法能够准确地反映岩体中应力波传播规律,应力波通过不同刚度结构面的透射系数与理论解一致;(3)在离散颗粒模型中加入黏滞吸收边界条件很好地实现了在有限尺寸模型中远场应力波传播模拟;(4)在岩体模型中结构面接触部位运用分段线性接触模型,通过模拟应力波传播与单轴压缩试验分别获得了一致性较好的结构面动、静态刚度系数,结构面动/静态刚度系数之比值约为1.0。本文对岩体中结构面刚度的测试和取值具有重要的指导意义。
引江济淮河(航)道工程引江济巢段和江淮沟通段地层连续分布弱膨胀土和具有崩解性的砂软岩,为资源化利用河道开挖弃渣开发非膨胀土来源,实验研究利用崩解性软岩改良弱膨胀土的可行性。研究表明:崩解性砂软岩易粉碎、无膨胀性、天然含水率低,具备作为改性材料的条件;弱膨胀土掺入崩解性砂岩后其膨胀率、膨胀力、最优含水率与掺入量负相关,最大干密度、渗透系数与掺入量正相关;弱膨胀土掺入崩解性砂岩后其内摩擦角随掺量呈反S型曲线规律发展,黏聚力随掺量增加近似呈二次曲线规律衰减,掺量高于30%时,改良土的抗剪强度可能低于天然弱膨胀土;在砂岩掺量及粒径范围相同情况下,砂岩粗颗粒含量越高,改良土的黏聚力越高和摩擦角越低;砂岩改良土在干湿循环条件下的强度稳定性得到改善,且水化砂岩的改良效果优于机碎砂岩。以弱膨胀土改良后强度不损失为标准,确定砂岩合理掺量为30%,并须合理控制砂岩改良土施工过程中机碎砂岩中粗粒组的含量。 引江济淮河(航)道工程引江济巢段和江淮沟通段地层连续分布弱膨胀土和具有崩解性的砂软岩,为资源化利用河道开挖弃渣开发非膨胀土来源,实验研究利用崩解性软岩改良弱膨胀土的可行性。研究表明:崩解性砂软岩易粉碎、无膨胀性、天然含水率低,具备作为改性材料的条件;弱膨胀土掺入崩解性砂岩后其膨胀率、膨胀力、最优含水率与掺入量负相关,最大干密度、渗透系数与掺入量正相关;弱膨胀土掺入崩解性砂岩后其内摩擦角随掺量呈反S型曲线规律发展,黏聚力随掺量增加近似呈二次曲线规律衰减,掺量高于30%时,改良土的抗剪强度可能低于天然弱膨胀土;在砂岩掺量及粒径范围相同情况下,砂岩粗颗粒含量越高,改良土的黏聚力越高和摩擦角越低;砂岩改良土在干湿循环条件下的强度稳定性得到改善,且水化砂岩的改良效果优于机碎砂岩。以弱膨胀土改良后强度不损失为标准,确定砂岩合理掺量为30%,并须合理控制砂岩改良土施工过程中机碎砂岩中粗粒组的含量。
我国黄土地区的水土流失和地质灾害问题异常严重,这主要与黄土较差的工程地质性质有关。提出采用微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对黄土进行改性处理,以改善其力学性质。采用喷洒法的方式将制备好的微生物菌液和胶结液依次喷洒在土样表面进行MICP处理,基于贯入试验和碳酸钙含量测定试验,分析不同MICP胶结轮次(3次、5次、7次)和胶结液浓度(0.5 M、1 M、1.5 M)对MICP胶结土样结构强度和碳酸钙含量的影响。结果表明:(1)MICP技术能显著提高黄土的结构强度,并在黄土表面形成一层高强度的硬化壳;(2)随着胶结轮次增加,土体的硬化壳强度和厚度、内部强度逐渐增大,碳酸钙含量也随之增高;(3)胶结液浓度对MICP改性效果影响显著,1.0 M胶结液浓度的处理效果最好,其表层结构强度最高可达600 kPa,内部完整性好,1.5 M的次之,仅在表面形成较薄的硬化壳,内部强度低,0.5 M胶结液浓度处理的土体力学性质改良不明显;(4)MICP改善黄土结构强度的作用机理主要是微生物诱导生成的碳酸钙胶结土颗粒,极大提升土颗粒之间的联接强度,从而显著改善土体的力学特性。 我国黄土地区的水土流失和地质灾害问题异常严重,这主要与黄土较差的工程地质性质有关。提出采用微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术对黄土进行改性处理,以改善其力学性质。采用喷洒法的方式将制备好的微生物菌液和胶结液依次喷洒在土样表面进行MICP处理,基于贯入试验和碳酸钙含量测定试验,分析不同MICP胶结轮次(3次、5次、7次)和胶结液浓度(0.5 M、1 M、1.5 M)对MICP胶结土样结构强度和碳酸钙含量的影响。结果表明:(1)MICP技术能显著提高黄土的结构强度,并在黄土表面形成一层高强度的硬化壳;(2)随着胶结轮次增加,土体的硬化壳强度和厚度、内部强度逐渐增大,碳酸钙含量也随之增高;(3)胶结液浓度对MICP改性效果影响显著,1.0 M胶结液浓度的处理效果最好,其表层结构强度最高可达600 kPa,内部完整性好,1.5 M的次之,仅在表面形成较薄的硬化壳,内部强度低,0.5 M胶结液浓度处理的土体力学性质改良不明显;(4)MICP改善黄土结构强度的作用机理主要是微生物诱导生成的碳酸钙胶结土颗粒,极大提升土颗粒之间的联接强度,从而显著改善土体的力学特性。
岩石结构面粗糙度各向异性评价存在不确定性。本文基于高精度激光扫描技术获得的结构面三维点云数据,提出了一种评价岩石结构面粗糙度系数(JRC)各向异性的旋转采样法。通过典型结构面试样的对比分析,探讨了采样方法和尺寸对JRC各向异性的影响。结果表明:(1)已有的单一轮廓线采样法获得的JRC各向异性数据离散,各向异性评价结果偏大,增加结构面尺寸,能提高数据的准确性。(2)采用旋转采样法获得的JRC各向异性数据,在不同尺寸下JRC最值分布更集中,各向异性系数计算结果更稳定,克服了JRC数据离散的问题,可获得准确、可靠的JRC各向异性规律。本文方法和结果可为研究岩石结构面粗糙度各向异性规律提供参考。 岩石结构面粗糙度各向异性评价存在不确定性。本文基于高精度激光扫描技术获得的结构面三维点云数据,提出了一种评价岩石结构面粗糙度系数(JRC)各向异性的旋转采样法。通过典型结构面试样的对比分析,探讨了采样方法和尺寸对JRC各向异性的影响。结果表明:(1)已有的单一轮廓线采样法获得的JRC各向异性数据离散,各向异性评价结果偏大,增加结构面尺寸,能提高数据的准确性。(2)采用旋转采样法获得的JRC各向异性数据,在不同尺寸下JRC最值分布更集中,各向异性系数计算结果更稳定,克服了JRC数据离散的问题,可获得准确、可靠的JRC各向异性规律。本文方法和结果可为研究岩石结构面粗糙度各向异性规律提供参考。
矿物颗粒形态的评价一般采用目估法在显微镜下观测岩石薄片,其评价结果受主观影响。本文利用岩石薄片显微照片,基于图像处理技术提出了矿物颗粒形态定量分析方法。矿物颗粒形态参数主要包括球度、凸度、长宽比、磨圆度等。该方法利用图像分割技术将显微照片中的矿物颗粒区分开,提取颗粒的像素轮廓坐标进行离散几何分析,计算矿物颗粒形态参数。特别地,由于磨圆度难以直接、准确地计算,本文总结前人经验,在傅里叶级数拟合颗粒轮廓的基础上,创新性地提出了棱角关键点识别和分组两步走的方法。本文分别计算了一组理论图形和一张岩石薄片显微照片的颗粒形态参数,验证了该方法的准确性和实用性。本文分析了图像分辨率Re、颗粒轮廓的傅里叶级数拟合优度R2、棱角关键点分组系数α对颗粒形态参数计算结果的影响,发现:(1)球度、凸度、长宽比的计算结果基本不受ReR2的影响;(2)磨圆度的计算结果受ReR2的影响,建议颗粒最小外接圆直径像素数大于200 pixel,并且存在一个最优的R2范围,在这个范围内计算的磨圆度结果接近理论值;(3)当α精确到十分位时,初步分组时选取α=0.1最为合理。 矿物颗粒形态的评价一般采用目估法在显微镜下观测岩石薄片,其评价结果受主观影响。本文利用岩石薄片显微照片,基于图像处理技术提出了矿物颗粒形态定量分析方法。矿物颗粒形态参数主要包括球度、凸度、长宽比、磨圆度等。该方法利用图像分割技术将显微照片中的矿物颗粒区分开,提取颗粒的像素轮廓坐标进行离散几何分析,计算矿物颗粒形态参数。特别地,由于磨圆度难以直接、准确地计算,本文总结前人经验,在傅里叶级数拟合颗粒轮廓的基础上,创新性地提出了棱角关键点识别和分组两步走的方法。本文分别计算了一组理论图形和一张岩石薄片显微照片的颗粒形态参数,验证了该方法的准确性和实用性。本文分析了图像分辨率Re、颗粒轮廓的傅里叶级数拟合优度R2、棱角关键点分组系数α对颗粒形态参数计算结果的影响,发现:(1)球度、凸度、长宽比的计算结果基本不受ReR2的影响;(2)磨圆度的计算结果受ReR2的影响,建议颗粒最小外接圆直径像素数大于200 pixel,并且存在一个最优的R2范围,在这个范围内计算的磨圆度结果接近理论值;(3)当α精确到十分位时,初步分组时选取α=0.1最为合理。
钙质砂颗粒具有形状不规则、多孔隙、强度低、易破碎等特点,较硅质砂表现出更为复杂的液化变形特性。本文对相同级配的钙质砂和硅质砂进行了物性试验、不排水循环三轴试验、轻型动力触探试验,研究两种砂在物理性质、抗液化能力和贯入阻力三方面的差异,分析实验结果得到结论如下:(1)钙质砂比硅质砂具有更大的孔隙比和内摩擦角,这与钙质砂颗粒特点相匹配;(2)砂土抗液化能力随着相对密度的增大而增大,相同相对密度下钙质砂比硅质砂具有更高的抗液化能力和抗变形能力;(3)砂土贯入阻力随着相对密度的增大而增大,相同相对密度下钙质砂比硅质砂具有更高的贯入阻力。综合不排水循环三轴试验和轻型动力触探试验的结果,指出采用陆源硅质砂地基上经验数据建立的基于贯入阻力的液化判别方法直接用于钙质砂地基可能偏保守。 钙质砂颗粒具有形状不规则、多孔隙、强度低、易破碎等特点,较硅质砂表现出更为复杂的液化变形特性。本文对相同级配的钙质砂和硅质砂进行了物性试验、不排水循环三轴试验、轻型动力触探试验,研究两种砂在物理性质、抗液化能力和贯入阻力三方面的差异,分析实验结果得到结论如下:(1)钙质砂比硅质砂具有更大的孔隙比和内摩擦角,这与钙质砂颗粒特点相匹配;(2)砂土抗液化能力随着相对密度的增大而增大,相同相对密度下钙质砂比硅质砂具有更高的抗液化能力和抗变形能力;(3)砂土贯入阻力随着相对密度的增大而增大,相同相对密度下钙质砂比硅质砂具有更高的贯入阻力。综合不排水循环三轴试验和轻型动力触探试验的结果,指出采用陆源硅质砂地基上经验数据建立的基于贯入阻力的液化判别方法直接用于钙质砂地基可能偏保守。
针对断裂构造带中断裂核部和裂隙破碎带的内在结构高度非均一性和渗透特性的强烈变异性难以表征和确定的难题,通过显微观察、粒度特征、孔隙特征、原位钻孔压水试验和室内渗透试验,研究了北山断裂带不同构造单元渗透特性和内在结构特征的关系。研究结果表明:十月井断层核部发育有断层泥,并可见构造错动结构面,室内渗透试验表明断层泥渗透系数约在(2~5)×10-11m·s-1,未发现断层泥垂向和侧向的渗透特性各向异性;借助于三维精细探槽,对十月井断层破碎带和F4断裂带的结构和地质成因进行了描述;钻孔压水试验获得十月井断层核部破裂带渗透系数范围为1.32×10-5 m·s-1到1.94×10-5 m·s-1区间内,芨芨槽F4断层核部岩体渗透系数一般大于2.4×10-6 m·s-1;十月井断层破裂带样品室内渗透试验表明断裂损伤带的渗透系数大体处于10-9~10-6m·s-1之间,其P-Q曲线表现为典型的层流型、充填型、冲蚀性,样品渗透能力随其包含裂隙数量的增加而增大。 针对断裂构造带中断裂核部和裂隙破碎带的内在结构高度非均一性和渗透特性的强烈变异性难以表征和确定的难题,通过显微观察、粒度特征、孔隙特征、原位钻孔压水试验和室内渗透试验,研究了北山断裂带不同构造单元渗透特性和内在结构特征的关系。研究结果表明:十月井断层核部发育有断层泥,并可见构造错动结构面,室内渗透试验表明断层泥渗透系数约在(2~5)×10-11m·s-1,未发现断层泥垂向和侧向的渗透特性各向异性;借助于三维精细探槽,对十月井断层破碎带和F4断裂带的结构和地质成因进行了描述;钻孔压水试验获得十月井断层核部破裂带渗透系数范围为1.32×10-5 m·s-1到1.94×10-5 m·s-1区间内,芨芨槽F4断层核部岩体渗透系数一般大于2.4×10-6 m·s-1;十月井断层破裂带样品室内渗透试验表明断裂损伤带的渗透系数大体处于10-9~10-6m·s-1之间,其P-Q曲线表现为典型的层流型、充填型、冲蚀性,样品渗透能力随其包含裂隙数量的增加而增大。
地质灾害
基于斋藤曲线的滑坡时间预报是滑坡一定会发生的情况,而实际滑坡的孕育发展具有显然的多样性和阶段性。为了走出斋藤曲线的束缚或局限,根据诸多滑坡累积变形-时间曲线的归纳分析,作者把滑坡累积变形划分为缓变趋稳型、阶跃演进型和失稳突发型3种。缓变、阶跃和突发型滑坡变形动态可以顺次转化,且前两者可以相互转化,但一般情况下突发型不可以反向转化,并分别举例进行了说明。滑坡处于开放的地质环境系统中,滑坡孕育发展与其边界条件、成分结构、初始状态和激发因素等作用及其时空变化密切相关。滑坡的物理本质起源于斜坡岩土体内部应力作用的失衡,最主要的动力来源是重力作用失衡。突发型滑坡意味着滑坡必然发生,可认为滑坡进入“自动态”。阶跃型滑坡对外界因素作用敏感,可认为滑坡处于应激反应的“他动态”。趋稳型滑坡除非遭遇超常的外界激发因素作用,滑坡处于向整体稳定发展但局部存在变形调整的“微动态”。由于滑坡内外环境处于持续变化过程中,追求滑坡的“精准”预报既无可能也无必要,问题的关键是提高服务防灾减灾的有效性。 基于斋藤曲线的滑坡时间预报是滑坡一定会发生的情况,而实际滑坡的孕育发展具有显然的多样性和阶段性。为了走出斋藤曲线的束缚或局限,根据诸多滑坡累积变形-时间曲线的归纳分析,作者把滑坡累积变形划分为缓变趋稳型、阶跃演进型和失稳突发型3种。缓变、阶跃和突发型滑坡变形动态可以顺次转化,且前两者可以相互转化,但一般情况下突发型不可以反向转化,并分别举例进行了说明。滑坡处于开放的地质环境系统中,滑坡孕育发展与其边界条件、成分结构、初始状态和激发因素等作用及其时空变化密切相关。滑坡的物理本质起源于斜坡岩土体内部应力作用的失衡,最主要的动力来源是重力作用失衡。突发型滑坡意味着滑坡必然发生,可认为滑坡进入“自动态”。阶跃型滑坡对外界因素作用敏感,可认为滑坡处于应激反应的“他动态”。趋稳型滑坡除非遭遇超常的外界激发因素作用,滑坡处于向整体稳定发展但局部存在变形调整的“微动态”。由于滑坡内外环境处于持续变化过程中,追求滑坡的“精准”预报既无可能也无必要,问题的关键是提高服务防灾减灾的有效性。
针对岩质四面楔形体的监测敏感部位问题,利用自主研制的边坡模型试验平台,开展岩质边坡四面楔形体物理模拟试验,对楔形体在滑动失稳全过程中结构面处的内部位移和内部应力进行监测。结果表明:随着楔形体滑动位移的增加,各位移监测点处位移变化速率的差异越小,楔形体表现出的整体滑动特性更为明显。在楔形体失稳过程前期,位移监测和应力监测敏感部位均在楔形体下部,临近失稳时,楔形体上部为位移监测敏感部位,楔形体中上部为应力监测敏感部位。在楔形体失稳过程前期,监测到的应力值较初始状态便有明显增大,应力监测相比位移监测的反馈更为提前,能够更及时地对边坡变化产生响应。研究结果可对岩质边坡楔形体的安全监测提供参考依据。 针对岩质四面楔形体的监测敏感部位问题,利用自主研制的边坡模型试验平台,开展岩质边坡四面楔形体物理模拟试验,对楔形体在滑动失稳全过程中结构面处的内部位移和内部应力进行监测。结果表明:随着楔形体滑动位移的增加,各位移监测点处位移变化速率的差异越小,楔形体表现出的整体滑动特性更为明显。在楔形体失稳过程前期,位移监测和应力监测敏感部位均在楔形体下部,临近失稳时,楔形体上部为位移监测敏感部位,楔形体中上部为应力监测敏感部位。在楔形体失稳过程前期,监测到的应力值较初始状态便有明显增大,应力监测相比位移监测的反馈更为提前,能够更及时地对边坡变化产生响应。研究结果可对岩质边坡楔形体的安全监测提供参考依据。
针对区域地壳稳定性评价往往面对区域广阔、数据匮乏、时间紧迫等问题,本文提出基于InSAR技术的区域地壳稳定性要素提取及分析方法,其具有空间覆盖范围大、时间可回溯、观测效率高等优势。以阿拉善地区某重大工程选址为例,选用1996~2010年存档ASAR/ERS合成空间雷达数据,利用D-InSAR技术提取的厘米级非线性变形量识别了地质灾害、浅层地下水变动等信息,利用IPTA-InSAR提取的毫米级变形速率分析了构造活动性,结合地质背景评价了工程场址区域地壳稳定性。本研究为有限条件下快速开展区域地壳稳定性评价提供了一种新思路。 针对区域地壳稳定性评价往往面对区域广阔、数据匮乏、时间紧迫等问题,本文提出基于InSAR技术的区域地壳稳定性要素提取及分析方法,其具有空间覆盖范围大、时间可回溯、观测效率高等优势。以阿拉善地区某重大工程选址为例,选用1996~2010年存档ASAR/ERS合成空间雷达数据,利用D-InSAR技术提取的厘米级非线性变形量识别了地质灾害、浅层地下水变动等信息,利用IPTA-InSAR提取的毫米级变形速率分析了构造活动性,结合地质背景评价了工程场址区域地壳稳定性。本研究为有限条件下快速开展区域地壳稳定性评价提供了一种新思路。
中国滑坡灾害严重,区域滑坡灾害预警是防灾减灾的重要手段之一,预警模型是开展区域滑坡灾害预警的关键问题。本文系统开展了基于机器学习的区域滑坡灾害预警模型研究,并以四川省青川县为例,基于近10年地质与气象数据,构建了青川县区域滑坡灾害预警模型并开展实例校验。研究得出如下结论:(1)提出了基于机器学习的区域滑坡灾害预警模型的构建方法,主要包括训练样本集构建、样本学习训练与优化建模、模型保存与预警输出等几个关键步骤。(2)提出了区域滑坡训练样本集的构建方法,即以正样本为基础,在时空约束条件下随机采样获取负样本,最终获得完整的训练样本集。(3)样本学习训练中,以训练样本集的80%作为训练集,20%作为测试集,进行5折交叉验证,采用精确度、ROC曲线和AUC值校验模型准确度和模型泛化能力。采用贝叶斯优化算法进行模型优化。(4)实际预警中,调用训练好的预警模型输出滑坡灾害可能发生的概率。依据概率大小,分级确定预警等级。分级依据为:当输出概率P≥40%且P<60%时,发布黄色预警;当输出概率P≥60%且P<80%时,发布橙色预警;当输出概率P≥80%时,发布红色预警。(5)以青川县为例,构建了青川县区域滑坡训练样本集,采用6种机器学习算法进行模型训练,结果显示随机森林算法表现最好,其准确率最高(0.963),模型无过拟合现象,模型泛化能力最好(AUC=0.986);其次为逻辑回归算法;再次为人工神经网络算法和决策树算法。选取2018年6月26日的青川县日常预警业务进行实例校验。结果显示:当日17处滑坡灾害点中,100%的灾害点全部落入预警区范围内,其中:70.6%的滑坡落在红色预警区内,17.6%的滑坡落在橙色预警区内,11.8%的滑坡落在黄色预警区内。 中国滑坡灾害严重,区域滑坡灾害预警是防灾减灾的重要手段之一,预警模型是开展区域滑坡灾害预警的关键问题。本文系统开展了基于机器学习的区域滑坡灾害预警模型研究,并以四川省青川县为例,基于近10年地质与气象数据,构建了青川县区域滑坡灾害预警模型并开展实例校验。研究得出如下结论:(1)提出了基于机器学习的区域滑坡灾害预警模型的构建方法,主要包括训练样本集构建、样本学习训练与优化建模、模型保存与预警输出等几个关键步骤。(2)提出了区域滑坡训练样本集的构建方法,即以正样本为基础,在时空约束条件下随机采样获取负样本,最终获得完整的训练样本集。(3)样本学习训练中,以训练样本集的80%作为训练集,20%作为测试集,进行5折交叉验证,采用精确度、ROC曲线和AUC值校验模型准确度和模型泛化能力。采用贝叶斯优化算法进行模型优化。(4)实际预警中,调用训练好的预警模型输出滑坡灾害可能发生的概率。依据概率大小,分级确定预警等级。分级依据为:当输出概率P≥40%且P<60%时,发布黄色预警;当输出概率P≥60%且P<80%时,发布橙色预警;当输出概率P≥80%时,发布红色预警。(5)以青川县为例,构建了青川县区域滑坡训练样本集,采用6种机器学习算法进行模型训练,结果显示随机森林算法表现最好,其准确率最高(0.963),模型无过拟合现象,模型泛化能力最好(AUC=0.986);其次为逻辑回归算法;再次为人工神经网络算法和决策树算法。选取2018年6月26日的青川县日常预警业务进行实例校验。结果显示:当日17处滑坡灾害点中,100%的灾害点全部落入预警区范围内,其中:70.6%的滑坡落在红色预警区内,17.6%的滑坡落在橙色预警区内,11.8%的滑坡落在黄色预警区内。
地质灾害启动及演进过程中对途经的村庄、植被、基础设施等均会造成不同程度的破坏,而深入研究灾害的演进过程有助于灾害预警和防治工作,能减少灾区人员伤亡、降低经济损失。然而由于地质灾害的强破坏性和突发性,使得现场的监测仪器和设备易受灾害的影响,甚至被破坏,导致难以完整且准确地监测到灾害过程,这限制了对地质灾害过程的深入研究,因此亟需一种新的方法来进行灾害过程的重构。随着科技的发展,现有高精度地震仪能够记录伴随地质灾害而产生的地震动信号,并且已有不少研究者进行了基于地震动信号的灾害分析研究。基于现有研究的基础,本文提出一套基于地震动信号的地质灾害重构研究思路和方法体系:通过运用带通滤波器(BP-filter)、经验模态分解(EMD)、快速傅里叶变换(FFT)、短时傅里叶变换(STFT)、功率谱密度计算(PSD)等方法对灾害过程产生的地震动信号进行处理和分析,然后结合灾害现场调查结果进行对比分析以反演灾害的基本特征,进而与数值模拟结果进行耦合,最终实现灾害过程的重构。本文基于地震动信号对堰塞湖、滑坡、泥石流等不同灾种进行案例研究与分析,旨在为地质灾害演进过程的研究提供一种新的研究思路和方法体系。 地质灾害启动及演进过程中对途经的村庄、植被、基础设施等均会造成不同程度的破坏,而深入研究灾害的演进过程有助于灾害预警和防治工作,能减少灾区人员伤亡、降低经济损失。然而由于地质灾害的强破坏性和突发性,使得现场的监测仪器和设备易受灾害的影响,甚至被破坏,导致难以完整且准确地监测到灾害过程,这限制了对地质灾害过程的深入研究,因此亟需一种新的方法来进行灾害过程的重构。随着科技的发展,现有高精度地震仪能够记录伴随地质灾害而产生的地震动信号,并且已有不少研究者进行了基于地震动信号的灾害分析研究。基于现有研究的基础,本文提出一套基于地震动信号的地质灾害重构研究思路和方法体系:通过运用带通滤波器(BP-filter)、经验模态分解(EMD)、快速傅里叶变换(FFT)、短时傅里叶变换(STFT)、功率谱密度计算(PSD)等方法对灾害过程产生的地震动信号进行处理和分析,然后结合灾害现场调查结果进行对比分析以反演灾害的基本特征,进而与数值模拟结果进行耦合,最终实现灾害过程的重构。本文基于地震动信号对堰塞湖、滑坡、泥石流等不同灾种进行案例研究与分析,旨在为地质灾害演进过程的研究提供一种新的研究思路和方法体系。
高山峡谷复杂地形是我国西部地区常见的地形和场地条件,大量的工程(桥梁、大坝等)修建在这类场地上。实际震害调查结果表明不规则地形对地震动具有明显的放大作用,对边坡的稳定性和建筑物的安全性构成不利的影响。因此研究高山峡谷复杂地形的地震动放大效应具有重要的工程价值。本文针对浅切割的高山峡谷复杂地形(山体顶和峡谷底的高差在100~500 m范围内),基于边界积分方程法获得场地任意点的地震动,详细探讨了入射波类型(P波和SV波)、入射波频率、入射角、山体和峡谷的几何参数对浅切割的高山峡谷复杂地形的地震动放大效应的影响,发现山体的存在明显改变场地地震动的空间分布;高山峡谷复杂地形对地表地震动的放大作用与入射波频率密切相关;不同的地震波类型对应不同的地震动空间分布模式;峡谷深度对地震动放大效应的影响取决于入射波的类型;不对称的几何形状导致地震动的空间分布也呈现明显的不对称,并且SV波入射时的不对称性强于P波;当地震波斜入射时,峡谷背向震源侧的地震动远大于面向震源侧的地震动。本文的研究方法可以获得考虑高山峡谷复杂地形地震动放大效应的场地任意位置的地震动,为边坡的稳定性分析提供更符合实际的地震输入。 高山峡谷复杂地形是我国西部地区常见的地形和场地条件,大量的工程(桥梁、大坝等)修建在这类场地上。实际震害调查结果表明不规则地形对地震动具有明显的放大作用,对边坡的稳定性和建筑物的安全性构成不利的影响。因此研究高山峡谷复杂地形的地震动放大效应具有重要的工程价值。本文针对浅切割的高山峡谷复杂地形(山体顶和峡谷底的高差在100~500 m范围内),基于边界积分方程法获得场地任意点的地震动,详细探讨了入射波类型(P波和SV波)、入射波频率、入射角、山体和峡谷的几何参数对浅切割的高山峡谷复杂地形的地震动放大效应的影响,发现山体的存在明显改变场地地震动的空间分布;高山峡谷复杂地形对地表地震动的放大作用与入射波频率密切相关;不同的地震波类型对应不同的地震动空间分布模式;峡谷深度对地震动放大效应的影响取决于入射波的类型;不对称的几何形状导致地震动的空间分布也呈现明显的不对称,并且SV波入射时的不对称性强于P波;当地震波斜入射时,峡谷背向震源侧的地震动远大于面向震源侧的地震动。本文的研究方法可以获得考虑高山峡谷复杂地形地震动放大效应的场地任意位置的地震动,为边坡的稳定性分析提供更符合实际的地震输入。
火后泥石流具有易发、突发等特征,尤其在林火发生当年异常活跃,林火干扰会加剧土壤侵蚀,若将常规泥石流坡面侵蚀物源动储量估算方法应用于火后泥石流将使计算结果偏小,会导致拦砂坝等治理工程库容设计有效性不足。本文采用修正通用土壤流失方程(RUSLE),以四川省雅江县八角楼乡火烧迹地D4流域为例,通过野外调查、室内外试验、遥感解译等手段,计算了研究区的坡面侵蚀物源动储量。结果表明:在火后5年内,D4流域坡面侵蚀物源动储量约为3.28×104 m3,中度和重度火烧区贡献量较大,合计占比高达93.90%。随着后期植被恢复和土壤物理及水文地质性质改善,坡面土壤侵蚀模数将会降低,坡面侵蚀物源动储量也随之减少。该研究成果对火后泥石流应急治理工程(如拦砂坝等)的库容、结构设计具有指导借鉴意义。 火后泥石流具有易发、突发等特征,尤其在林火发生当年异常活跃,林火干扰会加剧土壤侵蚀,若将常规泥石流坡面侵蚀物源动储量估算方法应用于火后泥石流将使计算结果偏小,会导致拦砂坝等治理工程库容设计有效性不足。本文采用修正通用土壤流失方程(RUSLE),以四川省雅江县八角楼乡火烧迹地D4流域为例,通过野外调查、室内外试验、遥感解译等手段,计算了研究区的坡面侵蚀物源动储量。结果表明:在火后5年内,D4流域坡面侵蚀物源动储量约为3.28×104 m3,中度和重度火烧区贡献量较大,合计占比高达93.90%。随着后期植被恢复和土壤物理及水文地质性质改善,坡面土壤侵蚀模数将会降低,坡面侵蚀物源动储量也随之减少。该研究成果对火后泥石流应急治理工程(如拦砂坝等)的库容、结构设计具有指导借鉴意义。
地质工程
导向钻井技术方法是21世纪全球石油工业最重要的技术之一,也是美国“页岩气革命”核心技术水平钻井的关键组成部分。当前,导向钻井的主要研究目标是提高钻井速度、降低钻井时间和风险,智能化是目标实现的重要途径。文章分析了国内外大数据与人工智能在石油工业应用情况,建立了云端大数据智能导向钻井方法架构,提出了随钻测井参数人工智能反演与识别方法,指出了云端大数据与智能算法管理的实现途径,得出如下结论:(1)基于云端大数据智能导向钻井方法主要包括物联网感知层、大数据存储层和云平台决策层。物联网感知层实现井场关键信息的采集并传输至大数据中心;大数据中心支持数据存储与云管理;云平台决策层依托大数据中心的海量数据,进行云端地面软件控制、人工智能决策以及云平台管理。(2)采用机器学习的方法智能反演与识别地层岩性,选择自然电位、自然伽马、密度、声波、补偿中子、电阻率等6条随钻测井数据,分别采用不同的机器学习算法进行地层岩性反演与识别,决策树模型和随机森林模型分别达到0.81和0.89的准确度,形成了一套可快速自动描述岩性特性分类的方案。(3)云端平台管理决策可进行井下实时数据解码,获取钻井轨迹和测井曲线,其中云端人工智能决策模块对地层及钻井参数进行智能反演预测,可实现钻井轨迹智能修正和钻井参数智能优化,保证智能导向工程钻得准、钻得快。 导向钻井技术方法是21世纪全球石油工业最重要的技术之一,也是美国“页岩气革命”核心技术水平钻井的关键组成部分。当前,导向钻井的主要研究目标是提高钻井速度、降低钻井时间和风险,智能化是目标实现的重要途径。文章分析了国内外大数据与人工智能在石油工业应用情况,建立了云端大数据智能导向钻井方法架构,提出了随钻测井参数人工智能反演与识别方法,指出了云端大数据与智能算法管理的实现途径,得出如下结论:(1)基于云端大数据智能导向钻井方法主要包括物联网感知层、大数据存储层和云平台决策层。物联网感知层实现井场关键信息的采集并传输至大数据中心;大数据中心支持数据存储与云管理;云平台决策层依托大数据中心的海量数据,进行云端地面软件控制、人工智能决策以及云平台管理。(2)采用机器学习的方法智能反演与识别地层岩性,选择自然电位、自然伽马、密度、声波、补偿中子、电阻率等6条随钻测井数据,分别采用不同的机器学习算法进行地层岩性反演与识别,决策树模型和随机森林模型分别达到0.81和0.89的准确度,形成了一套可快速自动描述岩性特性分类的方案。(3)云端平台管理决策可进行井下实时数据解码,获取钻井轨迹和测井曲线,其中云端人工智能决策模块对地层及钻井参数进行智能反演预测,可实现钻井轨迹智能修正和钻井参数智能优化,保证智能导向工程钻得准、钻得快。
我国页岩气资源储量巨大,四川盆地更是我国主要的页岩气产区。在页岩气勘探开发中一个重要指标便是裂缝,它承载着气体储存和运输通道两大功能。因此了解储层裂缝的微观性质对于判断储层含气量以及开采远景具有重要意义。本文以页岩气主要产区——川南地区页岩气气田泸201井的岩芯为主要研究对象,以手持显微镜、体式显微镜为主要观察工具,对岩芯进行了细观尺度下的观察,借助于图像软件对岩芯表面进行了图像重构,对储层裂缝的类别及特征、发育特征及矿物特征等进行了统计分析,并成功构建出研究区页岩岩芯二维裂缝模型。通过宏观到微观角度观察研究发现:(1)龙马溪组龙一1亚段1、2小层与五峰组页岩储层裂缝多为裂缝长度/岩芯周长小于25%的短裂缝,平均占比79.8%。(2)龙一1亚段1小层岩芯裂缝发育,其中以平行于层理的裂缝为主,龙一1亚段2小层天然微裂缝数量略低于1小层,而五峰组岩芯仅发现极少量微观可见的天然微裂缝。(3)岩芯表面观测到的主要矿物为黄铁矿、方解石。本文的主要创新点在于通过直观的方法对川南龙马溪组储层页岩的裂缝特征进行了统计分析,对于后续页岩气开采以及储层气体流动分析具有十分重要的意义。 我国页岩气资源储量巨大,四川盆地更是我国主要的页岩气产区。在页岩气勘探开发中一个重要指标便是裂缝,它承载着气体储存和运输通道两大功能。因此了解储层裂缝的微观性质对于判断储层含气量以及开采远景具有重要意义。本文以页岩气主要产区——川南地区页岩气气田泸201井的岩芯为主要研究对象,以手持显微镜、体式显微镜为主要观察工具,对岩芯进行了细观尺度下的观察,借助于图像软件对岩芯表面进行了图像重构,对储层裂缝的类别及特征、发育特征及矿物特征等进行了统计分析,并成功构建出研究区页岩岩芯二维裂缝模型。通过宏观到微观角度观察研究发现:(1)龙马溪组龙一1亚段1、2小层与五峰组页岩储层裂缝多为裂缝长度/岩芯周长小于25%的短裂缝,平均占比79.8%。(2)龙一1亚段1小层岩芯裂缝发育,其中以平行于层理的裂缝为主,龙一1亚段2小层天然微裂缝数量略低于1小层,而五峰组岩芯仅发现极少量微观可见的天然微裂缝。(3)岩芯表面观测到的主要矿物为黄铁矿、方解石。本文的主要创新点在于通过直观的方法对川南龙马溪组储层页岩的裂缝特征进行了统计分析,对于后续页岩气开采以及储层气体流动分析具有十分重要的意义。
天然气水合物储量巨大且富含甲烷,被视为21世纪最重要的潜在新型清洁能源之一。天然气水合物大多赋存在海底沉积物的孔隙介质中(少部分赋存于永久冻土层中),对其相变过程受孔隙介质影响规律的系统梳理和总结对未来的勘探开发具有重要意义。本文综合分析前人研究成果,将孔隙介质中天然气水合物的相变过程概化为水合物形成分解时的温压平衡条件变化、速率、稳定性、转化效率以及生长形态、分布状态等;将影响因素分为孔隙介质特性如孔径及粒径、润湿性、导热性能,以及孔隙介质中的物理化学因素如温压和水气条件,并总结了其影响规律和影响机理:(1)孔径及粒径能影响水合物温压平衡条件,较小粒径还能加快水合物相变速率,降低其转化效率。(2)润湿性能够决定水合物的微观生长形态及其与孔隙介质间的接触形式,亲水性强的介质表面能加快水合物的相变速率。(3)孔隙介质导热性能越强,水合物的相变速率越大。(4)温压条件控制下的温压驱动力越大,水合物的相变速率越大,但这种趋势不适用于温压驱动力过大的情形。(5)水气条件影响着水合物相变过程的温压平衡条件、相变速率、稳定性及分布状态。另外,本文分析了目前研究中的不足,并给出了未来的重点研究方向。 天然气水合物储量巨大且富含甲烷,被视为21世纪最重要的潜在新型清洁能源之一。天然气水合物大多赋存在海底沉积物的孔隙介质中(少部分赋存于永久冻土层中),对其相变过程受孔隙介质影响规律的系统梳理和总结对未来的勘探开发具有重要意义。本文综合分析前人研究成果,将孔隙介质中天然气水合物的相变过程概化为水合物形成分解时的温压平衡条件变化、速率、稳定性、转化效率以及生长形态、分布状态等;将影响因素分为孔隙介质特性如孔径及粒径、润湿性、导热性能,以及孔隙介质中的物理化学因素如温压和水气条件,并总结了其影响规律和影响机理:(1)孔径及粒径能影响水合物温压平衡条件,较小粒径还能加快水合物相变速率,降低其转化效率。(2)润湿性能够决定水合物的微观生长形态及其与孔隙介质间的接触形式,亲水性强的介质表面能加快水合物的相变速率。(3)孔隙介质导热性能越强,水合物的相变速率越大。(4)温压条件控制下的温压驱动力越大,水合物的相变速率越大,但这种趋势不适用于温压驱动力过大的情形。(5)水气条件影响着水合物相变过程的温压平衡条件、相变速率、稳定性及分布状态。另外,本文分析了目前研究中的不足,并给出了未来的重点研究方向。
岩土工程
高坝大库建设过程中,往往需要确定工程区附近岩土体在高水头作用下的渗透参数,钻孔高压压水试验是其中最常用的方法之一。与其他试验相比,高压压水试验具有很高的水头和渗流速度,很容易出现非线性渗流,这种情况下达西流公式不再适用,因此,亟需一种基于钻孔高压压水试验确定非线性参数的求解方法。本文建立了钻孔高压压水试验的非线性流数学模型,采用有限差分的方法,得到了阶梯水头变化情况下非线性流数学模型的数值解,并验证了该数值解的准确性。在此基础上讨论了非线性参数对水头和流速的影响,结合白鹤滩水电站玄武岩错动带现场高压压水试验,进一步验证了该方法的可靠性。结果表明,当非线性参数k和径向距离r保持不变时,非线性参数β越大则试验过程中的水头h和流速v都越小;当非线性参数β和径向距离r保持不变时,非线性参数k越大则试验过程中的水头h越小、流速v越大;且较大的βk均会使得高压压水试验能更快地趋于稳定状态。如果仍按照达西流公式进行计算,将会高估透水介质中的水头,进而高估玄武岩错动带结构面抵抗渗透破坏的能力,最终对工程稳定性产生不利影响。在白鹤滩水电站进行的钻孔高压压水试验过程中地下水发生了非线性运动,求得C2错动带的非线性参数β=1.62 min ·m-1k=9.60×10-3m ·min-1,该方法对于现场确定错动带非线性参数有较好的适用性。 高坝大库建设过程中,往往需要确定工程区附近岩土体在高水头作用下的渗透参数,钻孔高压压水试验是其中最常用的方法之一。与其他试验相比,高压压水试验具有很高的水头和渗流速度,很容易出现非线性渗流,这种情况下达西流公式不再适用,因此,亟需一种基于钻孔高压压水试验确定非线性参数的求解方法。本文建立了钻孔高压压水试验的非线性流数学模型,采用有限差分的方法,得到了阶梯水头变化情况下非线性流数学模型的数值解,并验证了该数值解的准确性。在此基础上讨论了非线性参数对水头和流速的影响,结合白鹤滩水电站玄武岩错动带现场高压压水试验,进一步验证了该方法的可靠性。结果表明,当非线性参数k和径向距离r保持不变时,非线性参数β越大则试验过程中的水头h和流速v都越小;当非线性参数β和径向距离r保持不变时,非线性参数k越大则试验过程中的水头h越小、流速v越大;且较大的βk均会使得高压压水试验能更快地趋于稳定状态。如果仍按照达西流公式进行计算,将会高估透水介质中的水头,进而高估玄武岩错动带结构面抵抗渗透破坏的能力,最终对工程稳定性产生不利影响。在白鹤滩水电站进行的钻孔高压压水试验过程中地下水发生了非线性运动,求得C2错动带的非线性参数β=1.62 min ·m-1k=9.60×10-3m ·min-1,该方法对于现场确定错动带非线性参数有较好的适用性。
岩土勘察取样数量有限是土工参数统计不确定性的重要来源,小样本条件下参数估计偏差向可靠度计算环节传递,导致分析结果呈现不确定性。针对小样本岩土参数 X ,围绕样本平均值X构造具有不同随机偏离程度的一系列假想参数总体均值 μ *,以μi*的不同取值为发生条件P(Bi)、对应的可靠度计算结果Pfi为条件概率P(A|Bi),基于Bayes全概率公式,建立了小样本岩土参数下计算边坡失效概率P(A)的条件概率分析方法。研究表明:参数正态总体的样本数量有限条件下,以t分布函数对总体均值μ发生抽样估计偏差(X-μ)的概率进行量化,以此作为权值对可靠度条件概率进行修正,得到更趋近可靠度真值的分析结果;由简单土坡算例验证,较之将样本平均值X替代总体均值μ进行可靠度计算的传统直接代入法,条件概率法能减小因参数估计偏差导致的计算结果离散性,一定程度上可提高小样本岩土参数下的边坡可靠性分析精准度。 岩土勘察取样数量有限是土工参数统计不确定性的重要来源,小样本条件下参数估计偏差向可靠度计算环节传递,导致分析结果呈现不确定性。针对小样本岩土参数 X ,围绕样本平均值X构造具有不同随机偏离程度的一系列假想参数总体均值 μ *,以μi*的不同取值为发生条件P(Bi)、对应的可靠度计算结果Pfi为条件概率P(A|Bi),基于Bayes全概率公式,建立了小样本岩土参数下计算边坡失效概率P(A)的条件概率分析方法。研究表明:参数正态总体的样本数量有限条件下,以t分布函数对总体均值μ发生抽样估计偏差(X-μ)的概率进行量化,以此作为权值对可靠度条件概率进行修正,得到更趋近可靠度真值的分析结果;由简单土坡算例验证,较之将样本平均值X替代总体均值μ进行可靠度计算的传统直接代入法,条件概率法能减小因参数估计偏差导致的计算结果离散性,一定程度上可提高小样本岩土参数下的边坡可靠性分析精准度。
以往的非饱和土竖井地基研究中未同时考虑竖井的井阻和涂抹作用,大部分按理想竖井进行研究,然而井阻和涂抹作用是影响非饱和土竖井地基固结的重要因素。针对这种情况,本文基于Fredlund非饱和土一维固结理论及等应变假设,引入变量将超孔隙压力耦合控制方程组转化为等价的线性偏微分方程组,考虑涂抹和井阻条件,并采用分离变量法和待定系数法,推导出了瞬时荷载下同时考虑井阻和涂抹作用的非饱和土竖井地基等应变固结解析解。将所得解析解进行退化,与既有的饱和土竖井地基等应变固结解析解对比,验证了本文解析解的正确性,并应用典型算例分析了井阻和涂抹作用对竖井地基固结的影响。结果表明,井阻因子G、井径比N、涂抹系数α及涂抹半径与竖井半径比S这四者任何一个值减小,非饱和土竖井地基的固结速度都将变快;井阻因子G小于0.1时,建议实际工程中不考虑井阻作用的影响;当涂抹半径与竖井半径比S大于5时,涂抹作用对竖井地基固结的影响与S=5时无明显差异。实际工程中建议提高非饱和土竖井地基的透水能力并减少施工扰动,以降低井阻和涂抹作用对非饱和土竖井地基固结影响。 以往的非饱和土竖井地基研究中未同时考虑竖井的井阻和涂抹作用,大部分按理想竖井进行研究,然而井阻和涂抹作用是影响非饱和土竖井地基固结的重要因素。针对这种情况,本文基于Fredlund非饱和土一维固结理论及等应变假设,引入变量将超孔隙压力耦合控制方程组转化为等价的线性偏微分方程组,考虑涂抹和井阻条件,并采用分离变量法和待定系数法,推导出了瞬时荷载下同时考虑井阻和涂抹作用的非饱和土竖井地基等应变固结解析解。将所得解析解进行退化,与既有的饱和土竖井地基等应变固结解析解对比,验证了本文解析解的正确性,并应用典型算例分析了井阻和涂抹作用对竖井地基固结的影响。结果表明,井阻因子G、井径比N、涂抹系数α及涂抹半径与竖井半径比S这四者任何一个值减小,非饱和土竖井地基的固结速度都将变快;井阻因子G小于0.1时,建议实际工程中不考虑井阻作用的影响;当涂抹半径与竖井半径比S大于5时,涂抹作用对竖井地基固结的影响与S=5时无明显差异。实际工程中建议提高非饱和土竖井地基的透水能力并减少施工扰动,以降低井阻和涂抹作用对非饱和土竖井地基固结影响。
本文采用自主设计的地面振动加速度监测系统对3个不同土性场地的钢板桩施工进行了现场监测,分析了钢板桩施工过程中的地面振动峰值加速度和振动频率特性,并探讨了振动衰减规律及对周边建筑物的影响。研究结果表明:土的强度对钢板桩施工振动的影响显著,钢板桩在低阻力土体中的贯入速率快,地面振动响应弱,而在高阻力的土体中贯入速率慢,地面振动相对大很多;钢板桩施工引起的地面径向和切向加速度在同一深度比较接近,且随着深度的增加有增大的趋势;振源距离和土性对钢板桩施工引起的地面振动主频率影响不大,地面振动主频率与桩锤施工频率之间呈较好的线性正相关关系;钢板桩施工振动在距振源4 m范围内衰减迅速,其施工对周围建筑物的最小安全距离要远小于挤土型桩基的施工。 本文采用自主设计的地面振动加速度监测系统对3个不同土性场地的钢板桩施工进行了现场监测,分析了钢板桩施工过程中的地面振动峰值加速度和振动频率特性,并探讨了振动衰减规律及对周边建筑物的影响。研究结果表明:土的强度对钢板桩施工振动的影响显著,钢板桩在低阻力土体中的贯入速率快,地面振动响应弱,而在高阻力的土体中贯入速率慢,地面振动相对大很多;钢板桩施工引起的地面径向和切向加速度在同一深度比较接近,且随着深度的增加有增大的趋势;振源距离和土性对钢板桩施工引起的地面振动主频率影响不大,地面振动主频率与桩锤施工频率之间呈较好的线性正相关关系;钢板桩施工振动在距振源4 m范围内衰减迅速,其施工对周围建筑物的最小安全距离要远小于挤土型桩基的施工。
在基坑设计计算中,就深基坑桩锚支护结构的受力与变形研究而言,目前运用较为广泛的是改进增量法理论,荷载增量的准确计算是该理论是否应用于实践的关键点,荷载增量的计算中是否应考虑开挖面以下土体因抗力系数变动引起弹性抗力变化释放的反力增量成为研究焦点,而对土体弹性抗力的影响因素却少有研究。鉴于此,本文在计算荷载增量时,综合考虑位移土压力及开挖面以下土体因抗力系数变动引起弹性抗力变化的影响,提出了更符合工程实际的增量计算方法。结合工程实例,编制了MATLAB计算程序,将其所得结果与未考虑前进行了对比,并进一步采用有限元软件PLAXIS对工程实例进行模拟,验证了此方法的合理性,结果表明本文提出的基于改进增量法的桩锚支护结构位移与内力计算方法是合理、可行的。最后对影响土体弹性抗力的两大因素——土体黏聚力c与内摩擦角φ,通过控制变量法分别进行了讨论分析,结果显示随着土体黏聚力c或内摩擦角φ的减小,桩身位移呈现逐渐增大的趋势,但最大位移都在基坑变形允许的范围内。 在基坑设计计算中,就深基坑桩锚支护结构的受力与变形研究而言,目前运用较为广泛的是改进增量法理论,荷载增量的准确计算是该理论是否应用于实践的关键点,荷载增量的计算中是否应考虑开挖面以下土体因抗力系数变动引起弹性抗力变化释放的反力增量成为研究焦点,而对土体弹性抗力的影响因素却少有研究。鉴于此,本文在计算荷载增量时,综合考虑位移土压力及开挖面以下土体因抗力系数变动引起弹性抗力变化的影响,提出了更符合工程实际的增量计算方法。结合工程实例,编制了MATLAB计算程序,将其所得结果与未考虑前进行了对比,并进一步采用有限元软件PLAXIS对工程实例进行模拟,验证了此方法的合理性,结果表明本文提出的基于改进增量法的桩锚支护结构位移与内力计算方法是合理、可行的。最后对影响土体弹性抗力的两大因素——土体黏聚力c与内摩擦角φ,通过控制变量法分别进行了讨论分析,结果显示随着土体黏聚力c或内摩擦角φ的减小,桩身位移呈现逐渐增大的趋势,但最大位移都在基坑变形允许的范围内。
为研究玄武岩纤维加筋黏土的力学特性及纤维加筋机理,采用ABAQUS有限元软件构建了玄武岩纤维加筋黏土数值分析模型,同时基于Python语言对ABAQUS建模进行了二次开发,按纤维与干土质量的百分比0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%和0.60%,考虑了不同纤维长度和分布模式的影响,建立了一系列玄武岩纤维加筋黏土的无侧限抗压试验数值分析模型,并结合室内试验结果进行了对比验证,探讨了纤维加筋机理。结果表明:(1)采用筋土分离的方法,在ABAQUS中基于Python语言进行二次开发可实现纤维加筋土模型的简化建立,模拟结果与室内试验结果基本相符; (2)玄武岩纤维的掺入可以显著提高土体的无侧限抗压强度,并减少土体的侧向鼓胀变形量,纤维掺量、长度和分布模式对土体强度和侧向鼓胀变形量均具有一定影响; (3)纤维加筋机理与纤维在土体中的受力特征有关,通过对不同掺量、长度和分布模式的纤维在土体中受力特征的分析,可以解释其对土体力学特性的影响规律。 为研究玄武岩纤维加筋黏土的力学特性及纤维加筋机理,采用ABAQUS有限元软件构建了玄武岩纤维加筋黏土数值分析模型,同时基于Python语言对ABAQUS建模进行了二次开发,按纤维与干土质量的百分比0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%和0.60%,考虑了不同纤维长度和分布模式的影响,建立了一系列玄武岩纤维加筋黏土的无侧限抗压试验数值分析模型,并结合室内试验结果进行了对比验证,探讨了纤维加筋机理。结果表明:(1)采用筋土分离的方法,在ABAQUS中基于Python语言进行二次开发可实现纤维加筋土模型的简化建立,模拟结果与室内试验结果基本相符; (2)玄武岩纤维的掺入可以显著提高土体的无侧限抗压强度,并减少土体的侧向鼓胀变形量,纤维掺量、长度和分布模式对土体强度和侧向鼓胀变形量均具有一定影响; (3)纤维加筋机理与纤维在土体中的受力特征有关,通过对不同掺量、长度和分布模式的纤维在土体中受力特征的分析,可以解释其对土体力学特性的影响规律。
为研究路基疏桩补偿软土地基的协配机制, 本文提出了疏桩补偿软土地基协力概念模型, 借助Mathematica软件进一步阐明了软土地基临界荷载的边载坡率和硬壳层关联机制, 通过理论分析建立了基于软土地基临界荷载的路基疏桩协力的疏桩承载力检算方法。疏桩间距与桩长协配设计实例分析, 不仅验证了路基疏桩补偿软土地基协力基桩承载力检算方法的可行性, 并揭示了疏桩路基坡趾被动区稳定不利地貌加剧失稳的破坏机制。研究结果表明, 提出的协力概念模型和基桩承载力检算方法具有较好的适用性, 同时阐明了超载预压方案慎用的必要性, 强调了控制路基填筑加载速率的重要性。 为研究路基疏桩补偿软土地基的协配机制, 本文提出了疏桩补偿软土地基协力概念模型, 借助Mathematica软件进一步阐明了软土地基临界荷载的边载坡率和硬壳层关联机制, 通过理论分析建立了基于软土地基临界荷载的路基疏桩协力的疏桩承载力检算方法。疏桩间距与桩长协配设计实例分析, 不仅验证了路基疏桩补偿软土地基协力基桩承载力检算方法的可行性, 并揭示了疏桩路基坡趾被动区稳定不利地貌加剧失稳的破坏机制。研究结果表明, 提出的协力概念模型和基桩承载力检算方法具有较好的适用性, 同时阐明了超载预压方案慎用的必要性, 强调了控制路基填筑加载速率的重要性。
拼缝渗漏水是盾构隧道最常见的病害表现形式,对衬砌的服役性能有重要影响。在前人研究成果的基础上,提出基于防水密封垫失效的拼缝有效开度假定,进而推导出基于拼缝有效开度的盾构隧道渗流量及衬砌等效渗透系数的实用计算公式。以国内较为通用的常规断面盾构隧道为例,利用上述实用公式估算其渗流量,并与基于块体离散元的数值模拟结果相互验证。再以3种不同几何形态的盾构隧道为原型,完成了135种不同工况下的渗流计算,探讨了有效开度、衬砌外水压及衬砌几何形态,对盾构隧道渗流量及衬砌等效渗透系数的影响。结果表明:拼缝有效开度对渗流量及等效渗透系数的影响十分显著,未考虑拼缝间密封垫失效的传统计算方法可能高估了盾构隧道衬砌的防水性能。本文所述实用计算公式,具有表达清晰、计算简便的特点,可为盾构隧道衬砌的防水设计及后续服役性能评价提供定性和定量的参考。 拼缝渗漏水是盾构隧道最常见的病害表现形式,对衬砌的服役性能有重要影响。在前人研究成果的基础上,提出基于防水密封垫失效的拼缝有效开度假定,进而推导出基于拼缝有效开度的盾构隧道渗流量及衬砌等效渗透系数的实用计算公式。以国内较为通用的常规断面盾构隧道为例,利用上述实用公式估算其渗流量,并与基于块体离散元的数值模拟结果相互验证。再以3种不同几何形态的盾构隧道为原型,完成了135种不同工况下的渗流计算,探讨了有效开度、衬砌外水压及衬砌几何形态,对盾构隧道渗流量及衬砌等效渗透系数的影响。结果表明:拼缝有效开度对渗流量及等效渗透系数的影响十分显著,未考虑拼缝间密封垫失效的传统计算方法可能高估了盾构隧道衬砌的防水性能。本文所述实用计算公式,具有表达清晰、计算简便的特点,可为盾构隧道衬砌的防水设计及后续服役性能评价提供定性和定量的参考。
工程地质信息
对2020年度工程地质领域(涵盖地质学学科下属的工程地质和环境地球科学学科下属的工程地质环境与灾害)的基金申请情况、资助情况、研究队伍等进行详细分析。工程地质领域的基金项目申请数量稳步上升,主要是青年基金项目、重点基金等申请数量不断增长,其他类型项目申请数量相对稳定。近10年的统计数据表明,同行评议专家对申请书的评议尺度保持稳定。面上项目申请者的年龄结构趋于年轻化,青年科学基金申请者的年龄结构比较合理。工程地质领域在多个不同的项目类型中都获得了资助,表现出较强竞争力。 对2020年度工程地质领域(涵盖地质学学科下属的工程地质和环境地球科学学科下属的工程地质环境与灾害)的基金申请情况、资助情况、研究队伍等进行详细分析。工程地质领域的基金项目申请数量稳步上升,主要是青年基金项目、重点基金等申请数量不断增长,其他类型项目申请数量相对稳定。近10年的统计数据表明,同行评议专家对申请书的评议尺度保持稳定。面上项目申请者的年龄结构趋于年轻化,青年科学基金申请者的年龄结构比较合理。工程地质领域在多个不同的项目类型中都获得了资助,表现出较强竞争力。

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