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岩土力学
高地应力区地下岩体工程开挖常形成围岩拉-压应力状态,发生岩体张性破坏灾害。本文针对传统PFC平行黏结模型不能模拟脆性岩石高单轴压缩与拉伸强度比的问题,建立双抗拉强度参数的平行黏结强度准则,开展岩石拉-压数值模拟试验,得到了与物理试验接近的拉-压强度,实现了岩石高压拉强度比的模拟,并深入分析了破坏机制。研究结果表明随着围压的增加,破裂面倾角逐渐增大,由拉伸破裂转化为拉-剪破裂,发现了拉-压应力状态下破裂面处的雁行裂纹。根据细观颗粒位移场揭示了破裂面力学性质,随着围压的增加(破裂面倾角逐渐增大),破裂面张性逐渐减弱而剪性增强。可将拉-压应力状态下岩石损伤演化过程大致分为弹性变形阶段、稳定破裂发展阶段、不稳定破裂发展阶段和整体破裂阶段(峰后应力跌落及残余阶段)。围压较大时弹性变形和稳定破裂发展阶段相对较短,不稳定破裂发展阶段相对较长较剧烈,峰后残余阶段破裂面摩擦更强、应力波动较大。 高地应力区地下岩体工程开挖常形成围岩拉-压应力状态,发生岩体张性破坏灾害。本文针对传统PFC平行黏结模型不能模拟脆性岩石高单轴压缩与拉伸强度比的问题,建立双抗拉强度参数的平行黏结强度准则,开展岩石拉-压数值模拟试验,得到了与物理试验接近的拉-压强度,实现了岩石高压拉强度比的模拟,并深入分析了破坏机制。研究结果表明随着围压的增加,破裂面倾角逐渐增大,由拉伸破裂转化为拉-剪破裂,发现了拉-压应力状态下破裂面处的雁行裂纹。根据细观颗粒位移场揭示了破裂面力学性质,随着围压的增加(破裂面倾角逐渐增大),破裂面张性逐渐减弱而剪性增强。可将拉-压应力状态下岩石损伤演化过程大致分为弹性变形阶段、稳定破裂发展阶段、不稳定破裂发展阶段和整体破裂阶段(峰后应力跌落及残余阶段)。围压较大时弹性变形和稳定破裂发展阶段相对较短,不稳定破裂发展阶段相对较长较剧烈,峰后残余阶段破裂面摩擦更强、应力波动较大。
为研究超细水泥含量对水泥固化软土的早期力学性能的影响,本文通过在普通水泥中加入不同掺量的超细水泥组成复合水泥固化剂用以固化软土。具体研究不同超细水泥掺量、不同初始含水率、及不同养护围压条件下,复合水泥固化剂对固化软土早期抗压强度及刚度的影响。采用自制K0围压养护装置(施加不同轴向压力的方式)、无侧限抗压强度仪(UCS)、X射线衍射仪(XRD)、电镜扫描仪(SEM)和低场核磁共振孔隙测试仪(NMR)等试验手段获取复合水泥固化软土不同龄期的抗压强度、刚度及微观结构的变化规律,并揭示其固化机理。研究结果表明:(1)相同轴向压力作用下,随着超细水泥掺量的增加,固化软土的抗压强度和弹性模量均有提高,其中复合固化剂中的活性颗粒发生水化反应生成大量胶凝产物用以黏聚土颗粒和填充孔隙,惰性颗粒用于填充土颗粒间的孔隙;(2)随着含水率的提高,固化软土中孔相对发育,从而使固化软土结构致密性减弱,抗压强度降低;(3)在K0围压养护7d时,固化软土的抗压强度和弹性模量随着轴向压力的提高而增加,表明养护围压对软土颗粒的压缩作用能提高固化软土的密实性,同时围压对固化软土产生有效应力,与水化产物共同促进固化软土形成密实的土骨架,进而使其在7d内具有较高的抗压强度。基于试验结果,建立轴向压力、含水率和超细水泥掺量等多因素的固化软土强度预测公式,并提出复合水泥固化软土结构模型,为工程实践提供理论基础。 为研究超细水泥含量对水泥固化软土的早期力学性能的影响,本文通过在普通水泥中加入不同掺量的超细水泥组成复合水泥固化剂用以固化软土。具体研究不同超细水泥掺量、不同初始含水率、及不同养护围压条件下,复合水泥固化剂对固化软土早期抗压强度及刚度的影响。采用自制K0围压养护装置(施加不同轴向压力的方式)、无侧限抗压强度仪(UCS)、X射线衍射仪(XRD)、电镜扫描仪(SEM)和低场核磁共振孔隙测试仪(NMR)等试验手段获取复合水泥固化软土不同龄期的抗压强度、刚度及微观结构的变化规律,并揭示其固化机理。研究结果表明:(1)相同轴向压力作用下,随着超细水泥掺量的增加,固化软土的抗压强度和弹性模量均有提高,其中复合固化剂中的活性颗粒发生水化反应生成大量胶凝产物用以黏聚土颗粒和填充孔隙,惰性颗粒用于填充土颗粒间的孔隙;(2)随着含水率的提高,固化软土中孔相对发育,从而使固化软土结构致密性减弱,抗压强度降低;(3)在K0围压养护7d时,固化软土的抗压强度和弹性模量随着轴向压力的提高而增加,表明养护围压对软土颗粒的压缩作用能提高固化软土的密实性,同时围压对固化软土产生有效应力,与水化产物共同促进固化软土形成密实的土骨架,进而使其在7d内具有较高的抗压强度。基于试验结果,建立轴向压力、含水率和超细水泥掺量等多因素的固化软土强度预测公式,并提出复合水泥固化软土结构模型,为工程实践提供理论基础。
目前利用无损检测技术来评价微生物矿化反应加固效果的研究较少。在试验确定微生物灌浆周期、灌浆速率以及最优灌浆间距的基础上,结合填筑体内部进行管路灌浆的思想自主设计了用于填筑体加固的多层多孔灌浆管道系统,利用该系统开展泥质页岩残积土的微生物灌浆室内模型试验。利用超声波检测技术,针对循环灌浆得到的残积土胶结体开展详细的加固效果分析,结果表明:(1)利用多层多孔灌浆管道系统对填筑体进行微生物诱导方解石沉淀(MICP)技术处理后,残积土填筑模型的超声波速增大明显,表明采用该灌浆方法可有效提高填筑体密实度,证明了应用自主设计的多孔灌浆系统进行填筑体加固的可行性;(2)利用超声波检测技术测定不同灌浆阶段填筑体的正、侧面波速,发现其波速与增量呈左右对称分布,且随着微生物注浆加固次数的增加,模型加固区域逐步向上部土体扩散,其中中部土体加固效果较强;探究了填筑体内部的加固规律以及超声波速技术用于评价加固效果的可行性;(3)利用超声波检测技术,采用“正面提供权重,侧面提供波速”的方法对各测点的波速进行推算,得到填筑体的波速值云图,进一步揭示了填筑体内部密实度的变化规律。研究结论可为微生物加固填筑体的效果分析提供借鉴与依据。 目前利用无损检测技术来评价微生物矿化反应加固效果的研究较少。在试验确定微生物灌浆周期、灌浆速率以及最优灌浆间距的基础上,结合填筑体内部进行管路灌浆的思想自主设计了用于填筑体加固的多层多孔灌浆管道系统,利用该系统开展泥质页岩残积土的微生物灌浆室内模型试验。利用超声波检测技术,针对循环灌浆得到的残积土胶结体开展详细的加固效果分析,结果表明:(1)利用多层多孔灌浆管道系统对填筑体进行微生物诱导方解石沉淀(MICP)技术处理后,残积土填筑模型的超声波速增大明显,表明采用该灌浆方法可有效提高填筑体密实度,证明了应用自主设计的多孔灌浆系统进行填筑体加固的可行性;(2)利用超声波检测技术测定不同灌浆阶段填筑体的正、侧面波速,发现其波速与增量呈左右对称分布,且随着微生物注浆加固次数的增加,模型加固区域逐步向上部土体扩散,其中中部土体加固效果较强;探究了填筑体内部的加固规律以及超声波速技术用于评价加固效果的可行性;(3)利用超声波检测技术,采用“正面提供权重,侧面提供波速”的方法对各测点的波速进行推算,得到填筑体的波速值云图,进一步揭示了填筑体内部密实度的变化规律。研究结论可为微生物加固填筑体的效果分析提供借鉴与依据。
对以轴平移技术为原理的压力板测试系统进行改进,增加了数据自动采集系统,储水冲刷系统和气泡体积测量系统。解决了陶土板底部气泡体积测量问题。本次试验与常规平衡态测试非饱和土土-水特征曲线方法不同,在改进的压力板仪测试系统上对粉土试样开展动态多步流动实验。根据在Origin建立的非饱和土饱和度时间演化模型方程,对实测数据进行非线性拟合得出未知参数容水率C和特征时间τ,最终得到平衡状态下的土-水特征曲线的脱湿曲线。与常规平衡状态下测得的土-水特征曲线进行对比后能较好地重合。此方法在改进的压力板仪测试系统上测得一条脱湿曲线的时间为5d左右,具有较高准确性,与常规平衡态测试方法相比可以大大节省时间,方便快捷。 对以轴平移技术为原理的压力板测试系统进行改进,增加了数据自动采集系统,储水冲刷系统和气泡体积测量系统。解决了陶土板底部气泡体积测量问题。本次试验与常规平衡态测试非饱和土土-水特征曲线方法不同,在改进的压力板仪测试系统上对粉土试样开展动态多步流动实验。根据在Origin建立的非饱和土饱和度时间演化模型方程,对实测数据进行非线性拟合得出未知参数容水率C和特征时间τ,最终得到平衡状态下的土-水特征曲线的脱湿曲线。与常规平衡状态下测得的土-水特征曲线进行对比后能较好地重合。此方法在改进的压力板仪测试系统上测得一条脱湿曲线的时间为5d左右,具有较高准确性,与常规平衡态测试方法相比可以大大节省时间,方便快捷。
岩土体的剪切破坏是地质工程领域较为常见的诱灾机制,岩土剪切变形的监测对于岩土工程防灾减灾至关重要。光纤传感技术因其可实现高灵敏度的分布式应变监测,成为获取岩土剪切位移信息的潜在手段之一。本文利用全分布式光频域反射(OFDR)技术及粒子图像测速(PIV)技术,开展了土体剪切位移监测可行性的试验研究。在充分考虑直埋式应变传感光缆和周围土体变形协调的基础上,探究了剪切试验中光缆应变测值与土体剪切位移之间的关联,并提出了实现两者转换的光纤应变积分法。试验结果显示:在光缆和土体耦合良好的阶段,光缆伸长计算值与土体剪切位移之间存在线性关系,使用高精度、高空间分辨率的OFDR技术监测土体剪切位移具备可行性;在光缆上布设管式锚固点或提高围压可以增加光缆和土体的耦合性能,进而获得更好的剪切位移监测效果。 岩土体的剪切破坏是地质工程领域较为常见的诱灾机制,岩土剪切变形的监测对于岩土工程防灾减灾至关重要。光纤传感技术因其可实现高灵敏度的分布式应变监测,成为获取岩土剪切位移信息的潜在手段之一。本文利用全分布式光频域反射(OFDR)技术及粒子图像测速(PIV)技术,开展了土体剪切位移监测可行性的试验研究。在充分考虑直埋式应变传感光缆和周围土体变形协调的基础上,探究了剪切试验中光缆应变测值与土体剪切位移之间的关联,并提出了实现两者转换的光纤应变积分法。试验结果显示:在光缆和土体耦合良好的阶段,光缆伸长计算值与土体剪切位移之间存在线性关系,使用高精度、高空间分辨率的OFDR技术监测土体剪切位移具备可行性;在光缆上布设管式锚固点或提高围压可以增加光缆和土体的耦合性能,进而获得更好的剪切位移监测效果。
为了掌握南海钙质砂压缩变形特征及其微观机制,对3种不同粒组(S1:1.43~2mm、S2:0.5~1mm、S3:0.5~2mm)的钙质砂进行100~3200kPa压力范围的压缩试验,利用自制的砂土微观结构提取装置和图像处理软件(PCAS)获得并分析了钙质砂压缩过程中微观结构。结果表明:(1)钙质砂的大小、形状和级配对颗粒的破碎具有显著影响,当压力较低时(<800kPa),粒径较大的S1组以砂颗粒棱角破碎为主;粒径较小的S2组没有明显破裂,相对规则的颗粒形态使S2粒组在该压力范围内主要因颗粒的滚动与重分布导致压缩;级配良好的S3组除部分低宽度断肢状颗粒外其余大小、形态颗粒无明显破裂。(2)当压力较大时(>800kPa),S1组钙质砂逐渐转向以颗粒的整体破坏为主的破碎形式;S2、S3两组试样随着密实度的提高,砂颗粒的破坏以整体破碎为主。基于对破碎过程中试样微观结构变化的提取与分析,总结并提出了控制钙质砂颗粒破碎的4种接触模式:点-线接触、线-面接触、面-面接触和复合接触,可用于判断不同条件下的颗粒破碎形式。最后,讨论了钙质砂在破碎过程中颗粒几何参数的变化。 为了掌握南海钙质砂压缩变形特征及其微观机制,对3种不同粒组(S1:1.43~2mm、S2:0.5~1mm、S3:0.5~2mm)的钙质砂进行100~3200kPa压力范围的压缩试验,利用自制的砂土微观结构提取装置和图像处理软件(PCAS)获得并分析了钙质砂压缩过程中微观结构。结果表明:(1)钙质砂的大小、形状和级配对颗粒的破碎具有显著影响,当压力较低时(<800kPa),粒径较大的S1组以砂颗粒棱角破碎为主;粒径较小的S2组没有明显破裂,相对规则的颗粒形态使S2粒组在该压力范围内主要因颗粒的滚动与重分布导致压缩;级配良好的S3组除部分低宽度断肢状颗粒外其余大小、形态颗粒无明显破裂。(2)当压力较大时(>800kPa),S1组钙质砂逐渐转向以颗粒的整体破坏为主的破碎形式;S2、S3两组试样随着密实度的提高,砂颗粒的破坏以整体破碎为主。基于对破碎过程中试样微观结构变化的提取与分析,总结并提出了控制钙质砂颗粒破碎的4种接触模式:点-线接触、线-面接触、面-面接触和复合接触,可用于判断不同条件下的颗粒破碎形式。最后,讨论了钙质砂在破碎过程中颗粒几何参数的变化。
钙质砂通常是指碳酸钙含量大于50%的沉积物,与普通石英砂相比,其具有特殊的物理力学性质。圆锥动力触探试验是一种常用的土工原位测试方法,目前有关动力触探贯入指标与土体物理力学性质之间关系的研究多集中于黏土和普通石英砂,针对钙质砂的相关成果较少。有鉴于钙质砂的特殊性质,现有的评价方法是否适用于钙质砂存在较大的争议。为解决这一问题,本次研究在总结前人研究成果的基础上,通过现场轻型动力触探试验,对其贯入指标与钙质砂平均粒径、各类密度和密实度之间的关系进行了探讨,采用数据拟合的方法建立了动力触探贯入指标与相应物理指标之间的表达式。残差分析显示,这些公式具有一定的精度,相应的研究成果可为相关规范的修订以及实际工程的设计与施工提供参考。 钙质砂通常是指碳酸钙含量大于50%的沉积物,与普通石英砂相比,其具有特殊的物理力学性质。圆锥动力触探试验是一种常用的土工原位测试方法,目前有关动力触探贯入指标与土体物理力学性质之间关系的研究多集中于黏土和普通石英砂,针对钙质砂的相关成果较少。有鉴于钙质砂的特殊性质,现有的评价方法是否适用于钙质砂存在较大的争议。为解决这一问题,本次研究在总结前人研究成果的基础上,通过现场轻型动力触探试验,对其贯入指标与钙质砂平均粒径、各类密度和密实度之间的关系进行了探讨,采用数据拟合的方法建立了动力触探贯入指标与相应物理指标之间的表达式。残差分析显示,这些公式具有一定的精度,相应的研究成果可为相关规范的修订以及实际工程的设计与施工提供参考。
离散态颗粒物质具有明显不同于普通固体的界面摩擦特性,而摩擦系数是界面摩擦特性的主要表征参数之一。通过倾斜仪开展不同级配条件下颗粒材料的滑动摩擦试验,基于视频图像解析以及函数拟合方法,建立滑动位移与滑动时间的最佳函数拟合关系,分析滑动过程的加速度并推算底面动摩擦系数,研究颗粒粒径、质量配比等级配因素对颗粒材料底面动摩擦系数的影响。研究结果表明:(1)各级配颗粒材料的平均底面动摩擦系数随着运动时间的增加均呈线性减小趋势;(2)对于单粒径材料,与粗颗粒相比,细颗粒具有较大的底面动摩擦系数;(3)对于双粒径材料,随着细颗粒含量的增加,颗粒材料的平均底面动摩擦系数先急剧降低至最小值(细颗粒含量≤40%),后急剧增加(细颗粒含量40% ~60%),最终增加趋势明显变缓(细颗粒含量≥60%)。 离散态颗粒物质具有明显不同于普通固体的界面摩擦特性,而摩擦系数是界面摩擦特性的主要表征参数之一。通过倾斜仪开展不同级配条件下颗粒材料的滑动摩擦试验,基于视频图像解析以及函数拟合方法,建立滑动位移与滑动时间的最佳函数拟合关系,分析滑动过程的加速度并推算底面动摩擦系数,研究颗粒粒径、质量配比等级配因素对颗粒材料底面动摩擦系数的影响。研究结果表明:(1)各级配颗粒材料的平均底面动摩擦系数随着运动时间的增加均呈线性减小趋势;(2)对于单粒径材料,与粗颗粒相比,细颗粒具有较大的底面动摩擦系数;(3)对于双粒径材料,随着细颗粒含量的增加,颗粒材料的平均底面动摩擦系数先急剧降低至最小值(细颗粒含量≤40%),后急剧增加(细颗粒含量40% ~60%),最终增加趋势明显变缓(细颗粒含量≥60%)。
地质灾害
针对斜坡地质灾害调查评价目的性不强、预测性不够等问题,提出了建立“坡长制斜坡地质灾害防治体系”的构想,主张斜坡地质灾害的调查评价和防控应以划定的斜坡单元为基础,在充分把握斜坡的致灾条件、孕灾过程、危险性和风险性的前提下,制定针对性的预警体系、管理规则和管控措施,进而实现地质灾害风险的系统防控。论文以湖南省麻阳县重点地区地质灾害详查为例,系统阐述了建立坡长制斜坡地质灾害防治体系的基本过程、调查评价方法和指标体系,并在此基础上对坡长制体系建设涉及的重点地区选择依据、确定方法, 斜坡单元的确定方法和主要调查评价的内容, 坡长的遴选方法、标准及其责权利, 斜坡单元的管控流程、核心内容、预警模型、法制体系等技术要点做了全面的分析并提出了作者的推荐性意见。该坡长制斜坡地质灾害防治体系的建立和不断完善,必将对我国区域地质灾害防治水平的提升产生积极的促进作用。 针对斜坡地质灾害调查评价目的性不强、预测性不够等问题,提出了建立“坡长制斜坡地质灾害防治体系”的构想,主张斜坡地质灾害的调查评价和防控应以划定的斜坡单元为基础,在充分把握斜坡的致灾条件、孕灾过程、危险性和风险性的前提下,制定针对性的预警体系、管理规则和管控措施,进而实现地质灾害风险的系统防控。论文以湖南省麻阳县重点地区地质灾害详查为例,系统阐述了建立坡长制斜坡地质灾害防治体系的基本过程、调查评价方法和指标体系,并在此基础上对坡长制体系建设涉及的重点地区选择依据、确定方法, 斜坡单元的确定方法和主要调查评价的内容, 坡长的遴选方法、标准及其责权利, 斜坡单元的管控流程、核心内容、预警模型、法制体系等技术要点做了全面的分析并提出了作者的推荐性意见。该坡长制斜坡地质灾害防治体系的建立和不断完善,必将对我国区域地质灾害防治水平的提升产生积极的促进作用。
2020年3月30日四川省凉山彝族自治州西昌市经久乡发生特大森林火灾,大火持续3 d,过火面积超30 km2。山火后在坡面堆积了厚度1~5 cm不等的灰烬层,同时火烧迹地本身结构被扰动,在强降雨条件下极易诱发火后泥石流灾害,对附近学校、居民集中居住点,尤其是泸山—邛海风景区等重要基础设施及人民生命财产构成了严重威胁。通过遥感解译、野外调查及勘查,查明了不同火烈度及对应火烧迹地灰烬层和结构扰动特点,表明重度、中度和轻度火烧区分别占比46.8%、37.9%和15.3%,且火烧区火烧迹地坡面灰烬及土壤结构扰动层平均厚度与火烈度成正比,其中轻度、中度和重度火烧区平均厚度分别为1.20 cm,3.23 cm和5.04 cm。提出了基于中度及重度火烈度区面积占比、火烧迹地坡面灰烬及结构扰动层厚度、产沙区平均坡度、主沟平均纵比降、沟道流域面积5个影响因子,采用专家经验法对火烧区共63条潜在泥石流沟道进行火后泥石流易发性评价,结果表明:火烧区所有沟道中,有29条为高易发,占总数的46.0%;23条为中等易发,占总数的36.5%;8条为低等易发,占总数的12.7%;3条为不易发性,占总数的4.8%。考虑火烧区超过50%以上的沟道流域面积不足0.2 km2,且这些沟道平均纵比降大,坡面灰烬、泥沙等松散物源堆积较厚,使得中等及高等易发性泥石流沟道数量占比高达82.5%,一遇集中降雨,发生火后泥石流可能性极大。 2020年3月30日四川省凉山彝族自治州西昌市经久乡发生特大森林火灾,大火持续3 d,过火面积超30 km2。山火后在坡面堆积了厚度1~5 cm不等的灰烬层,同时火烧迹地本身结构被扰动,在强降雨条件下极易诱发火后泥石流灾害,对附近学校、居民集中居住点,尤其是泸山—邛海风景区等重要基础设施及人民生命财产构成了严重威胁。通过遥感解译、野外调查及勘查,查明了不同火烈度及对应火烧迹地灰烬层和结构扰动特点,表明重度、中度和轻度火烧区分别占比46.8%、37.9%和15.3%,且火烧区火烧迹地坡面灰烬及土壤结构扰动层平均厚度与火烈度成正比,其中轻度、中度和重度火烧区平均厚度分别为1.20 cm,3.23 cm和5.04 cm。提出了基于中度及重度火烈度区面积占比、火烧迹地坡面灰烬及结构扰动层厚度、产沙区平均坡度、主沟平均纵比降、沟道流域面积5个影响因子,采用专家经验法对火烧区共63条潜在泥石流沟道进行火后泥石流易发性评价,结果表明:火烧区所有沟道中,有29条为高易发,占总数的46.0%;23条为中等易发,占总数的36.5%;8条为低等易发,占总数的12.7%;3条为不易发性,占总数的4.8%。考虑火烧区超过50%以上的沟道流域面积不足0.2 km2,且这些沟道平均纵比降大,坡面灰烬、泥沙等松散物源堆积较厚,使得中等及高等易发性泥石流沟道数量占比高达82.5%,一遇集中降雨,发生火后泥石流可能性极大。
日扎潜在巨型岩质滑坡位于四川降曲河左岸,多高山峡谷且河流纵坡降大,晚更新世以来强烈活动的金沙江断裂带东界断裂从斜坡坡脚通过。本文在遥感解译、现场调查和物探测试分析的基础上,对日扎滑坡的发育特征和形成机理进行了分析研究,认为日扎滑坡是在断裂活动、岩溶水、长期卸荷和重力作用下形成的一个潜在巨型深层岩质滑坡,在空间上可划分为后部拉裂变形区(Ⅰ)、中部挤压变形区(Ⅱ)和坡脚应力集中区(Ⅲ)等3个分区。目前日扎潜在巨型滑坡以后部蠕滑变形为主,在其后缘发育4条拉裂缝,物探推测最大裂缝宽度达30~35 m、深度达190 m。研究认为,日扎潜在巨型滑坡存在两种主要失稳模式:(1)高位剪出失稳,推测潜在失稳体积分别为(7.9~10.2)×107 m3(H1)、(2.3~2.9)×108 m3(H2)、(4.8~7.2)×108 m3(H3)和(6~10)×108 m3(H4);(2)深部蠕滑变形,在滑体深部存在蠕变带和锁固段,最大蠕动变形体厚度约300 m(H5)。日扎滑坡在长期卸荷与重力、地震和岩溶水等作用下容易造成锁固段力学强度弱化和失稳,发生高位启动-滑动-堵江灾害链,深层蠕变带容易对建设其中的深埋隧道等重大工程造成危害。该类潜在巨型岩质滑坡在青藏高原地区具有典型性,建议对日扎潜在巨型滑坡进行深入勘察,查明其空间结构特征与稳定性,必要时进行监测预警。 日扎潜在巨型岩质滑坡位于四川降曲河左岸,多高山峡谷且河流纵坡降大,晚更新世以来强烈活动的金沙江断裂带东界断裂从斜坡坡脚通过。本文在遥感解译、现场调查和物探测试分析的基础上,对日扎滑坡的发育特征和形成机理进行了分析研究,认为日扎滑坡是在断裂活动、岩溶水、长期卸荷和重力作用下形成的一个潜在巨型深层岩质滑坡,在空间上可划分为后部拉裂变形区(Ⅰ)、中部挤压变形区(Ⅱ)和坡脚应力集中区(Ⅲ)等3个分区。目前日扎潜在巨型滑坡以后部蠕滑变形为主,在其后缘发育4条拉裂缝,物探推测最大裂缝宽度达30~35 m、深度达190 m。研究认为,日扎潜在巨型滑坡存在两种主要失稳模式:(1)高位剪出失稳,推测潜在失稳体积分别为(7.9~10.2)×107 m3(H1)、(2.3~2.9)×108 m3(H2)、(4.8~7.2)×108 m3(H3)和(6~10)×108 m3(H4);(2)深部蠕滑变形,在滑体深部存在蠕变带和锁固段,最大蠕动变形体厚度约300 m(H5)。日扎滑坡在长期卸荷与重力、地震和岩溶水等作用下容易造成锁固段力学强度弱化和失稳,发生高位启动-滑动-堵江灾害链,深层蠕变带容易对建设其中的深埋隧道等重大工程造成危害。该类潜在巨型岩质滑坡在青藏高原地区具有典型性,建议对日扎潜在巨型滑坡进行深入勘察,查明其空间结构特征与稳定性,必要时进行监测预警。
西藏拉萨—羊八井段建有青藏铁路、京拉公路(G109)、京藏高速(G6)三大重要交通工程和大量输电线路。然而,该区段山高坡陡,崩塌灾害频发,给交通和输电的安全运营带来极大的威胁。现阶段对崩塌灾害的分析与预测多是基于地形剖面的二维方法,限制了崩塌块石的运动方向,难以对崩塌的影响范围进行有效的评估。鉴于此,作者借助现场调查、基于无人机航摄的高精度三维地表形貌建模、崩塌运动的三维数值模拟等方法,以青藏铁路设兴村段崩塌为例,分析了历史崩塌块石分布、岩体结构面产状和危岩区特征,并进行了崩塌块石的运动学模拟。通过模拟获得了崩塌的影响范围和到达概率、优势运动路径以及优势运动路径下危岩区块石距坡面的高度和动能,结果表明危岩区的崩塌块石主要威胁输电线路和京拉公路,对青藏铁路和京藏高速无影响。相关模拟结果还对于崩塌防护范围、高度和强度的确定具有指导意义。 西藏拉萨—羊八井段建有青藏铁路、京拉公路(G109)、京藏高速(G6)三大重要交通工程和大量输电线路。然而,该区段山高坡陡,崩塌灾害频发,给交通和输电的安全运营带来极大的威胁。现阶段对崩塌灾害的分析与预测多是基于地形剖面的二维方法,限制了崩塌块石的运动方向,难以对崩塌的影响范围进行有效的评估。鉴于此,作者借助现场调查、基于无人机航摄的高精度三维地表形貌建模、崩塌运动的三维数值模拟等方法,以青藏铁路设兴村段崩塌为例,分析了历史崩塌块石分布、岩体结构面产状和危岩区特征,并进行了崩塌块石的运动学模拟。通过模拟获得了崩塌的影响范围和到达概率、优势运动路径以及优势运动路径下危岩区块石距坡面的高度和动能,结果表明危岩区的崩塌块石主要威胁输电线路和京拉公路,对青藏铁路和京藏高速无影响。相关模拟结果还对于崩塌防护范围、高度和强度的确定具有指导意义。
针对3DEC软件在建立滑坡模型前处理功能上的不足,本文提出了一种基于MATLAB平台构建复杂滑坡数值模型的前处理方法。以滑坡发生前后的地形数据为基础,通过Distmesh工具箱进行滑坡区域的三角网格剖分与高程插值,生成三棱柱体构建滑床与滑体。同时借助Multi-Parametric Toolbox几何库中的函数生成Voronoi多面体来模拟滑坡路径上的基底物质,编写相应函数以获取块体的拓扑信息,并依据3DEC的语法规则将其转化输出为3DEC可读取的命令文本文件,实现了复杂滑坡模型的快速建立。最后以四川省茂县新磨村滑坡为例,详细叙述了滑坡数值模型的建模步骤。数值模拟结果表明,该方法建立的模型能够较好地重现滑坡运动过程、沿程铲刮现象以及最终堆积形态,验证了该方法的可行性和实用性。 针对3DEC软件在建立滑坡模型前处理功能上的不足,本文提出了一种基于MATLAB平台构建复杂滑坡数值模型的前处理方法。以滑坡发生前后的地形数据为基础,通过Distmesh工具箱进行滑坡区域的三角网格剖分与高程插值,生成三棱柱体构建滑床与滑体。同时借助Multi-Parametric Toolbox几何库中的函数生成Voronoi多面体来模拟滑坡路径上的基底物质,编写相应函数以获取块体的拓扑信息,并依据3DEC的语法规则将其转化输出为3DEC可读取的命令文本文件,实现了复杂滑坡模型的快速建立。最后以四川省茂县新磨村滑坡为例,详细叙述了滑坡数值模型的建模步骤。数值模拟结果表明,该方法建立的模型能够较好地重现滑坡运动过程、沿程铲刮现象以及最终堆积形态,验证了该方法的可行性和实用性。
因暴雨、地震和岩羊踩踏等不确定因素,贺兰口沟口至“水关”处发育的34处孤石极易失稳滚落形成落石对岩画和游人安全构成严重威胁。通过对34处孤石数量、成因、分布、岩性和几何特征全面调查与分析的基础上,运用Rocfall软件分析其失稳后的运动过程和能量变化进行分析,得出如下结论:(1)薄层状变质砂岩风化内凹的临空面、岩层层面与两组节理组合切割巨厚层砂岩失稳后堆积于坡面;(2)将落石划分为基岩裸露型、孤石带型和坡面泥石流型3种不同类型;(3)数值模拟结果显示,失稳后弹跳落点有52%~95%的概率在岩画赋存区,所具有能量为301~8412 kJ;最终落点有51%~95%的概率在游客栈道,所具有能量为299~7698 kJ;(4)监测结果表明,水剂比为0.32、平行布孔、间排距20 cm和抵抗线20 cm布置方案为最优,静态破碎结合人工搬运为岩画保护区落石源头治理的最佳方案。为贺兰口岩画保护区落石灾害的源头治理提供了新的途径与参考。 因暴雨、地震和岩羊踩踏等不确定因素,贺兰口沟口至“水关”处发育的34处孤石极易失稳滚落形成落石对岩画和游人安全构成严重威胁。通过对34处孤石数量、成因、分布、岩性和几何特征全面调查与分析的基础上,运用Rocfall软件分析其失稳后的运动过程和能量变化进行分析,得出如下结论:(1)薄层状变质砂岩风化内凹的临空面、岩层层面与两组节理组合切割巨厚层砂岩失稳后堆积于坡面;(2)将落石划分为基岩裸露型、孤石带型和坡面泥石流型3种不同类型;(3)数值模拟结果显示,失稳后弹跳落点有52%~95%的概率在岩画赋存区,所具有能量为301~8412 kJ;最终落点有51%~95%的概率在游客栈道,所具有能量为299~7698 kJ;(4)监测结果表明,水剂比为0.32、平行布孔、间排距20 cm和抵抗线20 cm布置方案为最优,静态破碎结合人工搬运为岩画保护区落石源头治理的最佳方案。为贺兰口岩画保护区落石灾害的源头治理提供了新的途径与参考。
土石混合体是由软弱的土颗粒与刚度较大、强度较高的块石混合而成,因此土石混合体边坡失稳时,其滑动面受块石-土形成的细观结构特征影响,导致边坡稳定性分析存在诸多困难。本文基于一典型的土石混合体边坡,建立颗粒离散元数值模型,通过室内试验标定土体细观参数,结合强度折减法分析土石混合体边坡与纯土体边坡破坏模式及滑面形态的差别。结果表明:块石的存在使得土石混合体边坡的接触力链分布极不均匀,块石的存在使接触力链形成闭环,增大了滑动面积,对边坡有加固作用;土石混合体边坡的滑面发展趋势总倾向于穿过块石间的缝隙,滑面的发展与块石分布状况相关联;当块石含量达到20%以上时,边坡稳定性显著提高;块石含量达到30%~50%时,滑坡以局部块体运动为主,无法形成连续的滑动面。研究成果可为土石混合体边坡的变形破坏机理分析提供依据与参考。 土石混合体是由软弱的土颗粒与刚度较大、强度较高的块石混合而成,因此土石混合体边坡失稳时,其滑动面受块石-土形成的细观结构特征影响,导致边坡稳定性分析存在诸多困难。本文基于一典型的土石混合体边坡,建立颗粒离散元数值模型,通过室内试验标定土体细观参数,结合强度折减法分析土石混合体边坡与纯土体边坡破坏模式及滑面形态的差别。结果表明:块石的存在使得土石混合体边坡的接触力链分布极不均匀,块石的存在使接触力链形成闭环,增大了滑动面积,对边坡有加固作用;土石混合体边坡的滑面发展趋势总倾向于穿过块石间的缝隙,滑面的发展与块石分布状况相关联;当块石含量达到20%以上时,边坡稳定性显著提高;块石含量达到30%~50%时,滑坡以局部块体运动为主,无法形成连续的滑动面。研究成果可为土石混合体边坡的变形破坏机理分析提供依据与参考。
近年国内山地景区落石掉块现象常有发生,游客的生命安全受到严重威胁,因此对落石风险研究具有科学价值和重要社会效益。通过引入RHRS风险评估系统,针对两座样本景区,对可能导致落石灾害的各项影响因子(包括斜坡高度、地质特征、落石体积/块体大小、降雨量和历史落石频率等)进行较为深入的分析,根据原始评分公式进行风险评分,以综合分值来反映落石风险程度并结合风险允许标准划分高、中、低风险区域进行决策,将抽象的定性评价转为具体的定量评价,得到衢州药王山与江郎山两座样本景区的自然落石风险评分分别为142、117.2。采用FN曲线与ALARP原则相结合的方法来确定风险允许标准,计算我国可接受风险平均值为1.62×10-5/a,得到我们国家地质灾害可接受的风险水平FN曲线的上下限依次为10×10-4/a和10×10-5/a,为景区落石风险评估与决策提供借鉴。 近年国内山地景区落石掉块现象常有发生,游客的生命安全受到严重威胁,因此对落石风险研究具有科学价值和重要社会效益。通过引入RHRS风险评估系统,针对两座样本景区,对可能导致落石灾害的各项影响因子(包括斜坡高度、地质特征、落石体积/块体大小、降雨量和历史落石频率等)进行较为深入的分析,根据原始评分公式进行风险评分,以综合分值来反映落石风险程度并结合风险允许标准划分高、中、低风险区域进行决策,将抽象的定性评价转为具体的定量评价,得到衢州药王山与江郎山两座样本景区的自然落石风险评分分别为142、117.2。采用FN曲线与ALARP原则相结合的方法来确定风险允许标准,计算我国可接受风险平均值为1.62×10-5/a,得到我们国家地质灾害可接受的风险水平FN曲线的上下限依次为10×10-4/a和10×10-5/a,为景区落石风险评估与决策提供借鉴。
滑坡临滑时间预报可根据滑坡变形时间曲线来建立,但现有临滑时间预报模型并未统一计算区间,因此相同模型在不同计算区间得出时间预报值可能存在较大差异。以贵州省龙井村滑坡为例,通过分析滑坡精细化变形数据,以斋藤时间预报模型为基础,确定出进行临滑时间预报的变形计算区间为切线角70°~75°之间,并根据变形曲线在临滑时具有明显上翘特征,导致滑坡发生时间提前的特点,通过分析切线角斜率与计算区间斜率的比例关系,引入修正系数0.5对滑坡时间预报值进行修正。通过近年来甘肃黑方台多次黄土滑坡的精细化变形数据进行检验验证,结果表明,改进的滑坡变形临滑时间预报方法具有良好的准确性和一定的普适性,为滑坡时间预报提供了较为准确的新方法。 滑坡临滑时间预报可根据滑坡变形时间曲线来建立,但现有临滑时间预报模型并未统一计算区间,因此相同模型在不同计算区间得出时间预报值可能存在较大差异。以贵州省龙井村滑坡为例,通过分析滑坡精细化变形数据,以斋藤时间预报模型为基础,确定出进行临滑时间预报的变形计算区间为切线角70°~75°之间,并根据变形曲线在临滑时具有明显上翘特征,导致滑坡发生时间提前的特点,通过分析切线角斜率与计算区间斜率的比例关系,引入修正系数0.5对滑坡时间预报值进行修正。通过近年来甘肃黑方台多次黄土滑坡的精细化变形数据进行检验验证,结果表明,改进的滑坡变形临滑时间预报方法具有良好的准确性和一定的普适性,为滑坡时间预报提供了较为准确的新方法。
黄土高原地区受构造活动及河流侵蚀形成的大量黄土斜坡, 在降雨及农业灌溉等条件影响下, 每年会有大量黄土滑坡发生, 因此, 准确揭示黄土斜坡内部水分空间分布规律及运移特征对于理解黄土滑坡机理和预警预报极其重要。本文利用电阻率层析成像技术(ERT)及模型模拟的方法对斜坡内部电阻率与含水量关系进行量化, 并结合surfer软件进行斜坡内部水分二维成像。黄土电阻率与地层物理化学参数相关性分析表明:黄土斜坡中地层含水率是地层电阻率发生变化的主导因素;基于Archie公式的模型拟合结果能更准确地量化电阻率与含水量特征关系;地层水分二维成像结果可以直观地显示斜坡内部水分时空演化。本研究定量化且更直观地对黄土斜坡内部的水分分布特征进行描述, 可为黄土滑坡预报预警提供最直接有效的数据资料。 黄土高原地区受构造活动及河流侵蚀形成的大量黄土斜坡, 在降雨及农业灌溉等条件影响下, 每年会有大量黄土滑坡发生, 因此, 准确揭示黄土斜坡内部水分空间分布规律及运移特征对于理解黄土滑坡机理和预警预报极其重要。本文利用电阻率层析成像技术(ERT)及模型模拟的方法对斜坡内部电阻率与含水量关系进行量化, 并结合surfer软件进行斜坡内部水分二维成像。黄土电阻率与地层物理化学参数相关性分析表明:黄土斜坡中地层含水率是地层电阻率发生变化的主导因素;基于Archie公式的模型拟合结果能更准确地量化电阻率与含水量特征关系;地层水分二维成像结果可以直观地显示斜坡内部水分时空演化。本研究定量化且更直观地对黄土斜坡内部的水分分布特征进行描述, 可为黄土滑坡预报预警提供最直接有效的数据资料。
贵州是我国主要煤炭产地之一, 成本与地方条件的限制使贵州贞丰县山区出现大量的非法小煤窑, 其大多开采一年、半年便废弃煤矿, 调查其地下开采范围对矿区生态修复、土地资源再利用、煤矿越界开采监测等有一定意义。本文利用升、降轨观测共16期3 m空间分辨率的L波段PALSAR-2影像为数据源, 在贵州省贞丰县采用InSAR技术对煤矿采空区开展了短期动态地表沉降监测, 结合研究区地质条件、地下开采条件、开采时间、范围等信息, 计算了该地区煤矿开采沉陷影响角的规律与变形时间滞后关系; 而后利用上述参数及地表变形信息, 在其附近一处废弃煤矿, 对其地下采空范围及开采时间进行反演:(1)研究区煤炭开采走向影响角为83°、上山影响角75°、下山影响角80°, 地表变形时间与地下开采时间差约1个月; (2)计算反演出研究区废弃煤矿地下开采范围为380 m×150 m; (3)在反演煤矿采区, 对比FLAC3D数值模拟计算结果和野外现场调查, 验证了InSAR计算结果基本准确, 验证了此方法对煤矿采区反演的合理性与可靠性。 贵州是我国主要煤炭产地之一, 成本与地方条件的限制使贵州贞丰县山区出现大量的非法小煤窑, 其大多开采一年、半年便废弃煤矿, 调查其地下开采范围对矿区生态修复、土地资源再利用、煤矿越界开采监测等有一定意义。本文利用升、降轨观测共16期3 m空间分辨率的L波段PALSAR-2影像为数据源, 在贵州省贞丰县采用InSAR技术对煤矿采空区开展了短期动态地表沉降监测, 结合研究区地质条件、地下开采条件、开采时间、范围等信息, 计算了该地区煤矿开采沉陷影响角的规律与变形时间滞后关系; 而后利用上述参数及地表变形信息, 在其附近一处废弃煤矿, 对其地下采空范围及开采时间进行反演:(1)研究区煤炭开采走向影响角为83°、上山影响角75°、下山影响角80°, 地表变形时间与地下开采时间差约1个月; (2)计算反演出研究区废弃煤矿地下开采范围为380 m×150 m; (3)在反演煤矿采区, 对比FLAC3D数值模拟计算结果和野外现场调查, 验证了InSAR计算结果基本准确, 验证了此方法对煤矿采区反演的合理性与可靠性。
地质工程
内罗毕—马拉巴铁路穿越东非大裂谷, 线路隧道穿越许多活动断裂带。在隧道结构设计中既要考虑地震作用, 还要考虑断层的位错作用。在隧道抗震和减震设计中, 将隧道结构设计成像链条一样的结构特性, 使得隧道结构随着地震作用和断层位错, 自动调整本身的变形, 而不会导致整体性破坏。为了分析隧道结构的地震响应规律, 建立了动力分析数值模型。将人工合成100 a超越概率2%的加速度时程作为水平地震作用, 在数值模型底部输入。计算分析了地震作用下隧道结构的响应规律和隧道结构的链条特性。计算表明链条一样的隧道结构能够很好地起到抗震消能作用。另外, 由于断层的位错作用造成隧道内限界减小, 使得隧道失去正常的通行功能。因此在断层位错设计中, 根据断层特点、接触网的型式, 综合考虑制定隧道断面扩挖尺寸。当断层位错发生影响正常交通运营时, 根据正断层的特点, 扩挖下盘隧道, 回填上盘隧道。调整线路坡度和接触网的绝缘距离、悬挂方式来消除断层的位错量, 从而实现隧道内线路正常通行条件, 而不用改建隧道二衬结构。 内罗毕—马拉巴铁路穿越东非大裂谷, 线路隧道穿越许多活动断裂带。在隧道结构设计中既要考虑地震作用, 还要考虑断层的位错作用。在隧道抗震和减震设计中, 将隧道结构设计成像链条一样的结构特性, 使得隧道结构随着地震作用和断层位错, 自动调整本身的变形, 而不会导致整体性破坏。为了分析隧道结构的地震响应规律, 建立了动力分析数值模型。将人工合成100 a超越概率2%的加速度时程作为水平地震作用, 在数值模型底部输入。计算分析了地震作用下隧道结构的响应规律和隧道结构的链条特性。计算表明链条一样的隧道结构能够很好地起到抗震消能作用。另外, 由于断层的位错作用造成隧道内限界减小, 使得隧道失去正常的通行功能。因此在断层位错设计中, 根据断层特点、接触网的型式, 综合考虑制定隧道断面扩挖尺寸。当断层位错发生影响正常交通运营时, 根据正断层的特点, 扩挖下盘隧道, 回填上盘隧道。调整线路坡度和接触网的绝缘距离、悬挂方式来消除断层的位错量, 从而实现隧道内线路正常通行条件, 而不用改建隧道二衬结构。
中巴公路盖孜河段水毁灾害频发且危害严重, 文章在实地调查的基础上, 对沿线水毁灾害进行成因分析和典型防护工程优化方案设计, 从而达到控制水毁灾害的效果。实地调查发现, 盖孜河段公路水毁工点共计18处, 类型多样且呈段落性分布; 宽谷段和窄谷段发生水毁的工点共计13处, 峡谷河段为5处。结果表明:工点水毁的形成和发展受盖孜河水文和地形条件共同控制, 其中水动力条件为最主要控制要素, 河谷地形控制水毁的分布特征与破坏形式, 水文和地形条件的共同作用促成了当前盖孜河段水毁工点分布现状。通过水工模型试验验证了当前水毁特征和防护结构水毁存在的问题, 文章基于对实地水毁灾害特点和防治工程存在的问题进行分析, 因地制宜开展水毁优化设计, 提出典型水毁防治工程优化设计方案, 实践证明在工程后期运行中防护效果较好。 中巴公路盖孜河段水毁灾害频发且危害严重, 文章在实地调查的基础上, 对沿线水毁灾害进行成因分析和典型防护工程优化方案设计, 从而达到控制水毁灾害的效果。实地调查发现, 盖孜河段公路水毁工点共计18处, 类型多样且呈段落性分布; 宽谷段和窄谷段发生水毁的工点共计13处, 峡谷河段为5处。结果表明:工点水毁的形成和发展受盖孜河水文和地形条件共同控制, 其中水动力条件为最主要控制要素, 河谷地形控制水毁的分布特征与破坏形式, 水文和地形条件的共同作用促成了当前盖孜河段水毁工点分布现状。通过水工模型试验验证了当前水毁特征和防护结构水毁存在的问题, 文章基于对实地水毁灾害特点和防治工程存在的问题进行分析, 因地制宜开展水毁优化设计, 提出典型水毁防治工程优化设计方案, 实践证明在工程后期运行中防护效果较好。
在实际工程中, 地质体通常呈现复杂的三维空间分布, 基于二维介质假设的传统高密度电法难以准确反映其空间位置及走势, 三维高密度电法能更好处理此类问题, 但长期以来由于数据采集与处理难度大, 其应用受到限制。为研究三维高密度电法在空间形态复杂的不良地质体勘探中的应用效果, 比较其与二维电法的差异, 本文首先研究三维高密度电法的工作原理及数据处理方法, 然后通过现场试验进行应用研究, 利用二维及三维高密度电法对福建寿宁银矿采空区进行勘探, 并利用三维激光扫描对结果进行验证。成功实现了复杂地形条件下240道电极的三维电法数据采集, 并引入基于光滑约束的最小二乘法完成三维电法数据的反演。研究结果表明, 三维激光扫描能精确获取采空区的形态及走势, 为电法结果提供可靠的验证; 三维高密度电法能准确反映浅层电阻异常体的位置及走势, 相比于二维高密度电法, 其反演结果收敛, 排除了深层的干扰信息, 降低了多解性。 在实际工程中, 地质体通常呈现复杂的三维空间分布, 基于二维介质假设的传统高密度电法难以准确反映其空间位置及走势, 三维高密度电法能更好处理此类问题, 但长期以来由于数据采集与处理难度大, 其应用受到限制。为研究三维高密度电法在空间形态复杂的不良地质体勘探中的应用效果, 比较其与二维电法的差异, 本文首先研究三维高密度电法的工作原理及数据处理方法, 然后通过现场试验进行应用研究, 利用二维及三维高密度电法对福建寿宁银矿采空区进行勘探, 并利用三维激光扫描对结果进行验证。成功实现了复杂地形条件下240道电极的三维电法数据采集, 并引入基于光滑约束的最小二乘法完成三维电法数据的反演。研究结果表明, 三维激光扫描能精确获取采空区的形态及走势, 为电法结果提供可靠的验证; 三维高密度电法能准确反映浅层电阻异常体的位置及走势, 相比于二维高密度电法, 其反演结果收敛, 排除了深层的干扰信息, 降低了多解性。
预应力高强度混凝土管桩(PHC管桩)受制作工艺复杂、桩身结构独特、沉桩阻力较大等因素的影响, 其桩身受力特性的测试存在诸多难点。目前PHC管桩桩身受力测试技术可分为4类:点法监测、线法监测、全分布式光纤监测、准分布式光纤光栅监测。本文对PHC管桩测试技术的原理、优缺点、应用现状、相关传感器的安装方法等方面进行梳理和总结, 探讨了现用于PHC管桩测试技术及安装方法存在的问题。分析表明:基于布里渊散射原理的全分布式光纤监测与光纤布拉格光栅准分布式监测拥有更高的测试精度、更广的监测范围、更好的监测效果。光纤与桩身的变形协调、埋设光纤存活率、安装对桩身性状的影响等问题是未来PHC管桩桩身受力测试技术领域的研究热点。 预应力高强度混凝土管桩(PHC管桩)受制作工艺复杂、桩身结构独特、沉桩阻力较大等因素的影响, 其桩身受力特性的测试存在诸多难点。目前PHC管桩桩身受力测试技术可分为4类:点法监测、线法监测、全分布式光纤监测、准分布式光纤光栅监测。本文对PHC管桩测试技术的原理、优缺点、应用现状、相关传感器的安装方法等方面进行梳理和总结, 探讨了现用于PHC管桩测试技术及安装方法存在的问题。分析表明:基于布里渊散射原理的全分布式光纤监测与光纤布拉格光栅准分布式监测拥有更高的测试精度、更广的监测范围、更好的监测效果。光纤与桩身的变形协调、埋设光纤存活率、安装对桩身性状的影响等问题是未来PHC管桩桩身受力测试技术领域的研究热点。
基于高速列车运行引起的轨道-桥梁-桥墩-季节性冻土区场地的地面振动和沉降问题, 选取哈大高速铁路铁岭至四平段某桥墩及周围基础场地为测试段, 对实测数据从时域和频域两方面进行分析, 研究了桥墩及周围不同场地的振动特性, 结果表明:桥墩和基础场地的振动特性存在很大的差异, 基础场地对振动有放大效应, 且不同基础场地对振动的放大效果也明显不同。结合实测概况建立了桥墩-基础场地有限元数值模型, 分析桥墩及基础场地在不同季节的振动传播特性, 以及基础场地土体内部的应力分布情况, 并利用累积塑性应变模型对重复列车荷载作用下季节性冻土区基础场地的沉降变形进行分析, 发现场地振动加速度峰值随与桥墩距离R的增大而衰减, 且在冻结季的振动衰减速度明显小于非冻结季的; 基础场地地表的累积沉降在距桥墩R=0.5 m处最大, 且随着列车荷载作用次数的增加而增加, 最后逐步趋于稳定。 基于高速列车运行引起的轨道-桥梁-桥墩-季节性冻土区场地的地面振动和沉降问题, 选取哈大高速铁路铁岭至四平段某桥墩及周围基础场地为测试段, 对实测数据从时域和频域两方面进行分析, 研究了桥墩及周围不同场地的振动特性, 结果表明:桥墩和基础场地的振动特性存在很大的差异, 基础场地对振动有放大效应, 且不同基础场地对振动的放大效果也明显不同。结合实测概况建立了桥墩-基础场地有限元数值模型, 分析桥墩及基础场地在不同季节的振动传播特性, 以及基础场地土体内部的应力分布情况, 并利用累积塑性应变模型对重复列车荷载作用下季节性冻土区基础场地的沉降变形进行分析, 发现场地振动加速度峰值随与桥墩距离R的增大而衰减, 且在冻结季的振动衰减速度明显小于非冻结季的; 基础场地地表的累积沉降在距桥墩R=0.5 m处最大, 且随着列车荷载作用次数的增加而增加, 最后逐步趋于稳定。
水文地质
本文基于西藏阿旺乡的地热地质背景, 综合应用野外调查、水文地球化学、环境同位素方法, 初步探究了区内出露地下热水的发育特征及其成因机制。结果表明, 地下热水化学类型为HCO3-Na型, 这与地下热水在径流过程中与围岩发生溶滤作用和阳离子交互作用有关。氢氧同位素分析显示地下热水补给来源为大气降水, 并伴随有轻微的氧漂移现象, 表明水岩作用较强烈, 热储温度较高。采用同位素方法估算补给高程在4600~4800 m左右, 推测地下热水的补给区为阿旺乡西北部山区。Na-K-Mg三角图判别法和矿物饱和度指数表明地下热水为未成熟水, 其在上升过程中受到了浅表冷水的混合, 冷水混入比为60% ~70%, 采用地球化学温标计算得到的深部热储温度为170~200 ℃, 地下热水循环深度为4500~5300 m。阿旺地区地下热水成因模式为:大气降水自补给区入渗进入深循环, 经大地热流加热形成热水, 热水在地下循环过程中沿断层破碎带上升受到浅循环冷水混合后出露地表形成温泉。 本文基于西藏阿旺乡的地热地质背景, 综合应用野外调查、水文地球化学、环境同位素方法, 初步探究了区内出露地下热水的发育特征及其成因机制。结果表明, 地下热水化学类型为HCO3-Na型, 这与地下热水在径流过程中与围岩发生溶滤作用和阳离子交互作用有关。氢氧同位素分析显示地下热水补给来源为大气降水, 并伴随有轻微的氧漂移现象, 表明水岩作用较强烈, 热储温度较高。采用同位素方法估算补给高程在4600~4800 m左右, 推测地下热水的补给区为阿旺乡西北部山区。Na-K-Mg三角图判别法和矿物饱和度指数表明地下热水为未成熟水, 其在上升过程中受到了浅表冷水的混合, 冷水混入比为60% ~70%, 采用地球化学温标计算得到的深部热储温度为170~200 ℃, 地下热水循环深度为4500~5300 m。阿旺地区地下热水成因模式为:大气降水自补给区入渗进入深循环, 经大地热流加热形成热水, 热水在地下循环过程中沿断层破碎带上升受到浅循环冷水混合后出露地表形成温泉。
太原盆地是新生代断陷盆地, 盆地内受南北和东西多组断层控制形成了多个断垒、断块, 岩溶热矿水主要分布在三给地垒以南和田庄断裂以北的区域。岩溶热矿水的主力产水层为奥陶系的峰峰组和上、下马家沟组的碳酸盐岩储层。项目组采集了18个地热水样品, 同时收集了已有文献中的9个地热水和3个地下冷水的水化学数据。根据分析化验结果, 岩溶热矿水的水化学类型为SO4-Ca ·Mg型。根据热矿水中的离子浓度关系和主要矿物的饱和度指数可以推断水化学类型主要受石膏层的影响。地下水溶滤过程中除了方解石与白云石溶解作用外, 石膏的溶解作用占主导地位。根据矿物饱和度指数, 石膏溶解产生过多Ca2+以及热矿水温度的升高还导致了方解石或者白云石更加饱和, 可能发生沉淀。西温庄隆起内的岩溶热矿水混合了古水, 年龄均大于20 000 a, 岩溶热储温度为72.6~91.1 ℃, 循环深度为2123~2663 m。长时间的水岩相互作用, 为热矿水的形成提供传导加热的时间和丰富的矿物质组分。西温庄隆起作为岩溶热矿水温度、TDS以及锶浓度的高值区, 是盆地内热矿水的汇水区, 同时也是区域热矿水条件最好的区域。TDS和Sr浓度升高趋势反映了地下水从补给区到盆地内排泄区明显的溶滤作用, 并且发生了由低TDS的HCO3-Ca ·Mg型地下冷水往高TDS的SO4-Ca ·Mg型岩溶热矿水的发展。 太原盆地是新生代断陷盆地, 盆地内受南北和东西多组断层控制形成了多个断垒、断块, 岩溶热矿水主要分布在三给地垒以南和田庄断裂以北的区域。岩溶热矿水的主力产水层为奥陶系的峰峰组和上、下马家沟组的碳酸盐岩储层。项目组采集了18个地热水样品, 同时收集了已有文献中的9个地热水和3个地下冷水的水化学数据。根据分析化验结果, 岩溶热矿水的水化学类型为SO4-Ca ·Mg型。根据热矿水中的离子浓度关系和主要矿物的饱和度指数可以推断水化学类型主要受石膏层的影响。地下水溶滤过程中除了方解石与白云石溶解作用外, 石膏的溶解作用占主导地位。根据矿物饱和度指数, 石膏溶解产生过多Ca2+以及热矿水温度的升高还导致了方解石或者白云石更加饱和, 可能发生沉淀。西温庄隆起内的岩溶热矿水混合了古水, 年龄均大于20 000 a, 岩溶热储温度为72.6~91.1 ℃, 循环深度为2123~2663 m。长时间的水岩相互作用, 为热矿水的形成提供传导加热的时间和丰富的矿物质组分。西温庄隆起作为岩溶热矿水温度、TDS以及锶浓度的高值区, 是盆地内热矿水的汇水区, 同时也是区域热矿水条件最好的区域。TDS和Sr浓度升高趋势反映了地下水从补给区到盆地内排泄区明显的溶滤作用, 并且发生了由低TDS的HCO3-Ca ·Mg型地下冷水往高TDS的SO4-Ca ·Mg型岩溶热矿水的发展。

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