云南西北部铁路隧道地应力测试及工程应用

通过地应力测量,确定出工程区隧道围岩现今地壳应力状态,即原地应力的大小和方向.根据地应力分布特征,结合隧道围岩的力学参数,利用三维有限元对工程隧道区进行了应力场模拟.根据原地应力测量及三维计算结果进行综合分析,给出了工程区地应力的赋存规律和基本特征,并进一步分析了隧道开挖中发生岩爆等地质灾害的可能性,同时为隧道的衬砌设计、断面选择及轴线方位的确定提供可靠的科学依据.      

秦岭公路隧道通风竖井岩爆预测和防治措施

秦岭公路隧道2号通风竖井,为国内乃至世界公路隧道规模最大的竖井工程。根据工程地质资料分析,岩爆是该竖井施工过程中的主要难题。为了从岩性角度评价竖井围岩的岩爆倾向性,开展了室内岩石单轴压缩变形试验和物理模型试验,根据改进脆性指数指标和模型试验的结果,表明竖井围岩有岩爆倾向性,必须加强岩爆预测和防治。根据水压致裂法的地应力测试结果和地应力分布特点,采用三维有限元回归分析反演了竖井工程区域的初始应力场。根据竖井围岩地应力场和Kirsch解得到的围岩二次应力场,结合Russenes和陶振宇岩爆判据,进行了竖井岩爆综合预测和分析,得出竖井有轻微和中等岩爆发生的结论,并提出岩爆防治措施。     

深埋长大隧道岩爆预测与工程防治研究

岩爆是深埋长大隧道面临的最主要的地质灾害之一,准确的岩爆预测对保障施工过程中人员、设备的安全具有重要意义。以拉林铁路巴玉隧道为研究对象,依据隧道沿线现场调查工作及试验研究成果,评价了工程区岩体的整体性和岩爆倾向性;以工程地质条件为基础,综合分析隧道工程区地应力场环境及邻近工程实测地应力成果,利用工程类比和三维数值反演方法获得隧道工程区初始应力场;选取隧道横断面作平面应变分析,计算获得开挖后隧道沿线围岩二次应力场;最后利用修改后的谷-陶岩爆判据对隧道全段进行岩爆状态预测,结果表明隧道多段具有发生中等或高等岩爆的可能。     

秦岭公路隧道2号竖井地应力与岩爆分析

秦岭公路隧道2号竖井主要位于混合片麻岩地层中,高地应力和岩爆是该竖井的主要工程技术难题。根据竖井的工程地质资料和邻近工程水压致裂法地应力测试结果,采用三维有限元法对竖井工程区域内的初始应力场进行反演回归分析研究:竖井地应力存在较大的水平地质构造应力,地应力分区分布,水平地应力最高达到28.7MPa,垂直地应力基本受岩体自重控制。在地应力场分析的基础上,利用陶振宇岩爆判据对竖井进行岩爆预测,竖井岩爆为轻微或中等类型;并采用脆性岩体的常偏应力准则,模拟分析竖井岩爆破坏区的深度,岩爆区最大深度为0.6m。通过与竖井开挖后岩爆状况进行比较,结果表明反演得到的竖井地应力和岩爆分析是合理的。     

宝塔山特长隧道地应力场研究及岩爆预测

为了确定宝塔山特长隧道的围岩应力状态,采用水压致裂法进行了地应力测试,并根据测试成果,通过有限元回归分析,预测了整个隧道围岩的应力分布。测试结果表明:宝塔山隧道深埋段地应力场以自重应力场为主导,在测试深度内最大水平主应力值为2.3~8.4MPa,具中等应力水平,最大水平主应力方向为N53°E,与隧道走向的夹角较大,即地应力对隧道围岩稳定性不利。最后,根据地应力资料对隧道围岩进行了施工期岩爆预测分析,表明隧道岩爆等级为弱-中等岩爆,但在完整坚硬岩石区,发生中等岩爆的可能性比较大。     

西南地区某隧道围岩岩爆预测研究

岩爆预测一直是地下工程领域中的世界性难题。本文以西南某隧道工程为例,从岩爆形成的3个条件:岩石岩爆倾向性、岩体完整性和高地应力环境3个方面着手,应用最大储存弹性应变能指标Es和岩石脆性系数B,对深埋隧道区段内可能发生岩爆的石英砂岩、灰岩岩体进行岩爆倾向性分析预测; 基于地应力测量数据资料,采用地质过程动态模拟的有限元分析方法,反演分析隧道工程区岩体地应力场,对隧道高应力区段作出判断; 根据现场所取样品试验结果综合分析隧道围岩的物理力学性质、岩石单轴抗压强度等。在分析和总结前人岩爆预测预报方法的基础上,以工程地质分析为基础,详细阐明隧道岩爆发生的条件,并以岩体力学和非线性科学理论为指导,采用地质综合分析、应力强度比法对隧道可能发生岩爆的部位及其强度进行综合预测。     

高地应力硬岩洞室开挖破坏区数值模拟方法探讨

随着深部地下洞室的大量兴建,深部开挖过程中开挖破坏区的形成及其预测成为国内外岩石力学研究的焦点。本文首先对硬岩破坏过程的力学特性进行了分析,在此基础上对当前岩石力学工程界惯常采用的连续介质模型和粘聚力弱化-摩擦强度强化（CWFS）模型进行了比较;利用岩土工程分析软件FLAC,采用理想弹塑性、弹脆塑性、应变软化及CWFS模型对加拿大Mine-by Experiment圆形试验洞室进行了数值分析,通过对围岩应力分布、关键点应力大小和塑性区分布的对比分析,发现CWFS模型计算得到的应力场更能准确反映破坏区产生后应力向围岩深部转移并集中的特征;这一应力分布特征与开挖破坏区不存在时的结果更接近;与其它模型相比,CWFS模型计算得到的破坏区范围和深度更大,与现场实测值更加吻合。最后采用CWFS模型对挪威Kobbskaret公路隧道破坏区大小进行了计算分析,再次验证了采用CWFS模型对硬岩开挖破坏区预测的合理性。     

分离式隧道非同步开挖岩爆预测研究

分离式隧道是深埋长大高速公路隧道施工的主要方式,鉴于两洞的施工进度不同,利用先开挖洞的岩爆发生情况,对后开挖洞的岩爆发生情况进行了预测,并采用有限元数值模拟进行计算分析。结果表明,当初始应力场中的水平应力和竖向应力相当时,随着研究区侧压力系数的增大和净距的减小,后开挖洞拱底发生岩爆的强度会随之增大。当初始应力场中的水平应力占主导地位时,随着研究区侧压力系数的增大和净距的减小,后开挖洞拱顶发生岩爆的强度会随之减少。通过实际工程对计算分析结果进行了验证,结果表明,隧道实际发生岩爆的情况和计算结果较为吻合。     

软弱围岩隧道施工全过程非线性有限元分析

结合赣州-龙岩铁路某单线隧道软弱围岩地质情况,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道湿喷纤维混凝土支护结构施工过程进行了数值模拟,分析了围岩和支护结构体的非线性力学行为的应力场分布、位移场,围岩塑性区分布特征,指出台阶步开挖时拱顶下沉、底板上鼓、墙腰收缩的主要控制因素.     

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅱ):参数反演及数值模拟

海底隧道或近海富水区隧道围岩长期处于地下水环境中,围岩稳定性受渗流场的影响较为明显,由于渗流场作用使得应力场、损伤场发生变化,而围岩应力场、损伤场的变化又对渗流场产生反作用,三场耦合效应十分显著。针对耦合模型中参数多、确定难度大的问题,进行耦合模型中损伤参数的反演。采用基于岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型所编制的计算程序和智能位移反分析程序,对大连地铁海事大学试验线路过河段隧道施工过程中的围岩稳定性进行数值计算。根据现场监测位移采用耦合模型进行损伤参数反演,其中耦合计算中采用应力场与渗流场分别迭代求解的间接耦合方法进行有限元计算,利用反演的参数对隧道围岩应力场、渗流场、损伤场分布规律及衬砌结构的受力特征进行了分析。研究结果表明:利用位移反分析法得到的围岩力学参数进行类似地质条件的隧道围岩数值分析是可行的,进而可以预测围岩的变形破坏模式,判断围岩的稳定性。与此同时,通过数值计算可知,地下水的渗流作用对近海隧道的围岩变形有一定的影响,增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计是应该考虑三场耦合效应的,计算结果可以指导隧道防排水施工质量的改进与提高,为近海富水区隧道开挖设计提供一定的理论参考。     

黏土矿物含量对CO_2地质埋存体盖层封闭性的影响

为了解CO_2地质储存过程中黏土矿物含量对盖层封闭性的影响,本文以鄂尔多斯盆地三叠系和尚沟组泥岩盖层为研究对象,利用TOUGHREACT软件研究了不同黏土矿物含量、储层厚度对盖层封闭性的影响。研究表明,当盖层黏土矿物含量达到50%时,渗透率最大可减降低36%,有效封存厚度可达70 m;当黏土矿物含量减少至10%时,盖层自封闭性大幅降低,有效封存厚度为4 m,且盖层中的蒙脱石也由沉淀转化为溶解。黏土矿物含量越高,盖层封闭性越强,有效封存厚度越大。储层厚度对盖层封闭性有直接影响,当储层厚度大于盖层有效封存厚度时,则会发生泄漏;当储层厚度达到100 m时,CO_2将在125年后穿透黏土矿物含量为50%的盖层。本研究可为CO_2地质储存的储盖层选择和安全性评价提供理论依据。     

激光焦平面变化对LA-ICPMS锆石U-Pb定年准确度的影响

元素分馏是影响LA-ICPMS锆石U-Pb定年准确度的重要因素之一,通常利用标样进行校正。激光聚焦位置变化会引起剥蚀坑形貌及U-Pb分馏的改变,标样和样品聚焦条件不一致将导致标样难以准确校正样品,并最终影响定年结果的准确性,但影响的程度、机制及可容忍范围目前尚不清楚。为此,文章以91500为标样、GJ-1为样品,详细研究了聚焦偏离30μm范围内剥蚀标样与样品锆石的剥蚀坑形貌变化以及由此导致的U-Pb定年误差。实验表明,在距离锆石表面30μm范围内,标样和样品焦平面同步变化时,二者U-Pb分馏形式及程度基本一致,激光焦平面偏离所引起的样品年龄与TIMS推荐值的偏差小于1%;当二者聚焦不同步时,标样与样品的U-Pb分馏差别显著,年龄偏差最大可超过3%。激光聚焦不同步导致的标样与样品剥蚀坑纵横比差异是引起年龄误差的根本原因,激光焦平面偏离锆石表面超过15μm,剥蚀坑坑口明显变大,纵横比减小,U-Pb分馏形式及程度发生改变。通过预剥蚀锆石,观察剥蚀坑轮廓,使激光焦平面在距离锆石样品表面15μm范围内,可确保标样与样品剥蚀坑形貌及U-Pb分馏状态一致,提高LA-ICPMS定年的准确度。     

中国全新世分区气温序列集成重建及特征分析*

按照气温变化规律将中国气温变化划分为东北、华北北部、华东华南、华南、陕甘宁、川黔桂、新疆和滇藏高原区等8个分区。搜集有确切年代和气温数值的古气温记录1397条,以8个分区为单元进行整理,以日历年时间为坐标系,采用单样本区域订正—多样本平均集成法重建了东北、华北北部、华东华南、华南和滇藏高原区的全新世200 a分辨率连续集成气温序列。结果表明：5条分区连续气温序列与所在区域的高分辨率环境记录变化趋势基本一致,主要的百年尺度冷暖事件有较高的可比性;5条分区连续序列指示全新世气温变化可以分为明显的早期升温、中期大暖期和晚期变冷3个阶段;气温变化幅度区域差异较大,但主要的冷暖事件基本一致,暖期盛期发生在8～6ka BP,当时滇藏高原约比现代高2℃,东北高出3℃,华北北部高1.5℃,华东华南接近1℃,华南区仅高出0.5℃;主要冷事件发生在9.2、6.2、4.0和0.4 ka BP,其中,4.0 ka BP冷事件规模较大,滇藏高原、东北、华北北部、华东华南和华南区降低幅度分别为1.5、2、1、0.5和0.5℃。全新世期间各分区气温变化幅度也表现出纬度从北向南、海拔从高到低、气温变化幅度依次递减的特征。     

博茨瓦纳马卡迪卡迪盐湖卤水特征及找钾前景分析

马卡迪卡迪盐湖区为一现代干盐湖,盐湖以湖相碎屑沉积为主,在东侧的苏阿干盐湖赋存有高矿化孔隙卤水,通过对盐湖卤水系统的采样分析及综合研究,卤水主要化学组分为Na+和Cl-,其次为CO3^-2、HCO3^-,SO4^-2、K^+,矿化度平均为257.96g/L,卤水水化学类型为碳酸盐型;卤水组分与矿化度呈明显的正相关,表明卤水还未达到饱和阶段;受湖区构造及补给来源的影响,卤水的富集区位于研究区的西北部,同时也是矿化度最高的地区;KCl的含量在0.39%~0.99%之间,平均在0.65%,已超过液体钾盐矿的最低工业品位,分布面积约690km2,具有一定找矿前景。     

中国区域干旱的持续性特征研究

利用1961-2012年中国区域586个气象站的降水、气温、日照时数、相对湿度、风速等资料计算了逐月K干旱指数, 在此基础上, 对全国16个区的干旱持续性特征进行了研究. 结果表明: 华北、河套、西北地区东部、西南地区北部、黄淮及新疆南部地区干旱的持续性较强, 常发生3个月以上的长期干旱过程, 并且容易在旱情解除后的短期内(1个月)再次出现干旱; 而南方、东北和新疆北部地区干旱的持续性较弱, 以1个月的短期干旱为主, 且干旱过程之间的时间间隔相对较长, 大多为3个月以上; 华北、河套、西北地区东部、西南地区北部和南部、以及华南地区的干旱过程在冬、秋季开始的频次最高, 且大部分在春季结束, 而冬、春两季的干旱明显比夏、秋两季偏多. 100°E以西(新疆北部除外)的广大地区干旱过程的开始时间主要集中在秋季, 结束时间集中在春、冬两季; 同时, 冬季和秋季干旱多发, 其次是春季, 夏季出现的干旱频次最少.     

40a来中国旱灾对ENSO事件的区域差异响应研究

利用中国各地区1949—1990年间旱灾的受灾面积比和成灾面积比,分别与ENSO指数进行相关分析.结果发现:ENSO指数与各地的旱灾事件有着一定的反相关关系,表明ENSO的发生对我国大部分地区有着显著的影响,特别是对华北、东北、华南、内蒙古和新疆等地区的相关性具有很好的显著水平.通过对比各个分区对ENSO事件的响应程度,分析了其空间差异性.ENSO指数的变化与中国各地的旱灾有密切的联系,全球升温通过影响ENSO事件而影响中国的旱灾面积:全球升温影响下,ENSO指数升高,旱灾减少.     

中国水系的盒维数及其关系

应用分形理论,系统地探讨了整个中国水系及其各组成流域水系的分形结构特征。通过研究,得出主要结论如下:(1)整个中国水系及其各组成流域水系的分形结构特征是客观存在的;(2)应用网格法系统地计算出了中国各流域水系的盒维数值:整个中国水系的盒维数值为1.4189,中国外流区水系的盒维数值为1.4305;(3)中国平原地区水系的盒维数值一般较大;(4)整个中国水系盒维数值与组成它的各个层次流域水系的盒维数值的平均值并不相等,一般而言,不同层次流域水系盒维数值的平均值小于整个水系盒维数值。     

东北和华北地区上地幔成分和热状态对比及对中国东部岩石圈减薄的启示

地幔成分与其上覆地壳年龄存在相关关系,年龄越老,地幔越亏损玄武质组分。本文对产于东北和华北地区的尖晶石相橄榄岩包体的成分进行了统计分析,结果显示东北地区橄榄岩包体比华北地区包体更亏损玄武质组分。这说明东北岩石圈地幔比华北上地幔更难熔,但其上覆地壳年龄却远小于华北地区地壳的年龄。这种地壳年龄和地幔组分之间的解耦暗示东北和华北地区的岩石圈地幔形成之后发生了大规模的改造。华北地区的壳幔解耦与中生代岩石圈减薄和增生有关,而东北地区的壳幔解耦则是该区地壳的多期改造和中生代岩石圈减薄和增生等过程综合作用的结果。两地区地幔成分的差异显然与部分熔融程度的不同有关,但影响部分熔融程度的因素很多,目前尚不能确定。包体的平衡温度统计和地温线对比显示东北岩石圈的地温梯度低于华北的地温梯度,可能是东北地区岩石圈减薄的时间要早于华北地区,或者华北岩石圈减薄程度可能大于东北地区的结果,因此中国东部岩石圈减薄存在时空不均一性。     

高温目标辐射亮度比的方向性研究

为研究高温目标在短波红外发射辐射的方向性,建立多角度观测物理模型;以燃烧竹炭作为小面元高温目标,在暗室条件下使用ASD FieldSpec3光谱仪对高温目标的辐射亮度进行多角度观测和分析。仅使用一台光谱仪无法同时获取多个角度的观测数据,且以不同角度观测时,高温目标温度发生明显改变,本文采用一种自定义的降温模型计算多角度观测的参比辐射亮度,并提出一个概念-辐射亮度比(多角度辐射亮度/参比辐射亮度),用以消除高温目标降温的影响。结果表明,降温模型精度很高,辐射亮度比这一概念很好地刻画了高温目标在短波红外辐射的方向性,余弦函数、傅里叶级数均可实现对辐射亮度比随角度变化的高精度拟合。     

单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏特征研究

大型水力压裂是干热岩地热能开发中人工储留层建造的最有效手段,其核心力学问题为高温、高压下岩石的水力破岩机制。通过单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏试验,研究固-热耦合作用下花岗岩的水力破岩机制。结果表明:高温对花岗岩破裂有很大的促进作用,热效应导致强度弱化,降低破裂压力。高速率注入430℃和350℃蒸汽破坏试验中,破裂压力比常温水压裂至少降低58%;低速率注入400℃和450℃蒸汽破坏试验中,花岗岩破裂压力比常温水压裂降低75%。注蒸汽破坏过程可分为热破裂损伤和宏观裂缝扩展两个阶段。高温蒸汽产生的热应力在钻孔周围随机发生热破裂,随着注入蒸汽时间的增加,热破裂范围由钻孔附近逐渐向远处扩展,热破裂分布密度增大,为宏观裂缝的产生提供便利条件。初始宏观裂缝首先出现在钻孔两侧,沿着最终形成的宏观裂缝轨迹扩展,直到试样破坏。与常温水压裂相比,低速率注蒸汽破坏是一个缓慢的延性拉破坏过程,裂缝相对钻孔不对称扩展,宽度小于水力压裂裂缝宽度。