基于人工蜂群算法的岩体结构面多参数优势分组研究

岩体结构面优势分组是研究岩体力学性质与水力特性的基础,通常的分析方法是只根据产状进行划分。鉴于结构面其他特征对岩体力学性质的重要影响,考虑结构面倾向、倾角、迹长、张开度、表面形态5个特征参数,提出了基于人工蜂群算法的岩体结构面多参数优势分组方法。以样本总体离差平方和为目标函数,建立岩体结构面多参数优势分组的数学模型,应用人工蜂群优化算法求解,以目标函数值最小时的解作为聚类中心,并自动确定分组边界。对人工生成的结构面数据的计算结果验证了该方法的正确性,该方法的求解精度是令人满意的。最后,将该方法应用于怒江松塔水电站坝址区岩体结构面多参数优势组的划分,得到了较为合理的分组结果,进一步验证了此方法具有较高的运行效率与工程实用性。     

Using Field-Portable XRF to Assess Geochemical Variations Within and Between Dolerite Outcrops of Preseli, South Wales

Eight dolerite outcrops in Preseli, south Wales were measured in situ using field-portable XRF analysis, in order to compare two different analysis ("sampling") strategies, and to investigate geochemical variability within and between outcrops. A sampling strategy of two (neighbouring but independent) measurements at each of a maximal number of locations dispersed over an outcrop was the more effective in indicating the overall chemical variance of that outcrop. Analysis of variance indicated that much of the observed variance within individual outcrops stems from real geochemical variability rather than from sampling and analytical factors. Standard ANOVA F tests showed that several of the studied outcrops are heterogeneous at the 5% significance level for one or more elements. Geochemical distinctions between some outcrops were demonstrated using discriminant analysis. PXRF analysis offers an alternative approach to conventional characterisation of outcrops, which is often based on laboratory analysis of small numbers of samples. However, PXRF data are affected by rock weathering and may require correction for this if they are to be compared with analyses of fresh rock.     

一种新型粗糙节理面随机强度模型及其应用

天然岩体在长期地质作用下会生成各种节理裂隙等不连续面,而地下工程结构的稳定性一般取决于这些不连续面的强度。在众多因素中,表面形态对岩石节理面剪切强度具有决定性影响。为了系统研究岩石节理面剪切强度的确定方法,把岩石节理面概化为一系列高度不同的微长方体凸起组成的粗糙表面结构,且微长方体凸起有剪胀破坏和非剪胀破坏两种模式。综合微长方体凸起破坏规律,应用概率密度函数描述节理面表面起伏分布的影响,建立了粗糙节理面随机强度模型,推导了节理面剪切强度理论公式,提出了节理面强度的随机评价方法。基于随机强度模型和评价方法编制Matlab计算程序计算自然粗糙节理面的剪切强度,并将计算结果与试验结果进行比较分析。研究表明:粗糙节理面随机强度模型综合了粗糙节理面表面形态和法向应力对节理剪切强度的影响机制,理论计算值与试验数据吻合良好,可以较好的评价粗糙节理的峰值剪切强度和残余剪切强度。该随机模型可作为进一步深入研究的重要基础,分析结构面的连续剪切过程,建立更完善的节理面强度模型。     

岩石结构面粗糙度系数尺寸效应的推拉试验研究

粗糙度系数是结构面抗剪强度的主要影响因素,然而由于结构面表面形态的复杂性,粗糙度系数尺寸效应研究并未获得较大进展。总结了结构面粗糙度系数的3种获取手段：标准剖面对比法、理论公式法、试验反分析法。在此基础上分析了3种方法在研究粗糙度系数尺寸效应方面存在的问题和困难。为了研究结构面粗糙度系数与试样尺寸的相关度,对中砂、硅粉、水泥、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行了研究,获得了与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作了8组共176对具有不同尺寸和表面起伏粗糙程度的结构面,并利用改进的高精度岩石结构面推拉仪对结构面粗糙度系数进行了推拉试验研究和数据统计分析,结果表明：模型结构面粗糙度系数的统计均值随试样尺寸的增加而降低,但特定结构面粗糙度系数的尺寸效应规律需要根据结构面的具体表面形貌进行测试;Barton理论公式计算的结构面粗糙度系数尺寸效应变化规律与推拉试验测试规律总体上一致,但试验值与理论值有差异,且结构面试样尺寸越小,二者的差异就越大;具有特定表面形貌的模型结构面粗糙度系数也有差异,工程大尺寸岩体结构面粗糙度系数需要根据表面形貌和分布特征进行综合判定。     

多参数岩体结构面优势分组方法研究

在岩体力学和水力学分析中,搞清岩体结构面的分布规律是一项重要的基础工作。当岩体结构面的产状一致,而其他性质不一致时,岩体结构面的力学和水力学性质是不同的,而传统的方法仅根据岩体结构面的产状进行分组,这势必存在缺陷。提出了一种基于变尺度混沌优化算法的多参数结构面数据的优势组划分方法,通过度量结构面之间的相似性建立目标函数,运用变尺度混沌优化算法搜索目标函数的最优解来确定聚类中心,可同时考虑结构面的多个参数,把具有相似性质的结构面归并成组。通过计算机模拟的结构面数据验证了此算法的正确性,最后将此算法应用于实际工程中测量的多参数结构面数据的优势组划分,得到了清晰可靠的分组结果。     

基于颗粒识别分析系统的碎屑流堆积物颗粒识别和统计方法研究

碎屑流堆积物颗粒识别和统计是碎屑流灾害的研究重点。文章基于图像处理孔隙（颗粒）及裂隙图像识别与分析系统（PCAS）,以贵州纳雍普洒村崩塌-碎屑流为例,结合纳雍崩塌堆积物粒径实测结果,通过阐释识别过程中阈值、孔喉封闭半径、最小孔隙面积的参数意义,研究PCAS软件在碎屑流颗粒识别与统计中的应用,并提出了颗粒识别时这些参数的选取方法。分析结果表明:（1）PCAS能自动准确地识别碎屑流堆积物颗粒与孔隙,相比人工计数更精细,所识别堆积物各区小颗粒比重较大,0～2 m颗粒粒径各区占比都在50%以上;（2）当阈值为170（像素）时能获得精细的二值图像,颗粒与孔隙得到了准确地区分;（3）不同参数取值下获得堆积物颗粒粒径分布结果不同,碎屑流堆积物颗粒识别宜采用较大的孔喉封闭半径和较小孔隙面积,当二者比值为3/30（像素）时能更好地反应颗粒粒径分布情况;（4）PCAS具有较高的可行性,统计结果显示,各粒径含量变化趋势与人工统计相近,两种统计方法各粒径占比、分布规律基本吻合,说明利用PCAS可以实现对崩塌碎屑流颗粒粒径分布的高效便捷分析。     

巨厚沉积土夹火山岩场地非线性地震反应特性

地震基岩深度和土体动力本构模型的选取对核岛场地地震效应评价结果的合理性具有重要影响。以拟建某沿海核电厂深度470 m沉积土夹火山岩层场地的3个钻孔剖面为研究对象,采用一维等效线性波传分析（ELA）法、基于Matasovic本构模型和Davidenkov-Chen-Zhao（DCZ）本构模型的一维非线性分析（NLA）法,选取不同剪切波速的5个岩土层作为地震基岩,研究了输入地震动特性、地震基岩深度和土体动力本构模型的选取对巨厚沉积土夹火山岩层场地非线性地震反应特性的影响。结果表明：（1）以浅层硬岩夹层或深部土层作为地震基岩,NLA法计算的5%阻尼比的地表谱加速度SA的短周期部分较之ELA法的计算值大,但两者计算的地表SA谱的长周期部分几乎一致;（2）基于Matasovic模型和DCZ模型的NLA法计算的地表SA谱谱形和峰值加速度随深度的变化趋势基本一致;（3）从NLA法计算的地表峰值加速度和累积绝对速度而言,以剪切波速约2 500 m/s的浅层硬岩夹层作为地震基岩是适宜的。     

微凸体对抛光岩石表面静摩擦系数影响试验研究

对典型岩石摩擦滑动试验装置进行了改进,以8种硅酸盐岩作为研究对象,在低正应力条件下对岩石摩擦滑动过程中的静摩擦系数进行了试验研究。对滑动表面形貌进行了表征,从统计学角度分析了粗糙度对静摩擦系数的影响,并基于滑动表面微凸体（凹凸体、微观粗糙度）对这一影响作进一步分析。研究表明：滑动面为抛光面时,千枚岩、石英岩、岩屑砂岩和石英砂岩的静摩擦系数为0.38～0.47,砾岩、含砾粗粒石英砂岩、中粒岩屑砂岩和中粒石英砂岩的静摩擦系数为0.83～1.07;在粗糙度中,轮廓最大谷深Rm和轮廓最大峰高Rp两个参数导致摩擦滑动中产生不同静摩擦系数,且随着这两个参数的增加,静摩擦系数呈指数规律增加;千枚岩、石英岩、岩屑砂岩和石英砂岩滑动表面的微凸体数量较少,砾岩、含砾粗粒石英砂岩、中粒岩屑砂岩和中粒石英砂岩滑动表面的微凸体数量较多,随着微凸体数量的增加岩石摩擦滑动过程中的静摩擦系数增加。     

风化岩体及风化带划分的数学地质方法研究

针对风化岩体仍无理想的定量分带方法这一研究现状与工程建筑需要的矛盾,提出了对能够检测工程环境岩体风化程度的各种物理力学、矿物学和声学指标进行方差分析和特殊的“动态方差分析”方法,可对岩体风化带的划分进行定量评价,达到某一试验结果下的最佳分带效果。还结合应用实例讨论了不同地质条件下分带计算过程的相应变化和应用效果。最后指出,工程岩体分类亦可借鉴本文的研究方法。     

Windpolished boulders and bedrock in the Scottish Highlands: evidence and implications of Late Devensian wind activity

The present day maritime climate of Scotland is primarily characterized by strong winds which, in very exposed sites, lead to modern windpolish of rock surfaces. The widespread existence of in situ relict windpolished boulders and bedrock surfaces in Scotland has enabled a reconstruction of prevalent Late Devensian (Late Weichselian) including Loch Lomond Stadial (Younger Dryas) palaeo-wind directions. Previous reconstructions of palaeo-wind directions have been indirect and based mainly on the distribution of aeolian sediments and former glaciers. Observations of relict windpolished microforms and their distribution on boulders and bedrock outcrops on various rock types at 55 sites in different parts of the Scottish Highlands have been used to establish a palaeo-wind map for the area. The reconstruction indicates two sets of dominating wind directions, one between SE and SW and one between NW and N. The maximum age of the windpolish is 16-10 cal. ka BP, but most of it presumably developed during the Loch Lomond Stadial 13-12 cal. ka BP, inferred from the distribution of windpolish sites in relation to the deglaciation chronology and establishment of vegetation.     

Friction and degradation of rock joint surfaces under shear loads

The morpho‐mechanical behaviour of one artificial granite joint with hammered surfaces, one artificial regularly undulated joint and one natural schist joint was studied. The hammered granite joints underwent 5 cycles of direct shear under 3 normal stress levels ranging between 0.3 and 4 MPa. The regularly undulated joint underwent 10 cycles of shear under 6 normal stress levels ranging between 0.5 and 5 MPa and the natural schist replicas underwent a monotonics shear under 5 normal stress levels ranging between 0.4 and 2.4 MPa. These direct shear tests were performed using a new computer‐controlled 3D‐shear apparatus. To characterize the morphology evolution of the sheared joints, a laser sensor profilometer was used to perform surface data measurements prior to and after each shear test. Based on a new characterization of joint surface roughness viewed as a combination of primary and secondary roughness and termed by the joint surface roughness, SR_s, one parameter termed ‘joint surface degradation’, D_w, has been defined to quantify the degradation of the sheared joints. Examinations of SR_s and D_w prior to and after shearing indicate that the hammered surfaces are more damaged than the two other surfaces. The peak strength of hammered joint with zero‐dilatancy, therefore, significantly differs from the classical formulation of dilatant joint strength. An attempt has been made to model the peak strength of hammered joint surfaces and dilatant joints with regard to their surface degradation in the course of shearing and two peak strength criteria are proposed. Input parameters are initial morphology and initial surface roughness. For the hammered surfaces, the degradation mechanism is dominant over the phenomenon of dilatancy, whereas for a dilatant joint both mechanisms are present. A comparison between the proposed models and the experimental results indicates a relatively good agreement. In particular, compared to the well‐known shear strength criteria of Ladanyi and Archambault or Saeb, these classical criteria significantly underestimate and overestimate the observed peak strength, respectively, under low and high normal stress levels. In addition and based on our experimental investigations, we put forward a model to predict the evolution of joint morphology and the degree of degradation during the course of shearing. Degradations of the artificial undulated joint and the natural schist joint enable us to verify the proposed model with a relatively good agreement. Finally, the model of Ladanyi and Archambault dealing with the proportion of total joint area sheared through asperities, a_s, once again, tends to underestimate the observed degradation. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于天然红层材料的软岩成型模拟研究

岩石模拟是岩土工程模型试验、地质岩芯模拟试验等研究的核心。但目前基于人工材料的模拟制备受限于现有相似理论与技术手段,成岩结果与实际岩性差异较大,特别是软岩的成型模拟问题尤为突出。以天然红层材料为原料,改进传统的成岩模拟系统,考虑成岩过程中温度、孔隙流体压力及上覆压力的分阶段影响,模拟红层软岩从松散岩土颗粒到岩石的形成过程,得到工程标准尺寸软岩岩芯。通过与天然红层软岩进行成岩过程、物理性质、化学性质及力学性质的对比研究表明,以天然红层为原料的软岩岩芯与天然红层软岩性质相似。该研究突破了人工材料配制、3D打印等方法一般只能满足某一方面性质的局限,为大量不同功能需求的软岩岩芯研究提供了新的制作思路与方法。     

增强型地热系统（EGS）的裂隙模拟方法

增强型地热系统（EGS）是在干热岩技术基础上提出来的一个清洁能源概念,水力压裂建立人工热储是开采地下干热岩热能的有效方法之一。利用TOUGH2系列软件对增强型地热系统进行模拟,具体介绍了对水压致裂过程中裂隙网络模拟的处理方法。裂隙中的水流可以采用不同的概念模型,最为常见的模型包括双空隙率、双渗透率、多重相互作用连续统一体（MINC）以及有效连续统一体（ECM）,这些模型明确了对离散的裂隙和基质的模拟方法。应根据基质的渗透性和裂隙的性质灵活地选择裂隙处理方法,也可将不同方法结合起来使用。提出了几种有效的混合模拟方案,对将来高温岩体地热开发具有重要意义。     

经历剪切变形历史的岩石节理表面粗糙特性分析

基于两类岩石节理剪切试验，采用非接触式激光测距仪，实测了剪切前后节理表面粗糙数据，统计分析了岩石节理表面粗糙特性的三维粗糙参数的物理含义，并将这些参数与相应的二维参数进行了充分比较。结果表明，三维参数与二维参数间存在的近似线性关系，而多个三维参数相对比单一的二维参数更全面有效地描述了节理表面粗糙特性。     

巴尔喀什-准噶尔地区地层及岩浆岩概述

巴尔喀什-准噶尔地区地层出露齐全,岩浆岩发育,太古-元古代以片岩、片麻岩、麻粒岩等变质岩系为主,为以1 230～1 100 Ma侵入的辉长-辉绿岩、花岗岩为代表的格林威尔造山事件结果,其后的里菲系多具盖层性质.文德系出露冰碛岩及碱性火山岩,象征古陆(罗丁尼亚古陆)解体;古生代地层可划分为稳定及活动型两种类型.前者为在稳定陆壳基底上的盖层,后者为古亚洲洋发展、演化至消亡全过程的不同沉积建造特征及建造组合;中-新生代地层代表陆内盆地发展、演化阶段的各类沉积.火山岩按时代分别作了介绍,总体特征是前寒武纪以偏碱性岩浆活动为主,古生代多为钙碱系列,后期发育舣峰式火山岩.中-新生代为大陆玄武岩、流纹岩岩流及部分碱性岩类.侵入岩共划分为5大侵入期,并按时代分别作了介绍.     

软岩三轴加-卸载试验的破坏特征及抗压强度取值方法研究

软岩三轴加、卸载试验中的抗压强度参数取值是一个非常关键的问题,目前还没有比较确定的方法,通常根据经验或工程要求确定。基于此,结合一组砂质泥岩的三轴加、卸载试验进行了详细研究,试验结果表明:(1)当围压大于10 MPa时,不论是三轴加载试验还是卸载试验,砂质泥岩均表现出明显的应变硬化特性;(2)砂质泥岩在三轴压缩和三轴卸荷两种应力路径的力学响应差别明显,在卸荷条件下通常只存在一条完整的剪切破坏面,而压缩条件下岩样没有明显的控制破裂面,并且剪胀效应明显;(3)将半对数法引入到软岩三轴加、卸载试验数据分析中,可以比较方便地确定软岩三轴加、卸载试验的抗压强度;(4)基于三轴加、卸载试验过程中的应力、应变增量分析,将软岩变形破坏过程分为3个阶段:平滑阶段、规则跳跃阶段和急剧跳跃阶段,各阶段划分的意义明确,可以作为抗压强度确定时的重要参考,因此,在软岩三轴试验数据分析时,可以综合采用这两种方法。研究提出的抗压强度确定方法可操作性强,在其他软岩三轴试验数据分析中值得参考借鉴。     

冲积沉积结构单元分析法综述

结构单元分析就是结合古流数据对露头横剖面进行岩石相、界面和结构单元的划分,以揭示沉积体系的三维展布,恢复沉积体系的演化史,它是目前研究露头沉积地质的最佳方法之一。本文对结构单元分析法的原理及其在几类沉积体系中的应用作了介绍。在此基础之上,讨论了结构单元分析法存在的几个问题以及它与层序地层学的关系。     

A discontinuous numerical model to simulate rock failure process

Due to the difficulty of the classical fracture mechanics in dealing with multicrack coalescence, the simulation of jointed rock failure has remained a worldwide problem since the middle of the last century. Through a nearly 10-year effort, we have developed a novel but simple discontinuum-based approach, namely DDARF (discontinuous deformation analysis for rock failure), to simulate the progressive failure process of jointed rock mass. In the proposed method, by adopting the FE adaptive mesh generation technique—the advanced front method, the computational model of triangular DDA block system is automatically established. Also, the randomly distributed mechanical parameters statistically satisfying Weibull’s law are assigned to the blocks to simulate the heterogeneity of rock mass. In the generating process of the block system, numerous artificial joints come into being. These artificial joints provide the potential paths along which the cracks generate and propagate. The two blocks beside an artificial joint are glued together through adhesive algorithm, and if the glue is invalid, the artificial joint will break and turn into a real crack. In this way, the rock fragmentation process can be simulated. The results of several verification examples indicate that the DDARF method can simulate the whole process of rock fragmentation, and is suitable for cases of intact rock, rock mass with non-penetrative joints, and even blocky rock.     

川西前陆盆地侏罗纪层序地层格架、沉积体系配置及演化

通过地表露头和钻井岩心的观察, 以及测井曲线和地震剖面的综合分析,对分割川西前陆盆地侏罗系陆相碎屑岩充填实体的层序界面进行了识别和追踪,将该区层序界面划分为两种类型:不整合面及侵蚀沉积间断面和最大湖泛面,据此在全盆侏罗系地层中识别出13个层序界面,将川西前陆盆地侏罗系划分为13个三级层序。据盆地沉积特征,自西向东选择一些有代表性的层序剖面,进行盆地内不同相带间的层序对比,建立了研究区侏罗纪等时层序地层格架。并在川西前陆盆地侏罗系中识别出4种沉积体系:冲(洪)积、湖泊、扇三角洲、三角洲沉积体系。并在层序格架中讨论了各沉积体系的横向展布,大体是从盆地西缘到东缘为冲积扇—冲积平原、三角洲平原—三角洲前缘—湖底扇—滨浅湖—半深湖—三角洲—曲流河的展布方式。其中冲积扇和冲积平原分布范围相对较小,而三角洲—滨浅湖分布范围广阔,且三角洲与浅湖相在垂向上频繁交替。     

岩石剪切断裂面接触算法的开发与应用

为了克服现有数值计算方法在计算复杂断裂面接触滑移过程中效率低的问题，通过吸收边界元的建模思想，提出了新的数值计算方法。在该算法中，所有网格均位于岩块的边界，利用显示差分方法计算得到岩块之间的相互作用力以及岩块的位移量。利用“小球在抛物面上滑移”、“哑铃在不同倾角的斜面上”两个模拟试验对文中的算法进行验证，同时利用文中算法与有限元算法对直剪试验进行模拟。结果表明：算法能够准确描述物体之间的相互接触，准确计算得到接触块体之间的法向位移。算法能够准确判断出接触物体的“滑移状态”和“稳定状态”，摩擦力的数值计算结果与解析解的误差小于10?10。在计算断裂面接触和剪应力变化规律时，算法与有限元算法的计算结果一致，但文中计算方法的效率显著提高。