基于地震偶极子波多重积分的初始阻抗模型建立方法

地震阻抗反演需要适当的低频储层模型,常规反演方法是基于地震、测井资料和地震速度预测来建立储层低频模型。由于储层纵横向变化快,常规方法易出现低频模型的多解性和精度低等问题。综合考虑储层顶底地震反射界面阻抗和储层厚度特征,提出了整体反映这些特征的地震偶极子波概念和相应的地震响应特征分析方法。以此为基础,形成了偶极子波多重积分约束的地震反演初始模型建立新方法。该方法充分利用地震多重积分对储层位置和厚度识别与表示功能,再结合测井声波曲线的分频谱等数据构建地震初始阻抗低频模型。该建模方法在柴达木盆地某工区实际应用结果表明,所建模型与实际复杂的风化壳裂缝储层地震剖面吻合好,较完整地反映了地震剖面上的地质层位与构造特征,该模型对提高地震反演的稳定性和精度十分有利。     

接触角度对黄土-三趾马红土界面剪切力学特性影响研究

西北黄土高原第四系黄土广泛沉积于新近系三趾马红土之上形成粗糙接触的异质土界面,为典型的易滑层面。为探讨接触界面粗糙度对黄土-三趾马红土界面剪切力学特性影响,研制界面制样装置及剪切仪,开展简化黄土-三趾马红土界面直剪试验研究。结果表明:界面剪切破坏模式有齿间滑动、齿间滑动-齿面剪断、齿面剪断3种,界面接触角度越大,破坏模式越趋于齿面剪断,接触角度越小,破坏模式越趋于齿间滑动;界面剪切应力-剪切位移曲线演化规律表明界面脆性剪切破坏特征明显,且界面接触角度越大,峰值前剪切刚度与剪切破坏位移越大,峰值后剪切位移“跳跃”跌落现象越明显,界面脆性剪断破坏特征越显著;界面剪切过程产生明显剪胀效应,随界面接触角度增大,峰值剪胀角呈先减小而后增大趋势,反映了界面不同剪切破坏模式变化;受界面间初始黏聚强度与剪切破坏模式影响,界面抗剪强度随法向应力呈非线性变化,并受界面接触角度影响,峰值强度随界面角度增大呈先增大而后减小趋势,残余强度随界面角度增大呈增大趋势。     

岩石摩擦滑动变形演化及声发射特征研究

进行岩石摩擦滑动变形演化过程的声发射特征试验研究。以数字散斑相关方法和声发射系统为试验监测手段,采用双面剪切模型试验方法,开展界面摩擦滑动速率与声发射振铃计数、界面摩擦滑动位移与声发射累计能量、试件变形能密度与声发射b值的对应关系研究。结果表明：（1）声发射振铃计数演化受岩石界面摩擦滑动速率影响,界面摩擦滑动速率的突变与声发射振铃计数激增有较好对应关系;（2）界面摩擦滑动位移与摩擦滑动过程中声发射累计能量演化趋势具有较好的对应关系,可以利用声发射累计能量对岩石摩擦滑动位移的变化趋势进行定性判断;（3）通过声发射b值演化分析可以得出,在剪应力缓慢增长阶段,界面摩擦滑动以随机分布的小尺度微破裂为主;在剪应力线性增长阶段后期,界面摩擦滑动以锁固段的大尺度微破裂为主;在剪应力波动增长阶段,岩石摩擦滑动失稳既可能是由小尺度微破裂为主引发的状态转化,又可能是由以锁固段大尺度微破裂为主引发的稳定状态转换。     

波阻抗反演在气藏描述中的应用

波阻抗是储集岩的一种重要物性参数,同振幅等反映界面性质的参数相比,具有低的多解性和更高的储层横向预测精度,运用测井约束的地震波阻抗反演,可以较准确地获取储层波阻抗参数,再运用井上测井资料,建立砂体解释模型和储层含气性解释模型,可以获得较准确的砂体等厚度图和波阻抗平面分布图,达到储层横向预测的目的。     

边坡稳定分析刚体有限元上限法的锥规划模型

极限分析方法是土边坡稳定性分析的重要方法之一。刚体有限元上限法是其中的一类,此类方法仍旧存在一些关键问题需要完善。由于单元的刚性假设,系统的塑性变形内能耗散仅发生在单元间的界面上,故此类方法的性能主要取决于界面的布局,即采用非结构化三角形单元计算往往精度较差。为此,提出了基于滑动面摄动的刚体有限元上限法及临界滑动面的搜索方法。首先,在考虑刚体转动的基础上构造刚体有限元上限法的二阶锥规划模型,用于确定在给定试滑动面条件下的运动许可速度场。其次,将试滑动面的控制参数视为决策变量,建立搜索临界滑动面的非线性非凸优化问题模型,并采用非线性单纯形方法和粒子群方法求解此优化问题找出临界滑动面。通过经典边坡稳定问题的分析求解,验证了所提出的新方法,进一步证实了网格类型（即界面的布局）是影响刚体有限元上限法计算精度的主要因素。经过计算结果的对比发现,在刚体有限元上限法中考虑刚体转动是非常必要的,不仅可以提高刚体有限元上限法的计算精度,还可以克服此方法对界面布局的依赖性。     

季冻区土质边坡滑动界面临界深度的试验研究

为研究季节冰冻区土质边坡春融期常发生的浅层滑坡灾害,考虑盐水冰点低于水的冰点这一物理特性,设计了模拟土坡内部冻融界面的试验方法。比较了在不同含水率时,经冻融循环后土质边坡滑动面的临界深度,验证了在冻融界面上土质边坡的破坏形态,根据试验结果拟合了符合本文土样条件的土质边坡滑动面临界深度的损伤模型。分析表明,冻融循环后,随含水率和冻融循环次数的增加,边坡滑动破坏的临界深度值逐渐减小,经对试验数据拟合提出的临界深度随冻融循环损伤模型,可为季节冰冻区的边坡设计提供参考。     

堆石料三维边界面模型在FLAC3D中的开发与验证

堆石料三维边界面模型结合了统一非线性强度准则,可以反映三维应力空间堆石料的应变硬化、软化以及体积收缩和剪胀等传统本构模型难以反映的力学特性。基于三维边界面模型的基本理论,通过FLAC3D提供的二次开发平台,在VC++环境下实现了三维边界面本构模型的二次开发,并给出基于FLAC3D程序的边界面本构模型开发的关键步骤、编程要点和调试方法。利用开发的本构模型,开展了三轴压缩试验的数值模拟计算,并与理论值进行了对比分析。结果表明,嵌入在FLAC3D中的三维边界面本构模型能够较好地反映设定试验条件下的材料性能,而且三维边界面本构模型模型参数简单,都可从常规三轴试验获得,从而验证了三维边界面模型二次开发程序的优越性与合理性。     

基于各向异性AVO的裂缝弹性参数叠前反演方法

基于各向异性理论,将具有水平对称轴的高角度裂缝介质等效为HTI介质。首先,通过分析HTI介质反射界面的纵波反射系数公式,研究裂缝介质振幅随偏移距和方位角的变化特征,探索了方位各向异性介质弹性参数和各向异性参数的叠前反演方法。其次,为更好地估测介质的弹性参数:纵波阻抗IP、横波阻抗IS以及各向异性梯度Γ,对反射系数近似式进行了简化,同时对简化公式的精度进行了对比分析。最后,选取2D逆掩断层模型,利用褶积公式制作不同方位的合成地震道集,并对合成地震道集添加随机噪声(信噪比为2∶1),将其应用于方位AVO叠前反演算法试算中。结果表明,当信噪比为2时,方位AVO叠前反演所得纵波阻抗、横波阻抗及各向异性梯度的估测值与模型真实值基本吻合,而且估测值能够较准确地反映原始模型的地层特征,验证了方位AVO叠前反演算法的准确适用性。     

交流阻抗谱法及其在地球深部物质科学中的应用

交流阻抗谱对于表征地球深部物质的电学性质以及电极界面性质是一种比较新的而且是强有力的工具。它可以用来调查各种固体、流体内部以及界面的束缚和移动电荷的动力学。文中介绍了交流阻抗谱的基本原理以及常用的数据处理方法。对交流阻抗谱在不同的物质体系———矿物单晶、矿物多晶(岩石)、电解质溶液、岩石破裂、熔体中的表现形式进行了研究,并且给出相应导电机制的等效电路模型。研究结果发现,对于矿物单晶和矿物多晶在最高频率段的导电机制由颗粒内部引起;最低频率段的导电机制由电极界面所引起;而矿物多晶中间频率段的导电机制由颗粒边界所引起。对于电解质溶液,最高频率段的导电机制由电解质溶液所引起,而低频率段的导电机制由溶液电极界面所引起。交流阻抗谱对于检测岩石破裂和部分熔融中熔体的分布及数量都非常灵敏。     

多年冻土区缓倾角土层斜坡的地震反应

进行垂直和水平动荷载下的大型振动台模型试验,研究地震作用下多年冻土缓倾角土层斜坡的地震响应、诱发滑坡破坏的主要影响因素及滑坡破坏的演化过程。结果表明,在土层坡度为8°缓斜坡振动台模型试验条件下,斜坡模型破坏后其水平方向自振频率降低较明显,而垂直方向无明显变化;坡体滑动是整体沿着冰-土界面软弱层进行的失稳滑动,沿斜面滑下的斜坡土体内部没有发生破坏;模型斜坡的峰值加速度(PGA)放大系数随着坡体高程增加而增大,破坏前坡面PGA放大系数无明显变化,破坏时和破坏后变化较明显,斜坡土体对水平方向地震波的加速度动力放大响应大于垂直方向,冰-土界面软弱层的加速度放大系数明显小于上部土体和下部冰体,在加速度达到一定数值时,冰-土界面的孔隙水压力会升高。斜坡冰-土软弱界面和超孔隙水压力升高是地震荷载下多年冻土区缓倾角土层斜坡滑动的主要内因。     

基于非均匀特征的岩石蠕滑与黏滑变形演化研究

基于岩石摩擦滑动变形场的非均匀特征,开展了岩石蠕滑和黏滑两种形式的摩擦滑动规律研究。采用双面摩擦模型试验方法,以数字散斑相关方法作为观测手段,分别研究了岩石蠕滑和黏滑变形过程中围岩位移场等值线、变形场非均匀统计指标、变形能密度与滑动面滑动速度演化及规律。结果表明：围岩位移场等值线分布能较好地反映滑动面阻滑特征,其中强阻滑区域的位移等值线呈弧状且分布较稀疏,弱阻滑区域的位移场等值线呈平行状且分布较密集;岩石蠕滑过程中,非均匀统计指标呈现波动增长特征,岩石黏滑过程中,非均匀统计指标呈现出突变跳跃特征。岩石蠕滑过程中不同区域的滑动速度均呈加速与减速滑动的交替状态,滑动面上各点滑动趋势不同;岩石黏滑过程中不同区域的滑动速度均出现突变。岩石蠕滑过程中不同区域上的变形能密度均处于积累与释放的波动状态,岩石黏滑过程中不同区域变形能密度产生突变。     

Dynamic sliding of tetrahedral wedge: The role of interface friction

The role of interface friction is studied by slow direct shear tests and rapid shaking table experiments in the context of dynamic slope stability analysis in three dimensions. We propose an analytical solution for dynamic, single and double face sliding and use it to validate 3D‐DDA. Single face results are compared with Newmark's solution and double face results are compared with shaking table experiments performed on a concrete tetrahedral wedge model, the interface friction of which is determined by constant velocity and velocity stepping, direct shear tests. A very good agreement between Newmark's method on one hand and our 3D analytical solution and 3D‐DDA on the other is observed for single plane sliding with 3D‐DDA exhibiting high sensitivity to the choice of numerical penalty value. The results of constant and variable velocity direct shear tests reveal that the tested concrete interface exhibits velocity weakening. This is confirmed by shaking table experiments where friction degradation upon multiple cycles of shaking culminated in wedge run out. The measured shaking table results are fitted with our 3D analytical solution to obtain a remarkable linear logarithmic relationship between friction coefficient and sliding velocity that remains valid for five orders of magnitude of sliding velocity. We conclude that the velocity‐dependent friction across rock discontinuities should be integrated into dynamic rock slope analysis to obtain realistic results when strong ground motions are considered. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于固有振动频率的危岩安全监测试验研究

危岩体在经历地震和强降雨之后其抗滑力下降,从而导致重力作用失稳,是一种常见的破坏形式。危岩块体的失稳破坏取决于岩体结构面的状况,随着结构面的张开及黏结程度下降,危岩块体会发生失稳而崩塌,基于常规位移监测方法难以达到危岩块体监测预警的目的。而固有振动频率可以有效反映岩体的物理力学参数的变化,进而可以对其安全性做出预判。基于模型试验,在保持下滑力不变的情况下,通过固有振动频率来对滑坡内部的黏结力和摩擦力等力学指标进行分析。通过实际静摩擦力是否达到最大静摩擦力的方法来科学判识岩体的稳定情况。试验结果得出：计算的摩擦力可以有效分析岩体的安全性,并证明固有振动频率在降低至6 Hz以下,岩体开始趋于破坏。同时,得出由于摩擦力破坏后期占据抗滑力的比重逐渐升高,最高达到抗滑力的80%,从而造成破坏末期摩擦力不降反升的情况。基于固有振动频率的监测,可对岩体的损伤做出定量判断,也可评估岩体静摩擦力指标,从而实现扰动后岩体的安全评价。这种基于振动模态的岩体安全监测与损伤评价新的技术思路,将在实际工程中发挥重大作用。     

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。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,将块系岩体振动简化为等效质量-黏弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明：水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小黏性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

静压桩贯入地基的球孔扩张-滑动摩擦计算模式

针对静力压桩的特点,将沉桩过程中的侧摩阻力和端阻力分开计算,建立了一种新的计算模式,即球孔扩张-滑动摩擦模式。编制了计算程序,对桩端土按球形孔扩张计算;对桩侧土按滑动摩擦计算。算例证明,该计算模式是可行的。     

岩质顺层边坡的平面滑移破坏机制分析

沿岩层层面的平面滑动破坏是顺层边坡发生最多、规模很大的一种破坏模式,根据其顺层滑移的力学机制将平面破坏分为滑移-拉裂型和水力驱动型两种类型。根据平面刚体模型,给出了滑移-拉裂型滑坡的失稳判据,即滑坡的条件为边坡高度要大于临界高度。地下水在顺层边坡后缘张裂隙和滑动面形成的渗流通道中运动时,对滑体将产生3个方面的力学作用：张裂隙静水压力、滑动面扬压力和拖曳力。根据水力-驱动型滑坡的计算分析表明,边坡后缘张裂隙充水高度直接决定了3种水压力的大小,当张裂隙充水高度达到临界值后,边坡在水压力作用下发生滑移破坏。     

高温高压及干燥条件下斜长石和辉石断层泥的摩擦滑动研究

岩石摩擦滑动的力学行为能够很好地用速率和状态依赖性摩擦本构关系来描述。在速率和状态依赖性本构关系中,速度依赖性参数a-b是控制摩擦滑动稳定性的重要参数。且a-b<0是断层上不稳定滑动成核的必要条件。为了进一步研究控制摩擦滑动的矿物成分因素,在已有辉长岩摩擦滑动实验结果的基础上,对辉长岩中主要矿物(斜长石和辉石)在不同加载条件下进行了3个系列的摩擦滑动实验研究。通过对实验结果的分析得到如下结论:(1)斜长石断层泥在实验温度范围内(<617℃)显示速度强化,且在大于450℃的高温区其速度依赖性参数a-b随温度的增大而增加。辉石断层泥的实验显示其有利于速度弱化滑动行为的出现,是造成辉长岩在615℃出现速度弱化的原因。(2)斜长石与辉石断层泥的摩擦强度都没有随温度的增加而显著变化。辉长岩断层泥的摩擦强度(1.83mm滑动位移处的值)为斜长石与辉石断层泥摩擦强度按体积百分比加权的平均值(摩擦系数精确到2位有效数字一致)。这一结果表明,辉长岩断层泥的应力支承结构可以抽象为一种双组分并列单元模型。(3)尽管前人研究结果表明石英控制了花岗岩的摩擦特性,但是某种主要矿物对岩石整体摩擦滑动性质的控制作用并不具有普适性。对于中性岩、基性岩而言,不能以一种主要矿物(如斜长石等)来判断岩石整体的摩擦滑动稳定性,否则会导致错误结论。     

滑动面倾斜时抗滑桩弹塑性区临界高度的计算

探讨了三峡库区滑坡治理滑面倾斜时抗滑桩桩前岩土体弹塑性区临界高度的计算模式。介绍了常用的确定抗滑桩嵌岩深度的工程地质法和强度控制法,剖析了抗滑桩设计的弹性理论和弹塑性理论,利用空间楔形体极限平衡理论,得出了滑面倾斜时桩前岩土体弹塑性区的临界高度计算公式,并且讨论了弹塑性区临界高度与滑面倾斜角度及岩体的强度参数之间的关系。以三峡库区万州区某滑坡为例,计算了桩前弹塑性区的临界高度,并总结出临界高度与滑面倾角及岩体的黏聚力呈指数分布关系,与岩体的抗力及岩体的内摩擦角呈线性分布关系的规律。根据这些规律可以对抗滑桩嵌岩深度进行修正,并适当地控制抗滑桩嵌岩段岩土体弹塑性区临界高度。