基于复数傅里叶分析的岩土颗粒细观特征识别与随机重构方法

岩土细观特征的识别与分析是岩土力学研究的重要内容。基于傅里叶变换原理,将任意岩土颗粒的二维轮廓变换为傅里叶描述符与相位进行分析,建立了基于复数傅里叶分析的细观特征表征与重构方法。通过两组不同颗粒的傅里叶细观特征统计,研究了不同阶傅里叶描述符与细观特征参量的对应关系。结果表明：-12～0及16～20阶对应的傅里叶描述符决定颗粒的形状;-23～-11及1～15阶对应的傅里叶描述符与颗粒粗糙度密切联系;傅里叶描述符曲线峰值与颗粒的粒径显著线性相关;高阶傅里叶系数与阶数近似呈对数线性关系,低阶系数则由不同颗粒形状决定。采用建立的傅里叶描述符对应关系进行颗粒相似重构研究,发现重构颗粒的外轮廓及傅里叶统计参量与实际颗粒十分接近,且反映颗粒的粗糙度、纹理等细部特征,其成果可用于大量岩土颗粒与力学特性的相关性研究。     

极震区岩体地震动力破坏若干问题探讨

汶川地震时极震区产生了严重的地震地质灾害,其中强烈地震动造成的岩体动力破坏是造成灾害的根本原因。从极震区含义、地震动特征、岩体地震动力破坏概念、地震松动岩体和方法论等方面初步探讨了极震区岩体地震动力破坏问题。极震区是未来地震的潜在震源区,区内的地震属于直下型。极震区地震动具有不同于非极震区的地震动特征,岩体地震动力破坏的复合性特点就是地震动的不确定性造成的。对极震区岩体动力破坏概念的理解应考虑地震动的特点。地震松动岩体是极震区地震动造成的一种特殊破坏类型,是形成震害次生灾害的重要原因。岩体工程地质力学等学科的思想方法和技术手段为研究极震区岩体地震动力破坏这一命题提供了良好的基础,预测和评价极震区因岩体动力破坏造成的工程震害和地质灾害,减轻和预防未来地震时的灾害损失,是极震区岩体地震动力破坏研究的目标和方向。     

高山峡谷地区大型地下洞室群非平稳人工地震动拟合

基于近场地震记录频谱分析,结合地震危险性分析得到的基岩场地反应谱,进行了高山峡谷地区大型地下洞室群的人工地震动加速度时程的合成。该方法使用三角级数迭加法,利用攀枝花地震动记录进行傅里叶变换,得到离散点的傅里叶幅值谱,选择两个卓越频率作为控制傅里叶谱的峰值控制点,通过反复迭代生成了初始人工地震波,根据高山峡谷地形进行了深度修正、基线校正和高频滤波,最终生成了可以用于FLAC和ABAQUS等数值分析软件的人工地震动加速度-时程。数值分析表明,此方法拟合的人工地震波可以较好地反映不同频谱对地下洞室群强震响应的影响。     

广义S变换与短时傅里叶变换在地震时频分析中的对比研究

短时傅里叶变换(STFT)和广义S变换(GST)都被应用到地震时频分析中,但对两者在信号分析过程中的特点和差异的研究相对较少。通过比较两者的理论公式、窗口函数及地震信号的实际处理效果发现:短时傅里叶变换在地震信号分析过程中整个时频域具有相同的分辨率,整体性较强,缺少时频聚焦能力,不能对信号重点观测区域有针对性的提高时频分辨率;广义S变换对地震高频信号具有较高的时间分辨率,对低频信号具有较高的频率分辨率,且可以通过改变参数p的值对广义S变换窗口函数的形态做出较大的调整,也可以改变λ的值实现窗口形态微调,通过对窗口函数的调整,广义S变换可以对信号特定区域进行时频聚焦。     

修正S变换与常规时频分析方法的对比

地震信号往往是非线性、非平稳信号,基于平稳信号理论的常规傅里叶变换方法不能刻画任一时刻的频率成分,而时频分析技术能同时展示信号在时间域和频率域的局部化特征。修正S变换作为一种较新的时频分析方法,是针对S变换窗函数相对固定、时频分辨率不能调节的问题提出的。通过对修正S变换与常规时频分析方法如短时傅里叶变换(STFT)、小波变换(WT)和S变换的对比,分析了修正S变换在时频分析方法中的作用。根据合成信号以及实测地震记录的时频分析可知:修正S变换较常规的时频分析方法具有更好的时频分辨率和能量聚集性,更有利于对非平稳信号的处理。     

极震区岩体地震动力破坏研究体系框架初探

极震区岩体地震动力破坏是造成极震区严重的地震地质灾害和次生灾害的根本原因。汶川地震中因此而导致的交通工程结构损坏、中断和次生崩滑流、堰塞湖等地质灾害,不仅加剧了灾害损失,并给震后的灾区恢复重建和对外交通遗留了较多的安全隐患。从岩体稳定、山体稳定和区域稳定的层次,分别对有关极震区岩体地震动力破坏的主要研究成果进行了系统总结,分析了其现状和存在的问题。结合对研究思路和方法论的讨论,构建了极震区岩体地震动力破坏研究的体系框架,提出了极震区岩体地震动力破坏研究的主要内容和方向,以期明晰概念,理清思路,为有关问题的深入研究提供有益的参考。     

极震区岩体地震动力破坏研究体系框架浅析

极震区岩体地震动力破坏是造成极震区严重的地震地质灾害和次生灾害的根本原因。汶川地震中因此而导致的交通工程结构损坏、中断和次生崩滑流、堰塞湖等地质灾害,不仅加剧了灾害损失,并给震后的灾区恢复重建和对外交通遗留了较多的安全隐患。从岩体稳定、山体稳定和区域稳定的层次,分别对有关极震区岩体地震动力破坏的主要研究成果进行了系统总结,分析了其现状和存在的问题。结合对研究思路和方法论的讨论,构建了极震区岩体地震动力破坏研究的体系框架,提出了极震区岩体地震动力破坏研究的主要内容和方向,以期明晰概念,理清思路,为有关问题的深入研究提供有益的参考。     

地震动信号的小波分析

小波分析是一种新的数学方法,因具有良好的时频局部化性质而优于传统的傅立叶分析。地震动是由于地城引起的地面运动,其时间历程函数表现为具有突变特征的非平稳随机过程,因此更适于利用小波变换进行频谱分析。我们在总结小波分析基本原理和方法的基础上,首次利用小波变换分别对地震动加速度时程和速度时程进行了分解和重构,对地震动信号分解结果做了相应频谱分析,并对其小波分析的工程意义进行了初步探索。     

短时傅里叶变换在GPR数据解释中的应用

小波变换、经验模态分解、奇异值分解是提高探地雷达数据信噪比、突出深部异常的有效手段。笔者提出一种快速的短时傅里叶变换技术,对探地雷达噪声信号进行解译,利用雷达发射信号与噪声信号的频谱差异提高雷达数据的信噪比;并以数值算例进行验证,分别从单道波信号的频率能量差异,主频等值分布差异等方面详细分析了该方法与小波变换、经验模态分解方法的优势。结果表明,短时傅里叶分析技术能实现探地雷达数据的快速解译,为探地雷数据的反演成像提供更精确的约束条件。     

山区油气管道的滑坡灾害风险评估方法

滑坡是造成山区长输油气管道破坏的主要地质灾害之一。为了合理有效地评估山区油气管道的滑坡灾害风险,保障山区长输油气管道的安全,本文提出了基于改进层次分析法(IAHP)和逼近理想解排序法(TOPSIS)的山区油气管道滑坡灾害风险评估模型和方法,建立了考虑滑坡与油气管道相互作用等评估指标,选取了中缅油气管道典型滑坡灾害点进行应用分析,结果表明该段油气管道的滑坡灾害风险值为0.355,属于中风险,与现场调查情况一致。该方法可用于山区油气管道地质灾害风险排查和安全管理工作。     

基于GIS技术的地质灾害风险分析系统研究

地质灾害的社会经济属性决定了对其规律的研究应有别于传统的工程地质学研究 ,从社会属性方面来分析地质灾害具有更大的社会经济效益。地质灾害的危险性和受威胁对象的易损性是控制地质灾害风险评价的基本条件 ,对这两者的分析评价称作地质灾害危险性评价和社会经济易损性评价。GIS技术支持下的地质灾害风险分析代表着地质灾害研究领域的一个重要发展方向。经过多年研究 ,作者开发出了基于商业GIS软件的区域地质灾害风险分析系统 (RiskAnly)。本文介绍了该系统的设计思路、基本结构和工作过程 ,并利用此系统对我国全国范围的滑坡灾害进行了危险性分析、区域社会经济易损性分析和最终的风险评估。     

广义S变换时频分析在广域电磁法数据处理中的应用

广义S变换是一种可逆的局部时频分析方法,是短时傅里叶变换和小波变换的延伸和推广。利用广义S变换对广域电磁时间序列数据进行分析,除了可以划定噪声区域便于实施滤波去噪之外,还可以提高数据频谱分析精度。针对广域电磁数据特点,基于广义S变换提出了适合广域电磁法的广义S变换处理流程,进行了信号的仿真实验。同时,也对广域电磁法实测数据进行了处理,高信噪比数据的处理结果证实了广义S变换的有效性和准确性。强干扰数据处理的结果表明,获取的信号质量比基于傅里叶变换的传统方法有明显提高。处理效果表明,提出的方法适用于广域电磁法数据处理。     

基于重排Gabor 变换的高分辨率谱分解

地震信号是随机信号,频率成分随着时间变化而变化。Gabor 变换是加窗傅里叶变换的一种,被广泛用于信号的时频分析,但分辨率有限。本文引入一种基于能量重排的Gabor 变换,在时频平面上对能量关于其重心进行重排,提高了时频分析的分辨率。通过理论算例和实际数据证明,重排后的 Gabor 变换谱分解在烃类检测中有更好的时频分辨率,分层更准确,更精细地指示了烃类的存在。     

基于聚类经验模态分解的地球天然脉冲电磁场时频与能量谱分析:以芦山M_S7.0地震为例

针对地球天然脉冲电磁场信号的非平稳、非线性特点,本文采用基于聚类经验模态分解(EEMD)提取信号时频特性的方法,有效获得了芦山MS7.0地震前地球天然脉冲电磁场信号的时频分布特性、瞬时能量谱、能量集中分布的频段、最大振幅对应的时频分布等特性。对比经验模态分解(EMD)的希尔伯特-黄变换(HHT)方法,EEMD有效抑制了以往EMD分解过程中所出现的模态混叠问题。文章还将EEMD和傅里叶变换、小波变换进行了对比研究。结果表明,对于非平稳的地球天然脉冲电磁场数据,采用EEMD分解的HHT方法更能反映出原始数据的多种固有特性,便于进一步了解地震前地球天然脉冲电磁场的特点。     

藏东林芝地区基于递进分析法（AMFP）理论的地质灾害评价系统实现

藏东林芝地区是地质灾害(崩塌、滑坡、泥石流)的发育区,为了加强对该区地质灾害规律的研究,科学地管理地质灾害信息和将研究方法可视化、数字化、程序化,阐述了基于递进分析法(AMFP)的林芝地区地质灾害评价系统的设计和实现过程。此系统采用组件式GIS二次开发技术,以VisualBasic、VisualC 为开发语言,实现了林芝地区基于AMFP理论的灾害模型编辑与区域性地质灾害评价,并取得了良好的应用效果。     

基于频率域小波去噪的大地电磁信号工频干扰处理

大地电磁测深(Magnetotelluric,MT)在油气勘查中得到越来越多的应用,针对MT中日益严重的工频干扰,从频率域着手,结合小波阈值去噪方法,提出了基于频率域小波去噪的MT信号工频干扰处理方法。先对受噪的MT信号进行傅里叶变换,得到其实部和虚部,再用小波阈值去噪的方法对实部序列和虚部序列分别进行去噪处理,最后将去噪后的实部和虚部联合,进行反傅里叶变换得到去噪后的信号。给出了去噪方法的原理、步骤,并用仿真信号和实测大地电磁信号验证了其有效性。结果表明:频率域小波阈值去噪的大地电磁信号工频干扰处理方法是正确、有效的,能有效且自适应地压制大地电磁信号中的工频干扰,突出被工频干扰淹没了的有用信号的信息。     

滑坡次声信号简正波模型的匹配场超前定位算法

滑坡灾害发生前夕,滑体内的局部岩土体发生爆裂、摩擦和断裂等破坏会产生次声波向外传播,基于次声信号的超前定位成为滑坡监测预警的关键技术。将波动方程通过傅里叶变换到亥姆霍兹方程,利用汉克尔变换得到波动方程的核函数,建立了基于简正波的地质声场模型,仿真分析了土层与空气、土层与岩层之间反射折射关系;提出滑坡次声信号的简正波模型匹配场超前定位算法,将垂直接收阵的测量次声信号与传播模型的拷贝次声信号进行相关匹配计算,搜索计算得到模糊函数最大值处的坐标定位为声源点,并采用12元垂直接收阵仿真分析3种匹配场算法性能,发现可变系数似然匹配场算法具有旁瓣小、定位准确的优点,可应用于滑坡定位技术;将垂直接收阵置于空气层中、土层中不同位置发现,土层中的垂直阵能够精确定位,而空气中误差较大;并将该算法应用于滑坡超前定位,定位了滑体的局部破坏位置和预测滑移线。该算法为滑坡超前定位技术提供了新的思路。     

甘肃省陇西县地质灾害气象条件分析

利用陇西县近20年的地质灾害与降水资料,分析发生地质灾害的主要区域和具体地点及危害程度和分布特征,研究了引发地质灾害的气象条件。研究结果表明:山体滑坡、地裂缝、塌陷和泥石流是陇西县主要的地质灾害类型,地质灾害时段主要集中在局部强降雨和暴雨出现的夏季(5～8月)。地质灾害发生有多方面因素构成,大—暴雨、暴雨降水过程是地质灾害发生的决定条件,其次是人为性破坏了地质原有结构,导致出现或诱发地质灾害。我们在探讨地质灾害形成的主要成因的基础上,确定了地质灾害发生的降水强度标准,再根据多年的预报经验,寻找出相关性较好的预报因子,应用气象资料分析判断引发地质灾害可能性大小,发布预警信号和地质气象灾害预警发布和防御流程。     

基于同步提取变换的地空频率域电磁信号幅度提取方法

地空频率域电磁法探测信号为多频非平稳信号,为了解决应用传统傅里叶变换方法提取其幅度时分辨率较差的问题,本文提出了基于同步提取变换(SET)的地空频域电磁信号幅度提取方法。该方法对电磁数据进行SET,得到高分辨率时频图,并利用能量算子使电磁数据时频谱能量更为集中;采用贪心算法提取脊线,得到时频图的高能量带;通过自回归模型自适应地补充了脊线中的0值,解决了由窗函数引起的端点效应问题。根据脊线位置的时频图复数值,得到各频率分量幅度随时间的变化,研究了不同信噪比情况下基于SET的地空频率域电磁信号幅度提取结果的准确性。结果表明:当信噪比≥10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差均小于5%;当信噪比<10 dB时,幅度提取结果的平均相对均方根误差在10%以内。提取效果良好。将此方法应用于新疆霍拉山隧道工程地空频率域电磁法探测中,成功提取了多频电磁信号各频率分量的幅度,与采用傅里叶变换提取非平稳信号幅度的方法相比,该方法有效地提高了幅度提取结果的分辨率。     

江苏省地质灾害气象预警系统的设计与实现

由于强降水是滑坡、崩塌等突发性地质灾害的主要诱因,通过分析现有地质灾害和降水资料以及灾害的发生与强降水之间的关系,综合考虑该地区地质环境特征和前期降雨过程、降雨类型、累计雨量和当日降雨量以及预期(未来24h)降雨量,对滑坡、崩塌灾害与降雨量的相关性进行了研究,建立了地质灾害气象预警模型,在此基础上开发了江苏省地质灾害气象预警系统并投入使用。该系统运行稳定、功能全面,可自动下载气象数据、绘制雨量等值线图,具有强大的信息查询功能。