于肃北山花岗岩节理表面形态特性研究

花岗岩是中国高放废物处置的候选围岩,大量存在的节理面是核素迁移的主要通道,同时节理面对岩体的力学、水力性质起着支配作用。而节理面的表面形态与这些性质密切相关,因此需要对候选花岗岩体节理面展开多样本、大尺寸的现场表面形态研究。以中国高放废物深地质处置甘肃北山预选区某采石场中的天然节理面为研究对象,运用基于几何理论的测量方法,获得了大量不同尺度、不同方位的现场节理面的表面形态特征曲线。采用Barton直边法和统计参数法处理这些特征曲线,系统分析了特征曲线的尺度效应、各向异性特征以及与不同节理类型的关系。为进一步分析裂隙岩体的力学、水力特性建立了基础。     

岩体节理表面几何特性描述

岩体节理表面几何特征对岩体变形、刚度、剪切强度和水渗导性有重要影响,一般用节理粗糙度系数（ＪＲＣ）、节理吻合系数（ＪＭＣ）来描述。本文用节理表面分维（ＪＳＦ）来描述节理表面形态的复杂性,为节理表面几何特征描述提供了一个新的方法。     

岩体节理表在几何特性描述

岩体节理表面几何特征对岩体变形,刚度,剪切强度和水渗导性有重要影响,一般用节理粗糙度系数,节理吻合系来描述,本文用节理表面分维来描述节理表面形态的复杂性,为节理表面几何特描述提供了一个新的方法。     

岩石不连续面表面形态的各向异性特征

提出了表征岩石不连续面表面形态特征的参数与计算方法，介绍了表面轮廓线量测的仪器设备与量测方法，结合实测资料，分析论述了各种岩石不连续面的表面形态及其各向异性特征。     

岩体断裂粗糙度系数的各向异性研究

本文首次提出了断裂粗糙度系数的各向异性和粗糙度系数尺寸效应的各向异性概念。根据不同成因断裂表面形态的定性分析结果,结合2180个不同方向粗糙度系数实测值的统计结果,系统地阐述了Ⅰ型断裂(节理)和Ⅱ、Ⅲ型断裂(断层)粗糙度系数及粗糙度系数尺寸效应的各向异性规律。     

岩石结构面的表面形态特征研究

本文用理论分析和数值模拟方法对具有不同粗糙度和起伏度的岩石结构面的形态特征作了定量研究, 着重研究了结构面表面形态参数与基本形态特征参数的关系, 并研究了它们的采样效应。得到了一系列在建立表面形态参数与物理量相互关系时对合理选用表面形态参数有重要意义的结果, 并可为选取合理的采样间隔和最小采样长度提供依据。     

甘肃北山地质处置库围岩节理抗剪强度经验估算

节理抗剪强度参数是地质处置库预选地段工程地质对比和围岩稳定性分析的重要指标。本文在旧井地段英云闪长岩节理分组的基础上,运用定向统计测量方法估测节理粗糙度系数,通过评价节理粗糙度系数的尺寸效应,确定节理抗剪强度经验估算有效长度,由JRC-JCS模型求得各组节理4个方向的抗剪强度参数,并评价了地质处置库围岩节理抗剪强度的各向异性特征。     

节理粗糙度研究的新进展

当前采用的节理模型，如果不凭借经验，是不可能准确预测节理的剪切行为的，这已成为争论的热点。这是因为这些模型不能定量地评价节理粗糙度或尺度的重要性。介绍一种新的方法，它用分形几何来调查节理的粗糙度。这种方法已超出了简单地描述粗糙度的“症状”，而是去寻找“原因”。     

硬性结构面表面起伏形态测量及其尺寸效应研究

结构面表面形态与其力学性质密切相关,对结构面表面形态进行精细测量是研究结构面变形和强度等力学机理的基础。在分析国内外结构面测量仪器优缺点基础上,利用自主研制的新型便携式测量仪器———接触打孔器对硬性结构面进行机械化精细测量,应用效果表明:由接触打孔器获得的结构面粗糙度JRC值与结构面表面实际的JRC值十分接近。在此基础上,对硬性结构面进行尺寸效应分析,获得了结构面表面JRC值的统计方差随测量长度逐渐衰减的规律,并且计算分析了粗糙度对结构面剪切强度影响的极限长度,最后通过强风化粉砂岩节理、新鲜砂岩层面、泥岩层面进行了分析。结果表明,对于研究区强风化粉砂岩构造节理,当取样长度大于50cm时,可以消除剪切方向上起伏粗糙度尺寸效应;对于平直新鲜泥岩层面、平直的新鲜砂岩层面,当取样长度大于5cm时,可以消除剪切方向上起伏粗糙度尺寸效应。     

岩体节理表面形貌的各向异性研究

本文根据激光表面仪测量的节理表面形貌数据,通过将高度分布转化为斜率分布、并对斜率分布采用频谱分析的方法,研究了节理表面形貌的各向异性特征。一般的统计参数只能给出节理表面剖线某种性质的平均测度,很难捕捉节理表面的各向异性性质。而功率谱密度全面反映了节理表面形貌中大尺度上的起伏和小尺度上的涨落,具有一般统计参数不可比拟的优越性,通过定义累计功率谱密度指数psd*的方法,定量地表征了岩体节理表面的各向异性。      

北山花岗岩深部节理间距分布多重分形研究

岩体节理几何特征定量描述是岩体力学性质和渗透性研究的基础,更是核废料处置库场址筛选和评价过程的主要内容。基于甘肃北山高放废物深地质处置库预选区BS17、BS18和BS19钻孔岩芯节理数量修正数据,针对节理间距建立了类负指数分布数学统计模型,进一步应用于RQD体系定量评价深部岩体完整性,通过与RID体系对比验证了概率模型的可靠性。指出节理数量-间距关系具有明显的分段线性特征,分维数随着间距增大而增大。确定了节理间距-数量关系符合尺度律,得出了数量与间距关系的多重分形特征。进一步分析了数量与埋深的多重分形特征,初步实现了岩芯节理的定量描述。验证了多重分形谱可以很好地统计分形维特征,尤其是节理几何形状及分布特征。该研究结果可为实现基于钻孔岩芯节理几何特征数据的深部岩体节理三维网格模拟提供参考。     

Natural rock joint roughness quantification through fractal techniques

Accurate quantification of roughness is important in modeling hydro-mechanical behavior of rock joints. A highly refined variogram technique was used to investigate possible existence of anisotropy in natural rock joint roughness. Investigated natural rock joints showed randomly varying roughness anisotropy with the direction. A scale dependant fractal parameter, K _v, seems to play a prominent role than the fractal dimension, D _r1d, with respect to quantification of roughness of natural rock joints. Because the roughness varies randomly, it is impossible to predict the roughness variation of rock joint surfaces from measurements made in only two perpendicular directions on a particular sample. The parameter D _r1d × K _v seems to capture the overall roughness characteristics of natural rock joints well. The one-dimensional modified divider technique was extended to two dimensions to quantify the two-dimensional roughness of rock joints. The developed technique was validated by applying to a generated fractional Brownian surface with fractal dimension equal to 2.5. It was found that the calculated fractal parameters quantify the rock joint roughness well. A new technique is introduced to study the effect of scale on two-dimensional roughness variability and anisotropy. The roughness anisotropy and variability reduced with increasing scale.     

一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法

研究并提出一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法。首先,基于激光扫描数据将节理表面离散成三角网,并建立与剪切方向相关的三维均方根抵抗角的计算方法。其次,运用分形数学理论,提出一种新的基于三维均方根抵抗角的节理面粗糙度分形描述方法。最后,采用新方法对天然玄武岩节理和花岗岩张拉型节理的粗糙特性进行分析。研究结果表明,提出的新方法能够较全面地反映节理面的三维几何形貌信息,并能描述节理粗糙度的各向异性特性。研究成果为进一步建立岩石节理面的三维剪切强度公式和剪切本构理论奠定了基础。     

高放废物处置库甘肃北山预选区水文地质特征研究

在高放废物深地质处置中，地下不是核素迁移的重要媒介。因此，水文地质工作是处置库选址中的主要内容之一。本文依据几年来的野外调查及前人的部分资料，阐明了我国高放废物处置库甘肃北山预选区的基本水文地质概况，以及地下水的循环交替条件和化学特征。研究表明，弱含水、低渗透、慢流速是区内主要水文地质特征，蒸发浓缩形成的高矿化是地下水的主要化学面貌。这一认识，为处置库选址提供了重要依据。     

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。     

甘肃北山旧井岩体BS03号钻孔岩石地球化学特征

文章对旧井岩体BS03号钻孔的岩石学、岩石化学以及同位素地球化学特征等进行了研究。结果表明:BS03号钻孔所见的主要岩石类型为似斑状二长花岗岩,其次为英云闪长岩、石英闪长岩及中粗粒花岗岩、伟晶岩、细晶岩等。似斑状二长花岗岩、黑云母花岗岩以及英云闪长岩的铝碱指数(ASI)为1.0左右,均为准铝质;而石英闪长岩的铝碱指数(ASI)仅为0.66~0.68,表现为明显的铝不饱和。上述各类岩石均表现为I型花岗岩的稀土配分曲线特征,且其稀土配分曲线总体较为相似,说明它们之间具有一定的成因联系。Nd、Sr同位素地质特征揭示:该区花岗岩的成岩物质来源于下地壳,并可能有上地幔物质的介入。     

甘肃北山大石山A型花岗岩体的地球化学特征及构造意义

甘肃北山大石山岩体主要由角闪花岗岩和二长花岗岩组成,岩石的化学成分特点为过铝质(Al_2O_3含量为 12.18%～13.37%)、富硅(SiO_2含量为74.22%～78.38%)、偏碱(Na_2O+K_2O 为7.60%～8.50%),FeO~T/MgO 值高,CaO 和 MgO 含量低(分别为0.01%～0.99%和0.05%～1.15%),富含 Y、Nb 等高场强元素(HFSE)以及 F、Sr、 Ba 和 REE(∑REE=102.3×10~(-6)～120.02×10~(-6))低。这些特点与本区的 I 型和 S 型花岗岩有明显差别,是一种典型的 A_2型花岗岩。大石山岩体 Rb-Sr 等时线年龄为273 Ma,表明北山地区在海西晚期即进入造山后拉张裂解环境。     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现：（1）同一法向应力、不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;（2）结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;（3）随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。     

汶川地震地表破裂面形貌特征

准确描述破裂面形貌对于我们理解地震断层作用是非常重要的,破裂面的形貌特征包含许多关于地震和断层机制的有用信息。在Mw7.9 2008汶川地震中断层活动产生了两个新鲜的破裂面,八角庙破裂面和沙坝破裂面。我们使用3D便携式激光扫描仪(Tri mble GX)对两个破裂表面进行测量,在野外微观尺度上研究了破裂面形貌特征。通过能谱密度和均方值两个方法分析破裂面形貌,新鲜的破裂面表现为自相仿性,能谱密度和均方值均与剖面长度存在幂律关系。在能谱密度与空间频率的对数图中,能谱密度曲线存在明显的拐点,该拐点所对应的波长称为"特征波长",表明单一分形不能准确描述破裂面形貌。八角庙破裂面在平行滑动方向上的特征波长为7 mm,在垂直方向上特征波长略大一些(区域Ⅰ为10 mm,区域Ⅱ为9 mm);沙坝破裂面在平行滑动方向上的特征波长为8 mm,但垂直方向上特征波长略小(6 mm)。均方值曲线的最小二乘拟合直线的斜率为Hurst指数,该指数依赖于剖面线方向并描述破裂面形貌的各向异性,H指数的最小值和最大值分别与平行擦痕和垂直擦痕方向对应,这与野外断层面擦痕测量结果一致。沙坝破裂面的H指数极坐标图中存在次级H指数峰值(对应剖面线方向为85°和160°),这揭示破裂面上存在一组隐匿擦痕。该组隐匿擦痕为汶川地震之前断层活动中形成的,但这还不足以推测上一次断层活动的时间和规模。另外,通过比较新鲜节理面和破裂面表明H指数是否大于0.8反映了断层类型。在整个空间频率域上,能谱密度曲线斜率(-α)和均方值曲线斜率(H)的线性拟合关系为α=1.22+1.72H,并不严格满足两者之间理论关系式,α=1+2H。这个差异是由于测量信号噪音、破裂面的多分形性和分析方法的差异造成的。