利用矩谐分析的局部大地水准面确定

大地水准面是重力的等位面,建立高精度的大地水准面是大地测量学的重要任务之一。现阶段建立局部大地水准面多采用球谐分析以及球冠谐分析,但都无法获得高精度、小区域的大地水准面。针对这一研究现状,本文提出了采用矩谐分析确定局部大地水准面的方法。选取所研究区域中心点为坐标原点,建立直角坐标系,并在此坐标系下求解地球引力位Laplace方程;利用模拟的陆地重力及航空重力数据,对矩谐分析建模方法进行验证与分析;并针对影响矩谐分析精度的边界效应问题,采用扩展参数的方法提高精度,针对"龙格问题",进行了最佳截断阶数的研究。结果表明:由陆地重力和航空重力数据确定的2.5'×2.5'的大地水准面精度分别能达到4.2、4.3 cm;且对于航空重力数据,矩谐分析能同时实现向下延拓和解算两个重点、难点计算过程,将航空重力解算直接化、简单化。     

遥感尺度效应的数值模拟——以叶面积指数为例

遥感尺度效应问题的存在已经严重限制了定量遥感应用的发展,制约了定量遥感反演精度的提高,成为定量遥感研究中亟待解决的热点问题之一。总体而言,对尺度效应从数学上的泰勒级数展开规律分析的理论较多,然而从遥感数据直观模拟的角度较少。为此,本文从叶面积指数出发,利用机载航空WIDAS数据,引入洛仑兹曲线表达了地表变量的异质性。结合不同非线性程度的LAI反演模型及尺度上推聚合方法分析了尺度效应的成因,结果发现,尺度效应是空间异质性和反演函数非线性的综合体现,空间异质性和反演函数非线性程度的增加均会造成尺度效应的增大。     

水面菲涅尔反射对~761 nm叶绿素荧光估算的影响

叶绿素荧光是光合作用的有效探针,可用于海洋浮游植物的监测与定量评估。太阳诱导叶绿素荧光覆盖可见光—近红外650—800 nm,在～685 nm与～740 nm表现出两个形态不同的荧光峰特征。基于～685 nm荧光峰的叶绿素浓度反演算法较为成熟,但在高悬浮物和高叶绿素浓度的水体中,算法的有效性不足。基于叶绿素荧光在氧气吸收谱段(O2-A)的填充作用,水体遥感反射率光谱～761 nm峰值中包含有太阳诱导叶绿素荧光信号,能用于水体叶绿素浓度的估算,但该反射峰形态特征还取决于传感器的光谱分辨率。本研究基于不同光谱分辨率的大气吸收谱线特征,模拟了水体遥感反射率光谱(750—775 nm)上太阳诱导叶绿素荧光的信号响应特征;分析了利用遥感反射率(～761 nm)计算叶绿素荧光的原理,阐明了不同光谱分辨率条件下水体叶绿素荧光信号在反射光谱上的形态变化规律。采用水面以上测量法获取的离水光谱辐亮度,包含了水面的菲涅尔反射信号,由于真实的菲涅尔系数难以准确测量,这给基于～761 nm处遥感反射率峰值的荧光信号估算带来不确定性影响。研究表明,假定菲涅尔系数为0时,虽然～761 nm叶绿素荧光信号与其浓度具有较好的线性统计关系,但却带来较大的不确定性;这种不确定的影响,在低浓度叶绿素水体中表现明显,在高浓度叶绿素水体中,影响相对较小;准确估算菲涅尔系数,有助于减少这种不确定性影响。对基于遥感反射率～761 nm叶绿素荧光信号的深入探讨,将能推动未来水体叶绿素荧光的识别与利用。     

持续开挖效应下结构面剪切力学性质与能量特征研究

基于地下岩体工程开挖扰动的实际情况,开展考虑持续开挖效应,充分反映岩体结构面应力调整过程的结构面剪切试验更具理论意义和工程应用价值。采用人工劈裂方法制备岩体结构面,开展了常规应力路径和持续开挖效应下的结构面剪切试验,系统研究了两种条件下结构面剪切力学性质、声发射特征和能量的演化规律。研究结果表明：开挖扰动荷载强度越大,结构面发生剪切破坏时的剪应力降整体上越大,但持续开挖效应下的剪应力降最大值仅为常规应力路径下剪应力降的48.57%;考虑持续开挖效应的结构面剪切过程中声发射活动主要集中于结构面受剪破坏和剪应力降产生时,且声发射活动强度与开挖扰动强度正相关,声发射振铃计数变化率极值明显小于常规应力路径下的相应值;持续开挖效应下试样裂纹发育密集度、结构面磨损区域及破坏程度均随开挖扰动强度增加而增加,但试样裂纹发育的密集程度和结构面破坏程度相对常规应力路径下的情况轻;考虑持续开挖效应的结构面发生剪切破坏时弹性应变能随扰动荷载增大而增大,均低于常规应力路径条件下的弹性应变能值,持续开挖效应降低了结构面剪切破坏的强度,但更易引发结构面发生剪切破坏。     

非饱和土地基中复合多层波阻板对S波的隔离效应

基于弹性波在非饱和多孔介质与单相弹性介质中的传播理论,考虑在非饱和土地基中设置一定厚度的复合多层波阻板（复合多层波阻板以3层为例）,利用Helmholtz矢量分解定理,推导了非饱和土地基中S波通过复合多层波阻板的透射、反射振幅比的解析解。通过数值算例,分析了层间波阻板剪切模量和密度等物理力学参数对非饱和土地基中S波通过复合多层波阻板时传播特性的影响规律。结果表明：复合多层波阻板中层间波阻板材料的剪切模量和密度对透反射系数影响显著。复合多层波阻板是一种有效的隔振屏障,严格控制层间波阻板的剪切模量和密度可以获得最佳隔振效果,这为复合多层波阻板在地基振动控制领域中的应用提供理论指导。     

土石混合体-基岩界面剪切力学特性块石尺寸效应

土石混合体-基岩界面的抗剪强度是控制坡体稳定性的重要参数之一,是工程设计的重要参数。为探究块石尺寸对土石混合体-基岩界面剪切力学特性的影响,开展了含不同块石尺寸的土石混合体-基岩界面室内大型剪切试验。结果表明：接触界面的破坏模式受块石尺寸和法向压力的影响不显著,均表现为应变硬化特征;法向压力会削弱块石尺寸效应的影响;随块石尺寸增加,抗剪强度和抗剪强度指标（φ、c）先增加后减少,既存在着正尺寸效应,又存在着负尺寸效应,尺寸效应对内摩擦角φ的影响有限,整体在29°波动,而对表观黏聚力c影响较大;不同块石尺寸试样在不同法向压力作用下均表现出了明显的剪缩行为,法向压力能够增强土石混合体的剪缩特性;土石混合体-基岩界面为薄弱的潜在滑移面,随着块石尺寸系数的增加,薄弱破坏面有向土石混合体内部转化的趋势。     

南宁膨胀土持水性能的温度效应及微观机制

采用蒸汽平衡法测定了4种温度(T=5、25、40、60℃)条件下Whatman No.42滤纸的率定曲线,建立了考虑温度影响的双线性率定曲线方程,发现滤纸的持水性能随温度升高而降低,且温度对率定曲线高吸力段滤纸持水性能的影响要弱于低吸力段。在此基础上,以南宁膨胀土为研究对象,使用滤纸法测定了不同温度作用下膨胀土试样的土-水特征曲线。试验结果表明,随着温度的升高,膨胀土持水性能下降,但温度的影响幅度会随着吸力的增大而减弱,当基质吸力达到40MPa时,不同温度下试样的体积含水率并没有明显变化,即此时温度对膨胀土的持水性能变化几乎无影响。为解释上述宏观现象,选取部分试样进行了压汞试验和吸附结合水试验,并根据试验结果从土体中各相及各相界面相互耦合作用的物理机制角度阐述了南宁膨胀土持水性能的温度效应及微观机制。     

甘肃红层泥岩耐崩解试验与矿物夹杂效应研究

为探究干湿作用下甘肃红层质泥岩加速崩解机制,针对典型的石膏质泥岩,开展浸水及快速崩解试验,并通过与泥质砂岩、页岩和石膏岩的对比,分析了影响岩石耐久性的主要因素,对崩解过程中的矿物夹杂效应进行了讨论。研究结果表明：原状石膏质泥岩浸水自然崩解速度较慢,3 h崩解量为0.11,但高温(>163℃)干燥后夹杂的石膏矿物将完全脱水硬化,体积收缩,再次遇水后岩块于2 h内完全崩解。石膏质泥岩的二次循环耐崩解指数I_d2为0.80,属于高耐久性岩石,但在干湿过程中有加速崩解的趋势,第5次循环时的相对崩解指数I₅达到了0.56。岩石的耐久性受矿物成分和胶结强度影响较大,矿物膨胀驱使岩块崩解的过程中,泥质岩块易发生均匀破碎而砂质岩块易出现非均匀破碎。石膏质泥岩中黏土矿物夹杂密实,干湿作用下易崩解,所夹杂的石膏矿物具有溶蚀性,且溶蚀后崩解液显弱酸性,石膏溶蚀产生的微裂隙和酸性环境下钙质结核的脱落是导致石膏质泥岩加速崩解的主要原因。     

基于3D打印的裂隙岩体力学特性尺寸效应及各向异性初探

裂隙岩体力学参数的尺寸效应和各向异性是岩石力学与工程领域亟待解决的难点问题。充分利用3D砂型打印技术快速成型、可批量制备复杂内部结构岩体模型的优势,以石英砂和呋喃树脂为打印基材,制备不同尺寸和旋转角的裂隙网络类岩石试件。通过单轴压缩试验研究裂隙网络岩体力学特性的尺寸效应,揭示裂隙密度与强度之间的相关性,分析表征单元体尺度岩体力学特性的各向异性。结果表明：3D砂型打印试件的力学性能与真实岩体相似,应力-应变曲线可划分为初始压密、弹性变形、裂纹萌生与扩展和峰后破坏4个阶段。试件抗压强度与试件边长之间呈指数衰减关系,存在显著尺寸效应性质。裂隙密度与抗压强度之间呈显著的负指数关系,基于裂隙密度与抗压强度确定的岩体表征单元体尺度具有良好的一致性。裂隙岩体的破坏模式和抗压强度具有显著的各向异性特征。研究方法从3D打印角度为复杂裂隙岩体尺寸效应及各向异性的室内试验研究提供了可靠途径。     

脉冲超声波激励对煤的孔隙全尺度改造效应

为深入研究脉冲超声波激励对煤体孔隙结构的改造效应,利用含瓦斯煤体超声波激励实验系统,开展超声波功率800和1 000 W持续、交互脉冲下煤的超声波激励实验,综合低压CO2吸附、低温N2吸附和高压压汞等实验,研究煤的大孔(>50 nm)、介孔(2～50 nm)、微孔(<2 nm)全孔径段的孔隙参数演化规律。实验结果表明：脉冲超声波对煤的孔隙具有扩孔效应,煤的孔容占比以微孔和大孔为主,介孔占比最小,煤中各孔径段比表面积大小为：微孔>介孔>大孔;与未超声、持续超声激励煤样相比,脉冲超声波激励煤的各孔径段孔容和比表面积均有所提高;随脉冲次数增加,煤的孔容增幅和比表面积增幅呈正线性增大,其中大孔的孔容和比表面积增幅较为显著。脉冲超声波激励煤样形成水锤压力阶段和滞止压力阶段的持续转换,增加了煤的孔隙结构损伤程度。研发脉冲超声波发射器结合水力化技术,可提高煤的孔隙发育程度,增加煤体渗透性,提高瓦斯抽采效率。