Modeling discontinuous rock mass based on smoothed finite element method

This paper aims at developing a method for modeling rock mass with preexisting multiple discontinuities within the framework of the smoothed finite element method (SFEM). The discontinuity is simulated by an interface element with zero thickness, the stiffness matrix of which are derived explicitly based on the SFEM. An elastic damage constitutive relation with residual strength is introduced in order to describe the nonlinear mechanical behavior of the discontinuities. The computation codes of the present method were developed. The present method has been verified to be a sound approach for modeling discontinuous rock mass, inheriting the advantages of the SFEM.     

Interactive discovery of sequential patterns in time series of wind data

Wind speed and direction vary over space and time due to the interactions between different pressures and temperature gradients within the atmospheric layers. Near the earth’s surface, these interactions are modulated by topography and artificial structures. Hence, characterizing wind behaviour over large areas and long periods is a complex but essential task for various energy-related applications. In this study, we present a novel approach to discover wind patterns by integrating sequential pattern mining and interactive visualization techniques. The approach relies on the use of the Linear time Closed pattern Miner sequence algorithm in conjunction with a time sliding window that allows the discovery of all sequential patterns present in the data. These patterns are then visualized using integrated 2D and 3D coordinated multiple views and visually explored to gain insight into the characteristics of the wind from a spatial, temporal and attribute (type of wind pattern) point of view. This proposed approach is used to analyse 10 years of hourly wind speed and direction data for 29 weather stations in the Netherlands. The results show that there are 15 main sequential patterns in the data. The spatial task shows that weather stations located in the same region do not necessarily experience similar wind pattern. For within the selected time interval, similar wind patterns can be observed in different stations and in the same station at different times of occurrence. The attribute task discovered that the repetitive occurrences of chosen pattern indicate as regular wind behaviour at different weather stations that persisted continuously over time. The results of these tasks show that the proposed interactive discovery facilitates the understanding of wind dynamics in space and time.     

基于岩石图像深度学习的岩性自动识别与分类方法

岩石岩性的识别与分类对于地质分析极为重要,采用机器学习的方法建立识别模型进行自动分类是一条新的途径。基于Inception-v3深度卷积神经网络模型,建立了岩石图像集分析的深度学习迁移模型,运用迁移学习方法实现了岩石岩性的自动识别与分类。采用此方法对所采集的173张花岗岩图像、152张千枚岩图像和246张角砾岩图像进行了学习和识别分类研究,通过训练学习建立岩石图像深度学习迁移模型,并分别采用训练集和测试集中的岩石图像对模型进行了检验分析。对于训练集中的岩石图像,每组岩石分别用3张图像测试,三种岩石的岩性分类均正确,且分类概率值均达到90%以上,显示了模型良好的鲁棒性;对于测试集中的岩石图像,每组岩石分别采用9张图像进行识别分析,三种岩石的岩性分类均正确,并且千枚岩组图像分类概率均高于90%,但是花岗岩组2张图像和角砾岩组的1张图像分类概率值不足70%,概率值较其他岩石图像低,推测其原因是训练集中相同模式的岩石图像较少,导致模型的泛化能力减小。为了提高识别精确度,对准确率较低的岩石图像进行截取,分别取其中的3张图像加入训练集进行再训练,增加与测试图像具有相同模式的训练样本;在新的模型中,对3张图像进行二次检验,测试概率值均达到85%以上,说明在数据足够的状况下模型具有良好的学习能力。与传统的机器学习方法相比,所提出的岩石图像深度学习方法具有以下优点:第一,模型通过搜索图像像素点提取物体特征,不需要手动提取待分类物体特征;第二,对于图像像素大小,成像距离及光照要求低;第三,采用适当的训练集可获得较好的识别分类效果,并具有良好鲁棒性和泛化能力。     

鲜水河断裂带乾宁段岩石特征与内部结构及其物理-化学性质

断裂带的变形行为和断层滑移机制是目前地震研究关注的热点,断裂带岩石特征、内部结构与物理化学性质是确定断层蠕滑或粘滑行为以及断层滑移机制的基础和关键。本文以鲜水河断裂带乾宁段地表出露的断裂岩为研究对象,通过野外地质调查、室内光学显微镜、扫描电镜、粒度统计、粉末X射线衍射分析（XRD）和薄片X射线荧光光谱分析（XRF）等多种研究方法,对鲜水河断裂带岩石特征、结构构造、物性、矿物成分及化学元素分布开展了详细的分析,并探讨了相关变形行为和滑移机制。分析表明：（1）断裂带核部主要由黑色断层泥、浅黄色及黄色断层角砾岩和灰色碎裂岩、灰色断层角砾岩组成,呈单核对称结构;（2）黑色断层泥厚3~5cm,具有快速滑动结构特征,表现为断层粘滑行为。断层泥可划分出13个滑移带,最窄滑移带厚约40μm,至少代表13期古地震事件;（3）断层泥主要由伊利石、高岭石和石英等矿物组成,其中边部伊蒙混层含量异常高,为最新一次古地震的主滑移带。由于伊利石和伊蒙混层（或蒙脱石）为主要黏土矿物的断层泥渗透率低、孔隙流体压力大,以及发现断层泥楔入脉,表明地震过程中断层滑动存在热增压弱化机制;（4）从断层泥不同滑动带中碎块蚀变程度和矿物分布特征来看,地震主滑动带有向碎裂岩方向迁移的趋势。推测断层在滑动过程中,更趋向于向弱矿物含量高（如伊利石、伊蒙混层）、强矿物含量低（如方解石、高岭石）的围岩一侧迁移。     

有机质热演化过程中地层压力的作用与影响

压力对有机质演化的影响长期以来争论不断,共有3种不同意见：压力对有机质演化没有影响,压力促进有机质的演化,压力抑制有机质的演化。通过对前人所做实验的实验设备、实验样品及实验结果的分析对比发现：不同实验结果主要是由于不同实验条件引起的,特别是实验系统和加压方式的不同,对实验结果影响最大,所代表的地质意义也不同。综合分析结果表明,当压力的增加表现为沉积有机质受到的有效应力增加时可以促进有机质生烃;当压力的增加表现为孔隙流体压力增加时,有机质生烃过程将受到抑制;另外,这两种情况都可能使干酪根的镜质组反射率降低,易使人得出压力增加抑制有机质演化的结论。进一步对压力影响有机质演化的成因机制进行了分析,发现在有机质演化的不同阶段因异常压力的增压机制不同,压力在有机质演化过程中所表现出来的作用也有差异。     

不同矿化度下泥质对岩石电性影响的逾渗网络研究

为了进一步认识泥质对岩石宏观电性的影响规律,本文利用非规整三维逾渗网络模型,通过数值模拟研究了不同矿化度下泥质对岩石电性影响的规律. 模拟结果表明：在中低矿化度下,泥质对岩石导电整体上呈现减阻作用,随着泥质含量的增加,电阻率降低的速度减慢;中等矿化度下泥质的减阻效果明显弱于低矿化度下的减阻效果;在高矿化度下泥质对岩石导电整体上呈现增阻作用. 在高矿化度、高含水饱和度下泥质对岩石电性的影响较小. 泥质起减阻、增阻作用的具体矿化度范围取决于储层的孔隙度、连通性以及地层温度等特性.     

长江三峡巴东复杂斜坡系统成因研究

三峡库区巴东县新城区所在的扇形大斜坡是一个复杂斜坡系统。斜坡后缘边界的挤压变形带是斜坡整体沿其底界面（T1j^3-T2b^1）之间岩层界面向长江发生重力蠕滑作用的结果,不存在“巴东断裂”问题。斜坡系统内部未发现成规模的褶皱,也不存在数量众多的内动力成因的断裂带。巴东斜坡区浅表生变形破坏类型可概括为侧向拉裂、“雪崩式”垮塌、表层风化、侧向滑移张剪破裂、岩层折断变位、软岩膝折剪破裂和压扭破裂又重胶结7种重力卸荷破坏力学模式。斜坡系统内部发育分期分区（块）滑动（滑坡）现象,但不存在构造地质意义上的“断层”形迹。在地貌形态上,巴东大斜坡被4条冲沟分割成5个斜坡单元。在斜坡地质结构、成因类型与空间分布上,巴东大斜坡可划分为3个层次,即表层崩塌滑坡成因为主的堆积层（第一层次）,冲沟分割且浅表生地质形迹发育的层状顺倾的中间基岩层（第二层次）和整体连续顺倾的深层基岩层（第三层次）。分形几何计算证明,巴东大斜坡的地貌形态尚处于侵蚀发育的青（幼）年期。FLAC^3D数值模拟发现,在长江侵蚀下切的不同阶段,巴东斜坡体前缘和后缘接近底界面位置塑性变形区分布集中,但不具备沿深层界面发生整体滑动剪出的可能性。基本认识是,“巴东复杂斜坡系统”是在官渡口-东瀼口向斜南翼（单斜山）的地质背景下,持续经受长江快速侵蚀下切外动力作用,河谷岸坡快速临空导致其自身重力产生强烈的侧向卸荷与滑移等浅表生地质改造作用过程而形成的,可简单地概括为“重力成因论”。     

大深度载人潜水器低速大漂角模糊滑模航向控制研究

通过模型试验测量大深度载人潜水器低速大漂角运动时所受到的非线性水动力。基于一种新的模糊滑模控制策略,为潜水器设计了鲁棒航向控制器。在不同的漂角子区间内分别设计局部镇定的滑模控制器,然后通过Takagi-Sugeno模糊推理系统将它们光滑连接,得到模糊滑模控制。仿真计算结果充分显示了该控制策略的有效性。     

爆破工程地质控制论

爆破理论与技术的创新和发展,对我国爆破工程事业乃至基础设施建设都是十分重要的。在数十年爆破理论研究与生产实践的基础上,对爆破及其破岩的科学概念进行了定义,系统阐述了炸药能量特征、岩体介质特征、炸药能量与岩体介质相互作用等决定爆破作用机制和效果的因素及其相互关系,明确指出地质条件是爆破的基础,炸药能量特征必须与岩体介质特征来适应;基于岩体特性及其爆破特征,将自然岩体划分为似均匀连续体和不连续体两类。研究表明,在似均匀连续体中,岩体爆破作用机制和效果受微地形最小抵抗线控制;在不连续体中,受岩体结构特征控制。两者结合,形成了爆破工程地质控制论。