地球生物学前沿:进展与问题

地球生物学是地球科学与生命科学的交叉学科,其核心任务是探讨生物与环境的相互作用和协同演化.在分析国际地球生物学的研究进展、中国科学院学部地球生物学前沿论坛成果以及本专辑代表性论文的基础上,本文简要评述了重大地质突变期的地球生物学、地质微生物与全球环境变化以及极端环境地球生物学这三大主题的主要研究进展和存在的科学问题.在重大地质突变期的地球生物学方面,人们已经认识到生命的起源、辐射、灭绝和复苏等重大生命事件的发生与地球深部过程以及受其影响的海-陆-气环境过程密切相关;但对于地质历史时期生物与环境是如何协同演化的,其具体的机制和动力学过程是什么,还知之甚少.在地质微生物与全球环境变化方面,各类地质微生物功能群不仅灵敏地响应地质环境的变化,而且通过元素循环和矿物转变对地质环境产生重要影响;但人们对不同地质微生物功能群是如何通过协同作用而改变地质环境的,还了解得很少.在极端环境地球生物学方面,人们从深海、冰川冻土、地下水、洞穴和热泉等极端环境中发现和分离出一些重要的微生物,并开展了许多生物学的研究;但真正能上升到极端环境地球生物学的研究很少,极端环境微生物的地球化学功能还远未查明.地球生物学将大大拓展生物过程研究的时空范畴,在资源领域和全球变化领域有广阔的应用前景.地球生物学需要多学科的协同研究,包括加强地质微生物的研究,加强生物地球化学循环的数据库建设和定量化模型研究,加强各类典型地质环境条件的研究,加强生物过程与物理化学过程的耦合研究.     

考虑加筋与遮帘效应计算群桩沉降的相互作用系数法

群桩中各基桩在地基土中的加筋与遮帘效应是客观存在的,然而,在目前的桩基沉降理论与实践中,相关的研究仍显不足。基于剪切变形法理论,考虑桩的加筋与遮帘效应,求得各基桩在自身桩顶荷载作用下产生的沉降以及其引起相邻桩的附加沉降量,由此提出群桩中任两桩的相互作用系数简化公式,同时,也得到各基桩桩侧及桩端桩-土接触等效弹簧刚度,并基于荷载传递法原理,建立了成层地基条件下各基桩在自身桩顶荷载作用下的桩身位移平衡方程,推导出各土层层顶处桩身沉降、轴力与层底处桩身沉降、轴力之间的递推关系,进而将公式推广到高、低承台群桩基础计算中。工程算例分析表明,用该方法计算有较高的精度,求得的荷载-沉降曲线及两桩相互作用系数与实测值吻合较好;相互作用系数要明显小于弹性理论计算结果。     

复杂断层网络环境下地下洞室群三维地质分析与应用

断层构造是制约地下工程设计与施工的关键因素。综合考虑复杂地质构造与地下洞室群结构的耦合关系,采用三维地质建模方法建立实现了地层体、断层体与地下洞室群结构的统一模型。基于三维模型提出了断层复杂度的概念,为水利水电工程地下厂房洞室群的选址方案分析提供了一种新的手段。针对地下围岩稳定性问题,提出基于断层与断层、断层与开挖面相互切割的曲面块体识别方法,搜索地下厂房洞室群内可能的失稳区域。上述方法已成功应用在某水电工程地下厂房洞室群分析中,在设计方案优化分析中取得了良好的效果。     

基于矢量匹配-劳斯法的群桩阻抗改进模型

采用薄层法算出群桩基础的频域阻抗,将群桩阻抗等效于一个单输入单输出系统,并表示为一个复数的频域传递函数。基于矢量匹配法（VF法）,通过对传递函数拟合得到任意分层地基的群桩阻抗函数的集总参数形式。采用VF法对整体频域拟合,可以得到多项分式分式阻抗形式,进而扩展成为Wu-Lee模型。结果表明,VF法拟合得到的动力柔度函数可以精确地匹配分层地基动力柔度函数,由于多项分式的形式可以直接扩展成为Wu-Lee集总参数模型,且数值稳定。对于高频阻抗拟合需要采用高阶数,进行劳斯（Routh）降阶,得到较好的效果。     

城中村有序改造的群决策——以广州市城中村改造为例

公众参与已成为城市规划过程中的法定程序之一,因此研究公众参与下的城中村有序改造,对于探索中国城中村改造实施机制有着重大的理论意义和应用价值。公民个体由于信息的缺乏以及受到自身知识、阅历等的限制,通常只能对一定范围内的部分空间环境进行有效地观察,形成一定的感知,即仅仅能给出各自偏好下的对部分方案的评估序列,而传统的群决策方法不能很好地处理较大比例数据的缺失问题。采用基于马尔科夫链的MC 4 启发式算法,对多个部分序进行融合,得到一个初始序列,然后对该初始序列进行Kemeny 局部优化形成群决策结果。以广州市52 个全面改造的城中村改造为例,首先构造三种不同类型的城中村居民决策者和一类环境保护决策者;其次四类决策者个体分别从各自不同的利益角度出发,对其感知空间内的部分城中村改造的迫切程度进行评估并排序;然后采用Python 编程实现了Kemeny局部优化算法对四类决策者的评估序列进行融合,得到52 个城中村改造的群决策结果;群决策结果与个体决策方案之间的Kendall tau 距离为0.2873,说明该方法得到的群决策结果与个体决策者之间的决策具有较好的一致性。研究表明,该方法摒弃传统的个案剔除法以及各种各样的数据插补方法,充分利用隐藏在这些数据中的信息,保证数据的客观性和结果的正确性,可以为公众参与的民主决策提供定量化的方法,为公共政策的制定提供科学的决策支持。     

基于粒子群优化神经网络算法的深基坑变形预测方法

深基坑变形预测是进行施工参数调整和确保深基坑施工安全的重要手段,而如何对其变形进行有效、准确的预测是一个有待解决的技术难题。采用粒子群优化算法对神经网络模型的初始权值和阈值进行优化,并将已有的变形监测数据作为神经网络的输入参数,建立了基于粒子群优化神经网络算法的深基坑变形预测方法。将形成的方法应用于长春市火车站北广场深基坑开挖监测工程中。结果表明：8号水平位移测点预测结果的均方根误差为3.78%,平均百分比误差为5.48%;9号地面沉降点预测结果的均方根误差为5.62%,平均百分比误差为3.23%。经验证,本文方法预测深基坑开挖过程中的变形具有较高的可信度。     

天然晶质富Ti和Fe2+硅钛铈矿的晶体结构

对产于内蒙白云鄂博晶态富Ti和Fe2 的硅钛铈矿Ce4Fe2 (Ti,Fe2 )2Ti2Si4O22进行了晶体结构的精测,求得晶胞参数:a=1.34656(15)nm,b=0.57356(6)nm,c=1.10977(12)nm,β=100.636°(2),晶胞体积V=0.84239(16)nm3。单位晶胞中的分子数Z=2。晶体结构测定中分别用P21/a和C2/m空间群来进     

MIKE21模型在海洋工程研究中的应用

介绍了MIKE21数学模型的数学基础和计算方法,将MIKE21应用于山东省龙口湾人工岛群工程开发对海洋环境的影响研究中,并就其中潮流场的模拟过程做出详细说明.通过与研究区多个站位的实测结果对比显示,计算域潮流场预测结果较为合理,表明MIKE21软件对于此类问题有较高的实用价值.将水动力数值模拟全过程设计成软件包,可使其通用性大大加强,是未来水动力数值模拟发展的方向.     

海岸沙坝近底悬移质通量实验研究

为了研究海岸沙坝的产生和演化机理,对不规则波和波群作用下沙坝上方的近底悬移质通量进行了实验研究。分析了短波、长波和平均水流对悬移质通量的影响。结果表明:各种波况下平均水流和长波的作用始终使泥沙向离岸方向输移,而短波的作用使泥沙向岸方向运动;平均水流引起的泥沙输移始终占主要成分,长波的次之。不规则波情况下平均水流的影响较规则波的情况相对较弱,三种成分对泥沙输运的贡献属于同一量级。波群情况下长波的影响随着波浪群性的增强而加大,短波的不明显,而平均水流的影响则随着波浪群性的增强而减弱。     

竖向荷载下群桩-土-承台相互作用数值分析

在大桩径、小桩距的群桩条件下,不仅有来自桩侧、桩端和承台传递的多重应力叠加,还有群桩对桩间土的夹持作用影响,桩-土-承台之间作用更加复杂。用有限差分软件模拟固定桩距、桩径,变化竖向荷载下桩-土-承台的相互作用。从各层土的侧摩阻力、不同位置桩的桩顶荷载、荷载-沉降关系、桩间土体位移等方面的计算结果分析桩-土-承台之间的相互影响。结果表明,荷载超出117.8 MN（略大于Pu/2,Pu为群桩极限承载力）后,群桩对上部桩间土的夹持作用开始减小,桩侧上部侧摩阻力增大;桩侧下部侧摩阻力在多重应力叠加作用下呈减小趋势,不同位置的桩侧摩阻力影响范围有差异;用群桩沉降达到5%倍桩径时的荷载作为群桩的竖向极限承载力是可取的;当沉降与桩径的比值超出1%后,承台分担荷载的比例逐渐增大,群桩分担荷载的比例减小。