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。     

基于连续损伤的水平井射孔-近井筒三维破裂模拟

射孔作为井筒与储层之间的液流通道,是水力压裂过程中的重要可控性参数。为研究水平井射孔-近井筒破裂机制,采用岩层变形-流体渗流方程描述应力状态变化,应用连续损伤破裂单元表征三维破裂位置与形态演化,并开发有限元求解程序模拟分析了射孔对水平井初始破裂压力、破裂位置及近井筒裂缝复杂性的调控作用。通过与解析模型及射孔压裂物理模型试验结果对比,验证了模型及有限元程序的有效性;水平井破裂压力数值分析结果与现场测试数据吻合较好。研究表明：射孔可调控水平井破裂压力与初始破裂位置,同时对近井筒区域裂缝扩展形态影响显著。通过优化射孔参数可以引导初始破裂向最优破裂面扩展、有效降低破裂压力,减小由于螺旋射孔空间排布引起的水平井近井筒裂缝迂曲与复杂程度,提高致密油气藏压裂改造效果。     

FeSO4对铬污染土的稳定特性及风险评价试验研究

采用硫酸亚铁（FeSO4）对铬污染土进行稳定化处理。选用浸出试验、Cr(VI)残留值试验和形态提取试验,研究了粒径和有机质对铬污染土稳定特性的影响规律。试验结果表明,粒径和有机质对铬污染土稳定特性有较大影响。粒径的减小可显著降低稳定土中Cr(VI)和总Cr的浸出浓度及稳定土中Cr(VI)的含量;当污染土粒径小于2 mm时,Fe(II)/Cr(VI)摩尔比为3,稳定土中Cr(VI)和总Cr的浸出浓度分别为4.68、8.9 mg/L,均低于我国《危险废弃物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB/T5085.3－2007）的限值。有机质添加量的增加可明显降低稳定土中Cr(VI)和总Cr的浸出浓度及Cr(VI)的含量。当Fe(II)/Cr(VI)摩尔比为3时,有机质的添加量为5%,稳定土中Cr(VI)的含量为28.3 mg/kg,低于我国《土壤环境质量标准》（GB15618－2008）中工业和商业用地限值（30 mg/kg）;当有机质的添加量为10%时,稳定土中Cr(VI)的含量为4.8 mg/kg,低于居住用地限值（5 mg/kg）。形态提取试验结果表明：粒径的减小可降低弱酸提取态的铬含量,增加可还原态的铬含量,而对可氧化态和残渣态的铬含量影响不大;有机质可促使弱酸提取态、可还原态的铬转化为可氧化态的铬,而残渣态的铬变化不大。稳定土中铬从活性态向较稳定态转化,是铬稳定土稳定特性和环境风险变化的根本原因。     

深海管道水平向管-土相互作用大变形连续极限分析

管道被广泛应用于油气产业,其中管-土相互作用机制是管道可控屈曲设计的关键。采用新开发的连续极限分析(SLA)方法对深海管道与软土水平大变形相互作用进行了研究。该方法基于极限分析对变形体进行一系列求解与更新模型,能够考虑模型的极端几何变形和材料的应变软化与率效应。该研究对固定管道竖向位移条件下水平加载这一工况进行了探讨,分析了不同初始埋深的管道在位移过程中所受竖向及水平向反力(V、H)的发展。通过与多组离心机试验数据对比,验证了SLA对管-土水平大变形相互作用研究的有效性和高计算效率。主要成果有:提取了管道在不同位置的V-H屈服包络面以考虑加载路径变化对管道受力行为的影响,发现了管道的等效摩擦系数H/V随水平位移的线性增加规律。该研究以期为深海管道的可控屈曲设计提供参考,并推广SLA法在大变形土结相互作用问题中的应用。     

珠江三角洲平原区土壤Pb元素地球化学特征及其影响因素研究

以珠江三角洲平原为研究区域,对其7个区县102件水稻根系土样品进行土壤理化参数及Pb形态分析,探讨在第四系分布区土壤Pb全量及Pb活动态含量的特征及影响因素。结果表明:全部供试土壤样品中Pb元素平均含量为46.47mg/kg,略高于广东省土壤Pb含量背景值(36mg/kg),表现出一定的累积趋势。研究区自西北陆相沉积区至南部海陆交互相沉积区,元素含量增高。Pb元素主要以残渣态和铁锰氧化物形态赋存在土壤中,迁移能力弱。影响土壤Pb全量的因素主要有Al2O3、K2O、Tl、Mo;影响土壤Pb活动态的因素有Pb全量、pH、有机质、CEC、P、TFe2O3、Mn;其中,p H是控制Pb元素活动性的最主要因素。     

植硅体形态测量学研究与应用概述

植硅体形态测量学是植硅体研究的重要方向之一,随着学科交叉研究的深入,植硅体形态测量学在植物分类与生态学、环境考古学、全球变化与生态响应等领域得到快速发展。综合已有研究成果表明,长鞍型植硅体形态测量学在日本、中国的竹亚科属一级竹类生态学具有独特的指示作用,而扇型和长鞍型形态测量学在中国西南西双版纳竹亚科木本竹子属一级分类中具有重要的参考价值;稻亚科扇型形态测量学可以有效区分籼稻与粳稻,且扇型鱼鳞状纹饰与颖壳双峰植硅体形态测量学结合可以准确判别亚洲栽培稻与普通野生稻;黍亚科树状表皮长细胞形态测量学被成功运用到区分中国西北黍和粟及其亲缘物种的关系,葫芦科南瓜属刻面球型植硅体形态测量学揭示了野生种、半驯化种和驯化种之间植硅体形态大小及其关系,证实南美洲低地地区早全新世出现的南瓜驯化历史;中国东北不同环境条件下的禾本科羊草、芦苇植硅体形态测量学研究反映了陆生植物对全球变化的生理生态响应,为研究陆地生态系统对全球变化的响应及古环境重建提供了重要参考。     

基于Voxler平台的成矿数据三维可视化研究与应用—以安徽马头铜钼矿为例

在系统统计分析的基础上,基于Voxler平台对安徽马头铜钼矿矿区品位数据建立三维矿化模型,系统研究矿化体在不同边界品位下的空间展布形态,确定矿床的天然边界品位;通过多角度剖切、矿化-岩性耦合模型、三维矿化梯度分析等工作,基本确定了矿体的空间展布形态和就位空间,划分出2个主要矿体。通过Voxler软件对矿床矿化数据三维建模及成矿控矿因素的应用研究,实现了一条快捷仿真模拟矿化体立体空间分布的有效途径。     

含软弱夹层板岩抗剪强度试验及表征方法

在微机控制岩石剪切试验机上,针对预裂的含薄层黏土充填结构面板岩试件,进行不同法向应力下的结构面直剪试验,发现:结构面直剪试验中,并不是整个结构面都参与抗剪工作,只有部分结构面发挥抗剪作用,而且发挥抗剪作用的有效摩擦面积随法向应力的增大而增大,但是增大速率逐渐减小。基于整个结构面发挥抗剪作用的假设,获得了结构面表观剪应力-剪位移关系曲线,拟合计算了结构面表观抗剪强度指标;同时基于每次直剪试验中结构面部分区域发挥抗剪作用的假设,获得了结构面有效剪应力-剪位移关系曲线,拟合计算了结构面有效抗剪强度指标。对比两者发现:结构面抗剪强度指标中,内摩擦角与发挥抗剪作用面积的选取无关,黏聚力则受发挥抗剪作用面积选取的影响;基于结构面有效摩擦面积计算得到的有效黏聚力,相比表观黏聚力,提高了95%。本文研究成果对于滑坡工程治理方案的评估与选择具有重要的意义和价值。     

基于改进投影覆盖法结构面粗糙度尺寸效应分析

研究结构面粗糙度的尺寸效应特征对全面理解结构面的力学性质有重要的意义。基于此,将随机数应用于投影覆盖法中,改进了投影覆盖法计算结构面分维数时三角形单元划分方法;在分辨率相同情况下,应用改进投影覆盖法计算了两个形貌特征不同的结构面（2 m×2 m）尺寸大小不同时的分维数;探讨了用取自不同区域位置相同尺寸结构面的最大分维数差值来判定结构面合理尺寸的方法。研究结果表明:（1）形貌特征不同的结构面尺寸效应特征不尽相同,一般情况下,随尺寸增大,结构面粗糙度先增大而后减小,即在小尺寸时表现为正尺寸效应,而后为负尺寸效应;（2）对于某一特定结构面,不同尺寸范围选取位置不同,其尺寸效应特征也不尽相同;（3）不同区域位置相同尺寸结构面最大分维数差值随尺寸的增大,其总体趋势为先减小而后逐渐趋于稳定。该研究结果是全面认识结构面粗糙度尺寸效应的有益补充,为确定结构面合理尺寸提供一条新途径。     

金川二矿区大体积充填体变形的三维数值模拟

充填法采矿是维护矿山稳定、控制地压变化以及限制围岩变形的最有效的手段方法,这种方法被大量地应用于金属矿山的开采工程当中。充填体作为矿体采出后的替代物,充入地下采空区后经过相变-固结-承压-提供反力-与围岩相互作用等阶段,与上覆岩层、下部矿体以及周围围岩形成了一个共同抵抗外部压力又相互作用的系统。这个系统在矿山开采状态下如何维护自身稳定以及相互作用所产生的变形破坏等都是需要进行研究的问题。金川镍矿二矿区已经进行了几十年的充填开采作业,逐渐形成了体积非常巨大的充填体,而进入深部开采工程后,上覆巨大充填体的受力稳定问题直接关系到矿山的安全生产。本文结合金川二矿区开采实际,在精确刻画充填体三维形态特征的基础上,采用数值模拟方法分析了大型充填矿山充填体的力学行为。模拟结果表明:充填体在开采时会出现整体受压变形,最大剪应力是导致充填体与围岩发生局部破坏的主要因素,对此根据充填体整体塑性屈服区域的分布和剪应力分布情况,确定了破坏失稳的危险区域。