滇西腾冲更新世粗面安山岩Ar-Ar年代学、地球化学特征及其构造意义

腾冲芒棒地区广泛发育新近纪以来的火山岩,本文首次对该区粗面安山岩进行的高精度40Ar/39Ar同位素定年,其坪年龄分别为2.1±0.1Ma和2.0±0.1Ma,代表其喷溢时代为早更新世。岩石地球化学特征研究显示,粗面安山岩属高钾钙碱性系列,富集大离子亲石元素、亏损高场强元素,具有弧火山岩与大陆板内火山岩的双重属性,推测其形成于后造山环境。综合研究表明,腾冲地块更新世火山岩的形成与印度-欧亚板块俯冲-碰撞造山隆升后的伸展垮塌、富集地幔部分熔融作用密切相关,而印支陆块向东南逃逸以及腾冲弧形走滑断裂带(龙川江断裂带、大盈江断裂带)的活化促使了该期火山岩的喷发与侵位。     

基于修正Drucker-Prager准则的岩石次加载面模型

为模拟岩石在循环加、卸载作用下的变形特性,结合Drucker-Prager(简称D-P)屈服准则与次加载面理论,建立了能考虑岩石材料实际抗拉强度和应力角效应的循环加、卸载模型。首先考虑岩石在三轴压缩和在三轴拉伸状态下不同的强度特性,在传统的D-P屈服准则中引入角隅模型,并借鉴殷有泉提出的D-P-Y准则,形成了修正的D-P屈服准则;进一步结合修正屈服准则和次加载面理论,提出了适用于岩石循环加、卸载的次加载面模型,并通过自编程序,实现了循环加、卸载模型的数值表达与岩石循环加、卸载试验数值仿真。计算结果表明,基于修正D-P屈服准则的次加载面模型能较好地描述岩石的曼辛效应和棘轮效应;通过改变抗拉强度的大小,可以发现随着抗拉强度的减小,岩石的变形量相应增加,且增加的幅度逐渐提高,说明修正模型可准确反映抗拉强度对岩石的循环加、卸载变形的影响。     

基于GRASS GIS与TIN滑动面的边坡三维极限平衡方法研究

基于开源地理信息系统(GRASS GIS),建立三维极限平衡Hovland模型,研究了边坡稳定性计算方法。采用空间平面投影方法对椭球滑动面中各组成单元面积计算方法进行改进,提高了计算效率。考虑边坡主滑方向与各单元倾向之间的关系,给出了能反映正负变化的滑动面各单元安全系数表达式。通过引入约束Delaunay三角形剖分方法与网格优化算法来生成滑面不规则三角形格网(简称TIN)模型,弥补了Grid模型在滑动面边界准确表达方面的不足。相比Grid模型,在相同网格分辨率条件下,TIN滑动面获得的边坡整体安全系数更加接近正确解,能够有效提升计算精度。通过考题与工程实例,对所提方法与程序模块的正确性进行了验证。结果表明,通过分析滑动面上各单元的安全系数,可以进一步划分不稳定区域与阻滑区,能够为滑坡治理措施的制定提供重要参考。     

隧道锚围岩抗拔机制及抗拔力计算模式初步研究

在普立特大桥隧道锚现场模型试验的基础上,采用数值模拟技术揭示了隧道锚围岩变形破坏过程:围岩破坏面从锚体底部与围岩接触面附近启裂,并逐渐向外呈圆台状扩散,破坏形式为拉剪破坏。并且,锚体前部临空岩体被拱出而发生拉破坏。破坏面上的应力分布随着拉拔荷载增大而发生复杂变化。基于此,通过在破坏面上建立力的平衡关系,提出了隧道锚围岩抗拔力计算模式。该计算模式与现有文献不同,体现了夹持效应以及破坏面上的复杂应力变化。破坏面上的应力分布需要通过模型试验和数值模拟论证得到。今后,在针对不同强度、不同结构特征的岩体进行全面试验分析的基础上,可以对破坏面形态和应力大小进行取值建议。采用该模式验证了试验结果,估算得到大桥原型锚碇的极限抗拔力非常大。目前隧道锚设计普遍偏于保守,隧道锚在中、软岩中仍然可以使用。讨论了破坏面形态特征可能的变化、岩体结构特征对抗拔力的影响等问题。     

自适应差分进化算法在边坡滑面搜索中的应用

边坡三维临界滑裂面的确定及其安全系数的求解是边坡稳定分析中的关键问题,而现有分析方法尚难以方便、可靠地获得三维滑裂面。在有限元数值应力场的基础上,计算边坡的安全系数。通过构造扩展椭球形滑裂面,利用自适应差分进化(SaDE)算法结合反向移动操作,实现了复杂边坡三维临界滑裂面的搜索。扩展椭球滑裂面构造方便,搜索灵活,比传统的球面或椭球面更能反映实际工程情况。整个求解过程为显式求解,不存在收敛性问题。算例考核结果表明,提出的方法具有良好的搜索效率与全局寻优能力,结果与刚体极限平衡法、有限元强度折减法吻合,计算结果合理可靠。通过实际工程边坡,进一步验证了该方法可方便、有效地应用于具有复杂岩性及环境条件的边坡三维稳定性分析。     

全风化花岗岩突水通道扩展的颗粒起动流速研究

突水突泥是富水全强风化花岗岩隧道施工常见的地质灾害,地层颗粒的流失是导致突水通道扩展的关键因素,其中颗粒达到起动流速是其流失的临界条件。考虑水流冲刷和土体黏结作用,对突水通道断面颗粒进行三维受力分析,导出颗粒的临界起动条件,建立了考虑颗粒粒径、颗粒坡面位置、相对暴露度三因素的颗粒起动流速函数,并利用数值方法分析了上述三因素对起动流速的影响规律。计算分析表明:起动流速随粒径增大先减小后增大,通道断面不同坡面位置颗粒起动流速呈明显的对称性,总体上起动流速随相对暴露度的增大呈增大趋势。采用正交试验法研究了三因素对颗粒起动流速的敏感性,发现粒径对起动流速影响最为显著。同时根据断面颗粒起动最小流速标准及相对暴露度的随机性,简化颗粒坡面位置和相对暴露度两因素,导出颗粒起动流速的简化公式,最后利用室内试验和工程实例验证了该公式的合理性。     

裂纹面接触对中心裂纹圆盘应力强度因子影响分析

从理论和数值两个方面进行分析,发现受径向集中力和围压作用的中心裂纹圆盘(CCBD)试件裂纹面接触会对II型应力强度因子产生较大的影响。通过理论研究,分析CCBD受集中力和围压作用裂纹面接触时圆盘内部的应力场,采用断裂力学权函数理论,推导得出在集中力和围压共同作用下,考虑裂纹面闭合时应力强度因子的解析解。然后,使用ANSYS软件建立了相应的数值模型计算应力强度因子,并与理论解和相关文献进行对比验证,证明了理论公式的正确性。无论裂纹张合与否,所提出的解析公式都能计算出不同裂纹长度、加载角、围压和摩擦系数的应力强度因子。最后,利用公式分析摩擦系数对应力强度因子的影响,结果表明:随着摩擦系数的增大,I型裂纹的应力强度因子不变,II型裂纹的应力强度因子随之显著减小;当加载角较大时,裂纹面产生更为复杂的二次裂纹,故压剪断裂测试的推荐加载角范围为30°~50°。     

基于凹体凸化的全空间块体识别方法

采用结构面切割多面体再合并的方法可以实现有限结构面间的块体识别,但切割的对象必须为凸体,而实际工程中的岩体模型并不局限于凸体。为了解决这一问题,提出一种凹体凸化方法,用于将凹体模型分解为凸体子区。首先,通过面单元法建立岩体模型,并设置可包裹模型的长方体;其次,以平面对凸多面体的切割算法为基础,利用面单元所在平面将所设置的长方体切割为若干子区;最后,通过判断子区与原模型的位置关系而实现凸化,并对凸化过程中的关键算法进行说明。针对切割过程中结构面与多面体的接触性判断问题,给出了从粗略到精确的判断方法,有效地减少了计算量。结合两个具有代表性的算例,给出所提块体识别方法的过程和结果,结果显示,所识别出的块体形态及数量不受限制,从而证明了本方法用于凹体模型的适用性与有效性。     

基于特征函数的钻孔图像结构面识别方法

针对数字全景钻孔摄像系统获取的实测图像,提出了一种基于特征函数的钻孔图像结构面识别方法。该方法根据井壁结构面在钻孔图像中呈正弦曲线状的特征,采用正弦函数作为特征函数来匹配识别结构面。通过改变特征函数参数来统计分析结构面及附近像素点灰度梯度的匹配情况,然后筛选出一条匹配最优的正弦曲线作为该结构面的特征曲线,从而实现了钻孔图像结构面的识别。该方法省略了传统方法中人工选取结构面特征点和特征点曲线拟合的过程,其方法稳定可靠、准确率高,为钻孔图像结构面的自动识别与工程应用提供了一种实际可行的有效途径。     

软弱围岩隧道掌子面及超前核心土挤出位移特征研究

为研究软弱围岩隧道掌子面及超前核心土的挤出位移特征,用Solexperts AG公司生产的GMD滑动测微计对湄渝高速岐山隧道F215构造破碎带区域进行了挤出位移实测,通过有限差分程序进行系列数值试验,着重研究了隧道穿越软弱围岩期间挤出位移的变化特征,并分析了破碎带长度和硬软岩刚度比的影响。结果表明,(1)挤出位移的大小可反映前方围岩质量,挤出位移在超前核心土内的分布可反映前方围岩的节理裂隙发育情况;(2)隧道开挖在掌子面前方造成的扰动范围大致为1.5倍的隧道开挖跨度;(3)隧道接近前方变化地质区域时,挤出位移的增大或减小具有超前性;(4)软岩段长度在一定范围内会影响掌子面进入软岩区后挤出位移的大小和变化趋势;(5)硬岩与软岩间的刚度比越大,挤出位移变化速率越大,且隧道由软岩区向硬岩区掘进时挤出位移的变化时机越早,而由硬岩区向软岩区掘进时的变化时机不受刚度比影响;(6)可将对挤出位移的监测分析作为超前地质预报的补充手段判断掌子面前方围岩情况。