地球物理学及地球动力学研究与计算数学

地球物理学是20世纪,特别是在其中叶以后迅速发展起来的一门边缘科学.它以物理学、数学和信息科学为依托,并与地质学、地球化学密切结合;以研究和探索地球内部介质的属性、结构变异和深部物质与能量的交换、深层过程和动力学响应.这在促进社会与经济的发展和科学与技术的进步中占有重要地位,因为大量资源的需求和自然灾害的防范在人类生活和生存空间以及可持续发展中乃核心所在.在研究和探索这一系列的地球科学问题的进程中,首先必须通过地表进行高精度的地球物理探测、观测和高分辨率的数据采集,进而利用不同的数学方法反演计算地球内部介质的精细结构和其物理—力学过程与动力学响应.基于此,本文主要讨论了：1）地球物理学和地球动力学的发展趋势及特点;2）地球物理学的发展对计算数学的需求;3）地球动力学和数值模拟与计算地球物理学.最后对这些问题和基本导向进行了讨论.     

气—地间耦合所产生的短临动力对大地形变的影响分析

围绕气—地间耦合所产生的短临动力对大地形变的影响问题,简要分析了气—地间耦合所产生的短临动力,根据秦安基准地震台前兆仪器2次受气压畸变影响的反应情况,分析了气压短时间内畸变对大地形变的不同影响,并在此基础上探讨地震前兆仪器对于短临应力影响的反映。     

长春市及周围邻近地区的地震记录特征

对长春市地震速测速报中心遥测台网近年来记录到的长春市及周围邻近地区不同方位的地震在仔细分析与对比的基础上,总结出一些规律性的认识。这些认识将有助于对该区域的地震更加快速准确地进行测报。     

Gully,channel and hillslope erosion – an assessment for a traditionally managed catchment

Understanding landscape features such as gullying and soil erosion is an important issue in the long‐term dynamics and evolution of both natural, agricultural and rehabilitated (i.e. post‐mining) landscapes. Considerable research has been undertaken examining the initiation, movement and overall dynamics of such features. This study reports on a series of 34 gully heads and other erosion features, such as scour holes (five in total), located in channels in a catchment largely undisturbed by European activity in the Northern Territory, Australia over a 5 year period (2002–2007). During this period the erosion features were monitored for their headward advance/retreat, enlargement or in‐filling. The erosion features ranged in depth from 0.2 m to 1.5 m and widths of 0.3 m to 8 m. Hillslope erosion was also monitored using erosion pins. The catchment was subject to a range of rainfall regimes including extreme rainfall and a Category 5 cyclone and also was burnt every second year so that all grass cover was removed according to traditional management practice. The results of this monitoring show that the erosion features have changed little during this 5 year period. A remote sensing assessment found no relationship between erosion feature morphology and hillslope erosion. The monitored gullies heads and scour holes appear to be resilient landscape features, yet have a morphology that suggests they are ready for rapid headward movement and expansion, leading to a destabilisation of the catchment. Hillslope erosion was found to be related to wetness indices derived from a digital elevation model. Significant linkages were found between hillslope erosion and change in erosion feature depth, indicative of a strong hillslope–channel coupling. Copyright © 2010 Commonwealth of Australia     

裂隙岩体高压压水试验水-岩耦合过程数值模拟

为了解高压水渗流作用对裂隙岩体应力和变形的影响,结合黑麋峰抽水蓄能电站岩体高压压水试验的渗压及变形测试成果,采用多孔连续介质全耦合理论,研究了试验区岩体测点在压水孔加压和卸压过程中的孔隙压力和位移变化过程。通过对测点位移和渗压随时间变化过程的计算值和实测值对比研究,验证了所采用的水-岩耦合数值模型的合理性。研究表明：在压水孔内的水压力和岩体孔隙压力的共同作用下,岩体内的应力大幅度增加;压水过程中,岩体因渗流作用产生了较大的位移,停止压水后的一段时间内,由于岩体中还存在一定的孔隙水压力和水压力梯度,从而导致岩体内仍存在部分变形值,且该部分变形值并非是压水孔卸载后岩体内的塑性残余变形;高压水渗流作用下的岩体耦合效应对工程应力和围岩变形有重大影响,考虑水-岩耦合效应的岩体稳定性评价结果对工程设计更具指导意义     

交错既有隧道次生力学效应三维模型试验

为分析交错新建隧道施工对既有隧道的影响,采用公路隧道结构与围岩综合试验系统对交错隧道进行三维物理模型试验。测试的内容包括新建隧道开挖引起既有隧道围岩内部压应力、围岩内部位移及支护结构内力的变化规律。试验结果表明,既有隧道拱顶径向压应力和拱腰切向压应力具有增加趋势,拱顶切向压应力和拱腰径向压应力具有减小趋势;拱顶围岩内部位移表现为压缩变形,拱腰围岩内部位移为拉伸变形;既有隧道支护结构的轴力和弯矩全为增加,右拱腰的弯矩受到的影响最大;新建隧道施工对既有隧道L8截面的影响较小,对L1和L4截面的影响非常明显,当间距小于L8截面情况时应采取加固措施。     

土力学理论的发展和面临的挑战

随着社会经济的不断发展,土力学所要分析和处理问题的范围越来越广,问题本身也越来越深入和复杂。这些问题主要是由于土与环境的相互作用而产生的。为了分析和处理这些问题,经典土力学需要拓宽和深入发展,它应该包含一些新的现象和新的变量以及相应的新理论。论述了土力学所面临的三大挑战,即①没有严格、统一和完备的土力学理论;②对更具一般意义的非饱和土的行为的研究不够充分,现有的认识也不完善;③没有在多种环境作用下土的统一和完备的多场耦合理论。还论及了其他一些超出经典土力学范围的问题。     

考虑流-固耦合的隧道开挖数值模拟

根据隧道工程施工实际情况和地下水渗流的基本规律,以及弹塑性力学理论,建立了在应力场和渗流场耦合作用下隧道开挖数学模型,借助Comsol模拟了隧道开挖过程中围岩应力场及渗流场的变化规律。研究结果表明：在原岩开挖时,隧道围岩变形及地面沉降大,不利于周围建筑的安全,隧道内积水,施工无法进行;进行灌浆处理后,围岩变形小,地面沉降得到控制,有利于施工及周围建筑的安全。     

多孔介质固液耦合相似材料的研制

为研究地下结构与富水多孔岩体的相互作用问题,根据模型试验相似理论,研制出了一种多孔介质固-液耦合相似材料,该材料由中粗砂、水泥、透水混凝土增强剂合水按一定配比均匀拌和压制而成。运用正交试验设计原理进行配比试验,制作模型小试件,进行了单轴抗压强度、渗透系数、重度、弹性模量、泊松比等参数测试,找出了相似材料各成分对配比试件的影响特征,可根据需要在物理模拟试验中选取不同配比。该配方力学指标稳定,满足一次性浇筑大尺寸模型试件的要求,适用于进行结构与围岩体耦合失效破坏模式的大型物理模拟试验,为富水条件下地下结构风险评估提供了相似试验材料     

2002-2012年长春市城市功能空间耦合研究

以长春市多年用地现状图和统计资料为数据源,以ArcGIS和SPSS软件为分析工具,引入静态耦合度和动态耦合度概念,从居住空间视角对长春市城市功能空间耦合的空间差异特征进行了动态研究,分析了城市功能空间耦合的动力机制。研究发现：① 长春市城市空间扩展仍未摆脱圈层扩张的窠臼,居住空间表现出过高的扩张强度,是城市功能空间低耦合近域扩展的重要原因;② 城市功能空间耦合的地域差异显著,核心区动、静态耦合度均高于外围,城市功能空间处于重构期,外围则处于低耦合的快速扩张状态;③选取耦合度指标通过聚类分析方法将中心城区划分为高耦合比较成熟、高耦合趋于成熟、高耦合新兴、低耦合比较稳定、低耦合新兴和低耦合特殊城市功能空间六类。