钙质砂颗粒破碎对临界状态影响的试验研究

钙质砂的颗粒易碎性是造成其变形和强度特性不同于石英砂的重要性质。本文基于临界状态理论,通过一系列试验定量地描述钙质砂临界状态线随颗粒破碎的演化规律。本文试验分两个阶段进行:第1阶段研究了60~2000 kPa围压条件下钙质砂的力学特性和颗粒破碎特征;第2阶段以不同破碎率的试样为母本重塑制样,在100~300 kPa围压条件下,剪切至破碎临界状态线。试验结果表明:在较小围压(<300 kPa)条件下,松砂和密砂均表现出明显的剪胀和应变软化特性;而高围压(>1 MPa)条件下,显著的颗粒破碎会造成试样的持续剪缩;颗粒破碎存在明显围压阈值,对于松砂而言,在围压小于300 kPa条件下,颗粒基本不发生破碎;在e-lg p'平面内,破碎临界状态线的截距Δe_Γ和斜率λ_c均会随着修正相对破碎率B_r*的增大而减小,即颗粒破碎会使临界状态线发生下移和逆时针转动;而在q-p'平面内,钙质砂的临界状态点落在同一条直线上,即存在唯一的临界状态应力比M_cr和临界摩擦角φ_cr。     

基于孔压静力触探的岩土参数正态性检验方法对比

岩土参数的正态分布是岩土工程可靠分析的基本假定之一。目前,岩土工程参数的正态性检验以KS （Kolmogorov-Smirnov）检验为主,然而诸多研究表明,对于小样本数据,KS检验的正态性检验结果并不可靠。本文以废黄河泛滥沉积相粉土中的孔压静力触探（CPTU）锥尖阻力q_t数据为研究对象,首先采用ANOVA （方差分析）检验,从CPTU测试资料中进行总体的样本筛选,然后应用SW （Shapiro-Wilk）检验、KS检验、LF （Lilliefors）检验和AD （Anderson-Darling）检验等4种正态性检验方法,在不同样本容量条件下,对测试数据进行正态性检验评价。当测试数据的样本容量充足时,分析结果表明：SW检验结果最为严格,KS检验结果最不保守,而LF检验和AD检验的严格性介于两者之间;对于常规岩土工程设计,采用KS检验结果即可满足稳定性分析要求,对于复杂岩土工程设计,采用SW检验对设计参数进行正态性检验,可降低设计的不确定性。     

钙质砂一维压缩回弹过程中声发射特征试验研究

为了揭示钙质砂在一维压缩回弹作用下的压缩变形、颗粒破碎特性以及声发射规律,对钙质砂进行了3种相对密实度下不同粒组的一维压缩回弹实验和声发射实验。通过对不同粒组、不同相对密实度的钙质砂进行一维压缩实验和同步的声发射实时监测,获得其压缩、回弹和声发射特性,最后通过筛分获得实验后的颗粒粒径分布,得出相对破碎势B_r。实验结果表明:钙质砂的压缩变形由颗粒位置调整和破碎两部分组成,其中颗粒破碎是产生压缩变形的主要因素,回弹曲线近似一条直线,表明压缩变形为不可恢复的塑形变形;压力相同时颗粒粒径越大,相对破碎势B_r越大。颗粒形状不同致使颗粒间填充作用与嵌合作用不同,影响颗粒的滑移与重排列,进而影响颗粒的压缩变形。两种砂的声发射计数率随粒径增大而增大,且都集中出现在800~3200 kPa的压缩阶段,钙质砂的压缩变形及破碎特性与其声发射特征具有一致性,钙质砂声发射计数率与时间关系曲线和应力与时间关系曲线吻合较好,可通过声发射计数率与时间关系曲线来反映钙质砂的力学特性。钙质砂存在一个声发射事件最少的“临界孔隙比”,本次实验中1~2 mm钙质砂临界孔隙比为1.33~1.41,试样的初始孔隙比偏离该临界值时,声发射活动会有不同程度提高。     

基于连续消光特征分析的岩石薄片分析系统

连续消光是指在正交偏光显微镜下,岩石薄片随载物台旋转而发生消光强弱连续变化的现象。作为人工鉴定岩石薄片的重要依据,提取后的连续消光特征可以用于实现岩石薄片的自动分析。结合数字图像处理技术与聚类划分算法,开发出一套能够分割出孔隙、颗粒轮廓,实现颗粒类别划分,并对结果做定量分析的岩石薄片分析系统。从矿物的消光特征本质出发,连续消光特征提取精确与否是能否有效划分颗粒类别的关键环节。因此,针对系统在连续消光特征提取过程中的消光位对齐与消光基值去除操作分别设置了对照组。以鄂尔多斯盆地某区长6段砂岩薄片在正交偏光镜下的角度域序列图像进行实验,结果表明,所开发的基于岩石薄片分析系统能够提取到更为精确的连续消光特征,且该系统定量分析结果与专业人员鉴定结果基本一致。     

考虑形貌特征和级配影响的钙质砂压缩破碎力学特性研究

针对岛礁大型构筑物修建过程中由于高应力而导致作为地基材料的钙质砂发生破碎,进而引发地基沉降变形问题。本文采用高压固结仪对钙质砂开展了一系列终止压力为16 MPa的侧限压缩试验,研究了高应力水平下钙质砂的压缩破碎特性。同时基于显微图像采集和处理技术对钙质砂颗粒的形状参数(圆度和完整度)进行了定量化表征,研究了钙质砂的形状分布规律。最终分别探讨了级配特征(如平均粒径、不均匀系数)、形貌特征等因素对钙质砂压缩和破碎特性的影响。结果表明:随着平均粒径的增大,钙质砂颗粒的形状不规则程度逐渐增加,其棱角也越发育。随着竖向应力的增大,在e-logp平面内,不同粒径钙质砂的压缩曲线逐渐会聚并相交于一条直线,初始粒径对其压缩特性的影响逐渐减小以致消失。而不同级配钙质砂的压缩曲线也发生会聚,但未相交于一条直线。当试样的不均匀系数(C_u)相近时,其压缩破碎量随着平均粒径(d₅₀)的增大而逐渐增加,当试样的d₅₀相近时,其压缩破碎量随着C_u增大而逐渐减小。上述研究成果将对南海岛礁大型工程建设提供重要科学依据。     

降水相态转换机制及积雪深度预报技术研究

利用2014—2017年山西省地面和高空气象观测资料、NCEP/NCAR FNL再分析资料、山西及周边地区多普勒天气雷达资料,对山西冬半年雨转雪过程进行归类与分析,探讨地面气温在降水相态转换中的作用,提取降水相态转换的前兆信息。针对降雪过程,统计分析降雪量和积雪深度增量的关系,总结提炼积雪深度预报指标。最后,选取气候特征相似的两次雨转雪过程进行对比分析,揭示降水相态转换的物理机制。结果表明:(1)山西省11月发生雨转雪的站次最多,其次为2月。地面气温作为降水相态变化的重要指标,其与气候和天气(如冷空气强度和路径)特征、地理位置等有关。(2)山西冬半年积雪深度增量与降雪量比值约0.68 cm·mm~(-1),且比值随着气温降低而增大,因此存在明显的时空差异。(3)在雨转雪的不同时段,随着对流层低层降温,冰雪层厚度在总云层的比例有所增加,且云中固态凝结物下落路径缩短,使得固态凝结物在下落过程中融化概率减小,造成相态变化。     

气候系统模式FGOALS模拟的南亚夏季风：偏差和原因分析

本文通过与观测和再分析资料的对比,评估了LASG/IAP发展的气候系统模式FGOALS的两个版本FGOALS-g2和FGOALS-s2对南亚夏季风的气候态和年际变率的模拟能力,并使用水汽收支方程诊断,研究了造成降水模拟偏差的原因。结果表明,两个模式夏季气候态降水均在陆地季风槽内偏少,印度半岛附近海域偏多,在降水年循环中表现为夏季北侧辐合带北推范围不足。FGOALS-g2中赤道印度洋"东西型"海温偏差导致模拟的东赤道印度洋海上辐合带偏弱,而FGOALS-s2中印度洋"南北型"海温偏差导致模拟的海上辐合带偏向西南。水汽收支分析表明,两个模式中气候态夏季风降水的模拟偏差主要来自于整层积分的水汽通量,尤其是垂直动力平流项的模拟偏差。一方面,夏季阿拉伯海和孟加拉湾的海温偏冷而赤道西印度洋海温偏暖,造成向印度半岛的水汽输送偏少;另一方面,对流层温度偏冷,冷中心位于印度半岛北部对流层上层,同时季风槽内总云量偏少,云长波辐射效应偏弱,对流层经向温度梯度偏弱以及大气湿静力稳定度偏强引起的下沉异常造成陆地季风槽内降水偏少。在年际变率上,观测中南亚夏季风环流和降水指数与Ni?o3.4指数存在负相关关系,但FGOALS两个版本模式均存在较大偏差。两个模式中与ENSO暖事件相关的沃克环流异常下沉支和对应的负降水异常西移至赤道以南的热带中西印度洋,沿赤道非对称的加热异常令两个模式中越赤道环流季风增强,导致印度半岛南部产生正降水异常。ENSO相关的沃克环流异常下沉支及其对应的负降水异常偏西与两个模式对热带南印度洋气候态降水的模拟偏差有关。研究结果表明,若要提高FGOALS两个版本模式对南亚夏季风气候态模拟技巧,需减小耦合模式对印度洋海温、对流层温度及云的模拟偏差;若要提高南亚夏季风和ENSO相关性模拟技巧需要提高模式对热带印度洋气候态降水以及与ENSO相关的环流异常的模拟能力。     

长江口和浙江近岸海域表层沉积物中颗粒磷的形态分布和影响因素

研究长江口和浙江近岸海域的水团流向、缺氧程度、潮汐作用以及养殖活动对表层沉积物中颗粒磷赋存形式的影响,对东海生态环境的可持续发展有着重要的意义。长江口以北和浙江近岸泥质区各存在一个缺氧中心,杭州湾属于强潮区,而象山港遍布养殖场。2018年8—9月在上述4个海域分别采集表层沉积物,采用SEDEX方法进行了颗粒磷的形态划分和含量测定。研究结果表明：在长江口外北部缺氧区和浙江近岸泥质区的南部缺氧区,由于沉积物-水界面的还原环境可以活化铁结合态磷,使之转变为生物可以直接利用的弱吸附态无机磷,因此表现出沉积物中铁结合态磷的低值和弱吸附态无机磷的高值;前者的缺氧程度高于后者,因此其铁结合态磷的含量相应更低。杭州湾和象山港海域均受潮汐作用影响,两者沉积物中磷的分布比较均匀。象山港表层沉积物中铁结合态磷含量均较低,这可能是因为养殖活动造成的水体缺氧通过潮汐活动扩散到整个港底。象山港废弃养殖场沉积物中的碎屑磷和残余有机磷含量显著低于非养殖区,可能是由于养殖活动累积的生物沉积稀释了陆源输入的碎屑颗粒。     

河北康保兴隆遗址的光释光测年研究

兴隆遗址是长城以北裕民文化分期研究的重要遗址。作为坝上高原迄今为止发现的出土遗物最丰富、沿用时间长达数千年的遗址,其年代的确定不但有助于厘清古人类在这一地区出现的时代,而且对研究中国北方旧-新石器时代过渡、农业起源及其环境背景等问题具有重要意义。兴隆遗址发掘后,虽然其新石器文化层已通过¹⁴C方法进行了测年,但其旧-新石器时代过渡期的文化层尚未进行年代学方面的研究。本研究在地层结构划分基础上,对兴隆遗址的TG01探沟的G5剖面(42°N,115°E;海拔高度为1398 m;剖面研究深度为106～361 cm)进行采样,共采集有11个沉积物样品,提取出粗颗粒(90～125μm)和细颗粒(4～11μm)两个粒级的石英,利用光释光(OSL)测年技术中的单片再生剂量法(SAR),对兴隆遗址探沟的不同文化层位进行年代测定,建立了兴隆遗址的整体年代框架。通过对两种粒级的石英的释光年代比较,得出细颗粒石英的所测年龄高于粗颗粒石英,高出年龄约为600～2000年左右,这可能是沉积过程的不完全晒退导致的。且基于粗颗粒石英的光释光年龄与¹⁴C年龄之间良好的一致性,...     

椒江河口沉积物As、Hg黄铁矿矿化程度及其生物有效性

本文利用取自浙江椒江河口3个未扰动柱状沉积物样,进行了孔隙水化学测试、固相沉积物的活性分量与黄铁矿分量的分级提取和测试,结果表明：Hg主要以黄铁矿态形式存在于沉积物中。As在有机碳较高的河口区潮上带和沉积速率较慢的潮下带主要以黄铁矿形态存在[DTMP（degree of trace metal pyritization,痕量元素黄铁矿矿化程度）〉50%）],而在中潮带As的黄铁矿矿化程度略低（DTMP均值为40.99%）,研究区DOP（Fe的黄铁矿矿化程度）值普遍较低（〈35%）,Mn-DTMP低于3.32%。从而揭示了浙江椒江河口沉积物在数厘米以下,毒性痕量元素Hg和As被高度黄铁矿矿化的规律性,并指出在遇有海事活动或风暴潮事件对海底沉积物进行扰动时,河口沉积物与充氧的海水反应,高度黄铁矿矿化的痕量元素会转变成活性态,从而导致近海生态系统的毒性事件。