采掘诱发裂隙导通顶板上覆含水砂层中产生的水力坡度是渗透型溃砂的关键判断依据之一,但是,到目前为止主要是采用定流量下的稳定流水力坡度表达式计算,而实际上,上覆含水层中水动力条件和涌水量在溃水溃砂过程中都是非稳定的.本文依据非稳定流理论,给出了二维潜水、承压水单井定降深模型下的水力坡度J的解析公式,并分析了 J随时间和距离的演变特征.结果表明,对于潜水,J随与井的距离r的增加而下降,下降速度随r的增加而减小;存在拐点r',当r＜r'时,J随时间延长而下降,在r＞r'时,J随时间延长而增加;随着地下水头H0的增加,J是增加的;本文获得的潜水的非稳定流条件下的J大于潜水稳定流的J.对于承压水,J随r的增加而下降,下降速度随r的增加而减小;与潜水不同的是,在不同r处,J随时间延长而下降,不存在拐点;随着H0的增加,J是增加的;本文获得的承压水的非稳定流条件下的J不总大于承压水稳定流的J.最后,在伊犁河谷某矿对本文方法进行了初步应用.
新疆天山山脉海拔落差大,受气候及地形条件的影响其垂直分带性显著.天山山脉独特的地理位置及地质构造特征决定了山脉植被特征及垂直带谱发育的复杂性,也是影响坡积土分布与发育的重要条件.本文通过总结新疆天山山脉整体空间地理格局、地质造山过程和特殊地质地貌发育特征,进而明确了坡积土的风化成生过程及演化机制,并分析了天山山脉垂直分带划分界限及各分带内坡积土表层植被和地质灾害分布特征.研究表明:(1)新疆天山山脉横贯新疆中部,山脉发育主要受到古生代陆缘增生-碰撞造山、新生代晚期陆内造山及持续的冰川侵蚀等作用演化而成,其独特气候环境条件的差异性及规律性造就了天山山脉地貌发育具有水平过渡完整、垂直分带特性显著等特点;(2)天山山脉坡积土风化成生过程经历了原位风化、运移沉积及有机质积聚三环节,各环节依次进行又同时发生,具有循环递进特点;(3)依据海拔梯度与水热条件可将坡积土类型进行垂直分带划分,主要表现在:以博格达峰为代表的天山山脉北坡坡积土类型沿海拔由高到低依次为高山原始土、高山-亚高山草甸土、山地黑钙土、栗钙土、灰褐土、荒漠灰棕漠土;以托木尔峰为代表的天山山脉南坡坡积土类型沿海拔由高到低依次为:高山原始土、高山-亚高山草甸土、淡栗钙土、棕钙土、棕漠土;(4)天山山脉坡积土地质灾害受不同海拔处地貌条件及气候环境因素影响而产生了垂直分带特性,可以划分为冰川动力作用型、冰水侵蚀作用型、降水补给作用型.研究为明晰不同海拔内坡积土垂直分带及地质灾害特征提供基础指导价值.
近年来,随着山区工程建设日益活跃,由滑坡转化为泥石流所导致的巨型远程沟谷灾害,因其超强的运动性和巨大的破坏性而引起广泛关注.与单灾种滑坡相比,转化后的泥石流灾害规模更大、运动距离更远、流动性更强、危害程度更严重.科学的认识滑坡-泥石流转化过程,对从起始环节降低远程沟谷灾害风险,进而采取针对性减灾措施具有重要意义.本文基于现阶段国内外研究成果,系统综述了滑坡-泥石流灾害转化的概念、转化条件和转化机理.首先,对比高速远程滑坡-碎屑流,明确了滑坡-泥石流转化的概念.随后,从物源、水源和地形3个角度梳理了滑坡-泥石流转化的宏观条件,进一步梳理了现阶段用于划分滑坡、泥石流的静态、动态指标和方法.基于典型滑坡-泥石流转化野外案例和模型实验,总结了滑坡-泥石流转化的两种模式:"静-动"转化和"动-动"转化,分别就不同转化模式所对应的孕灾条件和物理机制进行了探讨.最后,基于对现有成果的分析,提出了滑坡-泥石流转化研究所面临的3个关键科学问题,指出了滑坡-泥石流转化研究可借鉴的相关理论和方法,探讨了未来滑坡-泥石流转化过程及物理机制分析的研究方法.
红层是一种分布广泛,性质特殊的易灾地层组合,其灾变基础科学问题已成为工程地质学科领域迫切需要解决的前沿课题之一.我国红层分布区工程规模巨大,灾变问题突出,主要表现为地质灾害、工程病害、生态损害3大灾变类型,使得红层地区经济社会可持续发展面临着前所未有的灾变危害与风险,严重威胁着一系列国家重大战略的实施.传统红层灾变理论和防控技术难以适应复杂条件下人地失调带来的重大挑战,亟待突破.本文旨在通过对国内外研究现状分析、对基础性科学问题的深入思考与系统梳理,阐明中国红层灾变研究概况,分析红层灾变基础研究的国际学术前沿问题,提出红层灾变基础研究亟待解决的3个关键科学问题,阐述了主要研究思路与内容及方案.这些思考寄期于支持破解红层灾变地质基因、成因机理、韧性协调防控等难题,以保障红层地区国家重大战略的高效实施,保障人居安全、生态文明建设和社会经济可持续发展,使得我国红层灾变研究占领国际前沿高地.
以石英云母片岩为对象,采用单轴压缩试验,探讨这类脆性片理化岩石在干燥和含水状态下的特征强度与能量演化的加载方向效应,并结合微观组构特征与宏观破坏模式,揭示片岩力学行为各向异性的机制.结果表明:(1)加载过程中,能量演化曲线与岩石的变形损伤变化有较好的对应关系,据此可快速准确地确定岩石的特征强度;(2)干燥和含水状态下片岩的特征强度皆表现为α=90°＞α=0°＞α=30°,其中,α=30.时,片岩强度对水的响应更为敏感,水对片岩的强度各向异性有一定增强作用;(3)α=90.试样的能量存储与耗散始终高于α=0°、30.试样,但相比α=90.而言,α=30.时,片岩的岩爆倾向性更强,岩石的损伤发展较为迅速;(4)岩石中的片状矿物和微裂隙为水的润滑、软化、水楔作用提供了物质基础,占主导地位的水作用随加载方向有所不同;(5)岩石内的片状矿物定向排列与软硬层近互层状分布的微观结构决定了裂纹产生与扩展机制的加载方向效应,本质上控制着岩石的强度与能量的各向异性.
鉴于Green-Ampt模型过于简化、难以反映实际入渗特征,且其假设与实际入渗规律不符,本文为了弥补Green-Ampt模型的不足,提出了一种改进的Green-Ampt模型.提出的模型考虑了含水率与土体深度的关系,将土壤剖面划分为饱和区、过渡区以及天然区,土柱试验验证了所提出模型的准确性,也证实了入渗过程中过渡区的存在.试验结果表明:Green-Ampt模型计算值明显偏离实际累计入渗量,提出的模型总体上更接近实际累计入渗量.将该模型用于非饱和斜坡稳定性分析,计算结果揭示了 Green-Ampt模型低估了斜坡的稳定性系数.提出的改进Green-Ampt模型为分析降雨滑坡风险提供参考.
三峡库区175 m蓄水以来,巫峡段碳酸盐类岩溶岸坡在周期性水位变动下岩体劣化强烈,新生或加速形成了大量地质灾害.为探讨在周期性水位变动下碳酸盐岩类岸坡的强度弱化规律,文章从岩石(体)物理结构、化学性质、力学性质等方面开展研究,通过在巫峡最具代表性的6处库岸段开展原位岩体回弹强度测试、原位点荷载试验以及室内干湿循环试验、岩石矿物成分分析、岩石表观裂隙扫描等试验,获取水位变动条件下碳酸盐类岩石(体)的强度弱化数据.原位岩体回弹强度测试结果表明,原位岩体单一年度的强度弱化率为0.3％～25.9％,岩体强度弱化主要沿结构面产生;室内干湿循环试验结果表明,在50次干湿循环后,岩石强度弱化率为16.4％～23.9％,变形模量弱化率为17.1％～24.9％;岩石矿物成分分析结果表明,在100次循环后,CaO的溶失量为0.5％～5.6％;岩石表观裂隙扫描结果表明,岩块表面裂纹发育位置发生了水蚀痕迹加重、溶孔变大、裂纹延伸等变形现象.基于干湿循环试验数据,建立岩石强度弱化函数,推导出各点位上的指数函数弱化计算模型.该计算模型可用来预测岩石强度、变形模量与水位循环次数间的数值关系.最后以曲子滩危岩"溃屈"式破坏计算为例,探讨了岩体强度弱化后的灾变效应.研究提出的工作方法和通过试验所得到的数据可为三峡库区岸坡劣化带的防治提供数据和技术支撑.
能量传递率是衡量贯人类试验锤击效率的一个重要指标.国外对这一指标需要进行现场实测,进而修正贯入试验的锤击数,建立评价场地承载力、液化势等特性的标准化锤击数.国内规范中,则较少考虑贯入试验的锤击能量传递率的问题,且缺少现场试验测试数据,导致基于贯人类试验锤击数的地基评价方法难以与国外标准进行横向对比.为解决这一问题,选取川滇地区西昌地震实验场的3个勘察试验点.采用能量测试仪实测标准贯入试验能量传递率,研究我国常规SPT试验装置锤击效率,并评价其稳定性.试验实测结果显示,现场标准贯入试验的锤击能量传递率均值基本超过75％.能量传递率随着贯入深度的增加稍有增加,地表下20 m范围内增长幅值为10％左右.试验结果可为评价我国常规SPT试验设备的锤击效率提供依据.
膨胀土是一种具有强胀缩、多裂隙、反复变形的特殊性黏土.膨胀土对外界环境变化非常敏感,由此而产生的变形与稳定问题是膨胀土地区工程建设的主要课题.本文归纳分析了现有的膨胀模型,基于膨胀土的膨胀变形随初始干密度的增大而增大,随初始含水率与垂向压力的增大而减小的规律性,提出了多因素耦合的膨胀土有荷膨胀模型.在该模型中,用压实度来反映初始干密度的影响,在单因素作为变量时,膨胀率与压实度呈线性关系,与初始含水率、垂向压力成对数关系.对邯郸强膨胀土、南阳中膨胀土与宁淮弱膨胀土的有荷膨胀试验结果进行验证,整体拟合效果较好.进而探讨了膨胀土有荷膨胀模型的工程应用,包括膨胀土地区处理层厚度的估算与膨胀土边坡的衬砌厚度的设计计算.
金属矿山进入深部开采后,面临着"三高一扰动"的复杂地质采矿条件,极易诱发突水灾害.本文依托滇东北毛坪铅锌矿,基于水文地质结构研究,对其突水致灾危险源进行了系统辨识和突水危险性评价,确定了深部开采过程中的突水致灾危险源管控措施.根据毛坪铅锌矿的地质、构造与水文地质条件,划分了两类水文地质结构类型,即背斜西翼强富水含水层侧向充水-陡倾型与背斜东翼中等含水岩溶顶底板充水-平缓型.从构造发育、含/隔水层、开采扰动3个方面,对毛坪铅锌矿深部开采的突水危险源进行辨识,建立了层次分析评价模型,获得了主要开采中段的突水危险性分区,划分出了安全区、相对安全区、过渡区、相对危险区、危险区.结果表明,矿区倒三角锥型的疏排水中心为突水危险性较小的区域,即安全区;北部为矿区的二叠系栖霞茅口组灰岩岩溶裂隙强富水含水层是矿区的突水危险性最大的区域,即危险区.从490m和310m中段的分区可见,危险区和相对危险区呈北东、北西方向的条带状,和主要的导水构造的发育方向一致.此项研究,为矿山建立"探、防、堵、疏、监"五位一体的综合防治水技术体系提供了科学依据.
软黏土的触变性对于实际工程设计和施工具有重要意义.为了分析天津地区软黏土触变性,本文基于正交试验研究了含水率、矿粉含量和pH值对其十字板强度和触变强度比率等指标的影响.试验结果表明:影响天津软黏土触变强度比率的主次因素依次为含水率、矿粉含量、pH值;软黏土的触变强度比率随含水率的增大而呈指数增大;随矿粉含量增大而呈接近线性减小;随pH值的增大而增大,但其增加幅度逐渐降低,且碱性比酸性环境更有利于软黏土强度的恢复;通过回归分析,建立了包含含水率、矿粉含量、pH值3个因素的天津软黏土触变强度比率预测公式,据此预测触变强度,预测结果较好.研究成果能够为工程实践提供理论参考.
堆积区宽度会显著影响滑坡碎屑流运动与堆积过程,而目前该方面研究却相对较少.本文设计了一种水平滑段宽度可变的物理模型试验装置,在此基础上开展了一系列物理模型试验.试验获取了不同宽度水平滑段条件下颗粒流运动与堆积过程的图像和数据,分析了颗粒流速度分布和堆积特征,进一步结合数值模拟探讨了颗粒流运动机制与堆积特征成因.结果表明:颗粒流在倾斜滑段随运动距离增加逐渐离散且离散范围也逐渐增大;颗粒流在水平滑段的运动速度随水平滑段宽度增加逐渐减小,运动速度方向发生偏移且随水平滑段宽度增加更加显著;颗粒流在水平滑段的堆积长度随水平滑段宽度增加逐渐减小,堆积宽度逐渐增加,堆积面积先减小后增加;数值模拟结果表明:碰撞是颗粒间主要能量传递形式,摩擦是主要耗能形式,随着水平滑段宽度增加,颗粒流在水平滑段颗粒间的碰撞次数逐渐减少,颗粒向两侧滑动展布,摩擦耗能使得颗粒流堆积宽度增加而堆积长度减小.
崩塌是黄土高原地区最常见、致灾最为严重的地质灾害之一.本文通过野外钻探,采用原位地震波测试的方法,详细分析了离石黄土崩塌隐患体内部的波速结构特征.结果发现,在竖直方向上,地震波速整体随深度增加而增大;水平方向上,地震波速自边坡坡面向坡体内部逐渐增大.结合数值模拟,发现崩塌隐患体由于受到卸荷回弹作用的影响,产生了指向坡外的形变.形变增量的大小与距离边坡坡面的远近有关,距离坡面越近形变增量越大,致使对应土体的密实度减小.密实度的减小是隐患体内部波速存在差异的重要原因.研究表明,利用地震波速的变化规律可以宏观反映崩塌隐患体内部结构特征,进而指导黄土崩塌地质灾害的防治研究.
荧光光电法作为地下水单孔渗流监测的重要手段,而流场畸变系数合理取值是荧光单孔渗流监测的关键.为有效提高荧光光电法在地下水单孔渗流测速的准确率,开发设计了荧光单孔地下渗流模型的监测试验系统,分析研究不同渗流条件下的流场畸变系数.首先,依据单孔稀释模型推导了荧光光电法流场畸变系数的数学表达式;然后根据自制光电监测装置,开发设计了荧光单孔渗流监测系统的试验装置;最后通过研究荧光剂稀释过程中的光电强度变化来研究不同含水层、侧孔孔径和开孔率条件下流场畸变系数的变化规律,确定不同监测条件下流场畸变系数的取值范围.试验结果表明:流场畸变系数随渗透流速和滤管开孔率的增加而增加,随测孔孔径的增大而减小,且影响因子重要性为含水层＞测孔孔径＞开孔率.以上研究成果可为荧光单孔地下水渗流监测的实际工程应用提供有益借鉴.
基坑挖前抽水可诱发明显围挡变形,而常用的墙顶支撑方案尚不能很好地防控围挡深部位置变形.近期,有学者针对软土地区基坑施工常用的"坑内布设隔墙的分区段施做方法",提出了"考虑隔墙支护效应"及"优化布置隔墙"的变形防控理念,实现了基坑挖前抽水引发变形的有效控制.为进一步优化坑内隔墙的布置,本文开展了隔墙高度对挖前抽水引发变形的影响研究.针对某具体基坑工程,通过一系列数值分析,探究了在不同抽水深度、隔墙高度条件下挖前抽水引发的基坑围挡变形特性,并基此提出了隔墙在深度方向的优化布置方案.研究表明,隔墙在深度方向的布置范围对其变形控制效果有很大影响,具体地,在降水深度范围内布设隔墙可显著减小抽水引发的围挡侧移,而降水深度以下的隔墙布设对围护结构侧移的控制作用十分有限.为兼顾经济性与变形控制效果,建议将隔墙顶面设置在降水深度(Hd)以上0.33～0.67Hd位置处,隔墙底面设置在Hd处;但当坑外存在对变形敏感的深埋结构时,可将隔墙底面进一步向下延伸1/3Hf(Hf为降水深度至围护结构底面距离)以达到控制深埋结构变形的目的.
炭质岩层常作为主要岩层或者夹层频繁出现在广西各时代地层单元中,因其易风化裂碎、崩解软化及工程性质对环境敏感,给广西地区公路工程建设带来诸多复杂问题.通过既有地质资料搜集、野外地质调查、取样测试等研究手段,对广西地区炭质岩的分布及组合特征、矿物组成、有机质特征开展研究,并对炭质岩崩解的影响因素及相应工程措施进行了探讨.研究表明:(1)广西地区炭质岩从新元古界至古近系均有分布,主要包括24个地层单元,其基本物质组成以黏土矿物、石英和碳酸盐岩矿物为主,且有机质含量较高,属于中-高级烃源岩的炭质岩类;(2)炭质岩所含黏土矿物中的伊利石和伊/蒙混层、高含量有机质以及硫化物是炭质岩在自然暴露状态下发生崩解的主要物质因素;(3)炭质岩边坡发生崩解的主要原因可分为4类:构造活动、黏土矿物的吸水膨胀性和受热脱水性、有机质和还原性矿物氧化分解反应、自然因素的影响.相关研究成果可为炭质岩地区边坡工程、隧道工程及路基工程的设计施工及处治工作提供重要参考.
含水合物土的抗拉强度特性对含水合物地层的稳定评估具有重要意义.以黏质粉土为赋存介质,利用四氢呋喃(THF)合成含水合物土试样,在冷冻库中利用改进后的单轴拉伸装置研究了含水合物土单轴抗拉强度特性.试验结果表明水合物饱和度、试样干密度、细粒含量对含水合物土的抗拉强度存在明显影响.随着水合物饱和度的增加,抗拉强度呈现指数函数的增长趋势.干密度和细粒含量对抗拉强度的影响在不同的水合物饱和度情况下影响不同,在低水合物饱和度情况下,干密度和细粒含量的增加会使抗拉强度增强;而在较高的水合物饱和度情况下,抗拉强度则随着干密度和细粒含量增加而降低.此外,通过分析含水合物土的波速特性,建立抗拉强度与波速之间的经验关系式.这一关系式对采用声波来估算含水合物土试样的抗拉特性具有重要的参考意义.
湿陷性是制约黄土场地工程建设的最主要因素.针对黄土场地现场浸水试验测试时间长、成本高等问题,在兰州新区黄土场地和靖远黄河高阶地黄土场地进行静力触探试验,研究静力触探锥尖阻力、锥侧阻力沿土层深度的变化关系,并在现场取原状黄土试样进行室内湿陷试验,研究发现室内试验所测得的自重湿陷系数沿深度具有良好的线性关系,由此建立了静力触探所测锥尖、锥侧阻力与自重湿陷系数之间的联系,提出了一种通过静力触探试验结果快速评价黄土场地自重湿陷性的方法.基于上述方法,对兰州新区和靖远黄河阶地黄土场地其他点位的测试结果进行自重湿陷性评价,验证了该方法的可行性与准确性.
稻城古冰帽中心海子山广布粒度成分不同的由冰碛物和冲洪积物等组成的松散堆积物,给高海拔宇宙线观测站(LHAASO)规划建设带来挑战.对高坡垄岗部位5处冰碛花岗岩砾石、堰塞盆地中2处阶地冲洪积物进行现场观测和取样分析.对106块砾石采用线面集中统计,得到冰碛物砾石数量占百分比较高的砾径为0.5～2.5 m,面积2.5～7.5 m2,体积5 m3.块石形状多为长方体-厚板状,部分面接触为主.采用音频大地电磁法(AMT)等进行探测,解释得到场地冰碛体厚约30 m.对冲洪积物的含砾土和细碎屑土的2个砂砾样品用筛分法和激光粒度法进行粒度成分测定,得中值粒径d50=2 mm、0.7mm,不均匀系数Cu=5.40、2.42,曲率系数Cc=0.60、0.95.这两种冲洪积物均为不良级配的土,即均粒土.这些成因和结构不同的冰碛物和冲洪积物对工程布设有不同影响,在工程实践中给予了区分利用.
红砂岩广泛分布于我国南方地区,因强度低、胶结程度差,且含有一定的膨胀性黏土矿物,此类岩石受水影响易发生崩解,从而易诱发多种地质灾害.选取湖南株洲地区的微膨胀红砂岩进行静态与扰动崩解试验,采用耐崩解性指数、标准基础熵、崩解比和分形维数等作为评价红砂岩崩解特性指标,探讨了烘干温度、试块质量、外界扰动和干湿循环作用等因素对红砂岩崩解特性的影响.研究结果表明,静态崩解方式下,相比于105℃和30℃,60℃的烘干温度更利于岩样崩解.而扰动崩解下,烘干温度对红砂岩崩解的影响几乎可以忽略不计.在烘干温度、试块质量等因素不变的情况下,外界扰动对红砂岩崩解特性存在显著影响.试块质量对红砂岩崩解特性存在一定的影响,试块质量越大,红砂岩崩解速率越快.干湿循环作用对红砂岩崩解的影响十分显著,随着循环次数增加,红砂岩的崩解破碎程度逐渐加大.
