陕北油田黄土工区道路冲蚀灾害模型试验研究

为探究陕北油田黄土工区道路冲蚀灾害特征及路面细沟冲蚀影响因素,采用物理模型试验,对道路细沟冲蚀发育过程,不同工况下细沟长度、平均宽度以及平均深度的发展特征和产沙速率变化规律进行了研究。结果表明:细沟的发育过程可分为面蚀阶段,跌坑形成阶段,细沟发育阶段,切沟侵蚀、崩塌阶段4个阶段。细沟长度、平均宽度和平均深度与放水时间成幂函数关系,随着放水时间的增大而增大。其中细沟长度随着试验时长的增加先急剧增加,然后逐渐减少;细沟平均宽度随试验时长的增加总体呈现先快速增加后增加速度减慢;平均深度变化速度均在某一时刻达到拐点,流量越大达到拐点的时间越早。冲蚀灾害受流量和坡度影响显著,总体上随着坡度和流量的增大而增大;产沙速率总体上与流量呈线性关系,在其他条件一致的情况下,产沙速率随着流量的增大而增大;与南部的粉黄土和黏黄土相比,陕北油田工区的砂黄土产沙速率明显偏大,冲蚀灾害更为严重。

干湿循环作用下剑麻纤维加筋膨胀土的抗裂作用及影响因素

为研究干湿循环作用下纤维加筋膨胀土的抗裂效果,分别开展了素土和剑麻纤维加筋膨胀土的干湿循环试验,并采用图像处理技术提取试样表面裂隙参数,分析了剑麻纤维含量及长度、干湿循环次数、试样含水率对裂隙发育的影响.结果表明:1)剑麻纤维加筋膨胀土具有较好的抗裂性能,且剑麻纤维的掺入对膨胀土的裂隙率和裂隙平均宽度影响较大,相较于素土试样,最优加筋土试样的裂隙率和裂隙平均宽度均比素土试样减小了约1/2.2)纤维长度相同时,随着纤维含量的增大,裂隙率、裂隙总长度、裂隙平均宽度和分形维数均呈先减小后增大的趋势,且纤维含量为0.4%时各参数值最小;纤维含量相同时,纤维长度对各裂隙参数影响不大.3)随着干湿循环次数的增加,加筋土和素土试样裂隙参数均呈逐渐增大趋势,但纤维加筋土裂隙率和裂隙平均宽度的增大幅度均比素土小;从第5次干湿循环开始,各裂隙参数增长趋缓.4)单次脱湿过程中,试样含水率由20%降至10%时,裂隙急剧发育,且素土裂隙的发育对含水率的变化更加敏感,含水率低于10%时,随着含水率的减小,试样裂隙率变小并趋于稳定;相同含水率条件下,剑麻纤维加筋土具有更好的抗裂性能.5)剑麻纤维加筋膨胀土的抗裂机理主要表现在两方面,一方面是剑麻纤维的掺入增大了膨胀土的渗透系数,促进了试样内水分的均匀分布,减小了试样各处的胀缩差异;另一方面纵横交错的剑麻纤维约束了聚集体之间大孔隙的收缩.

陕甘宁油田工区黄土滑坡特征及成因机理

针对陕甘宁油田工区黄土滑坡灾害频发威胁,通过对油田工区黄土滑坡开展全面深入的勘察活动,对我国油田工区上大量黄土滑坡的地质空间分布特点、类型与演化特征、影响因素与其形成机制进行了研究。结果表明:滑坡灾害在空间分布上主要集中于白于山以南部分的典型黄土沟壑地貌区中的黄土塬边、沟脑、梁峁边坡上和一些老滑坡上;在冻融期及雨季两个时间段发生频率较高;油田工区黄土滑坡以大量的浅表层滑坡为主,但个别深层的整体滑坡对工程的影响极为严重,造成很大损失;影响滑坡的自然因素主要为降水,工程因素主要为开挖和堆载,值得注意的是工程振动也极有可能诱发大的滑坡。研究认为,对于陕甘宁油田区工程,一定要结合黄土滑坡发生的规律,在选址上尽量避开危险性大的地段,施工上注意施工工艺和方法,减小对边坡的扰动,运营上要注意边坡的发展变化和极端天气带来的不利影响,最大可能地减小灾害造成的损失。研究结果可为陕甘宁油田工区工程选址以及滑坡防治提供科学的依据。

列车运行引发的黄土地区高速铁路路堑动力响应规律

为研究列车运行状态下黄土地区路堑段路基动力响应规律,采用2.5D有限元方法对比分析了有砟轨道和无砟轨道条件下轨道位移、环境振动强度和路基动应力分布随荷载移动速度的变化规律,讨论了抗滑桩对环境振动衰减的影响。结果表明,抗滑桩改变了路基岩土介质质量和刚度分布的连续性,可有效减弱环境振动强度。无波动传播现象时,路堑不同深度处振动强度分布类似,且路基附加动应力受车速影响较小;波动传播现象出现后,随着深度的增加,路堑振动强度逐渐减小,随着车速的提高,路基附加动应力迅速增大。有砟轨道条件下的系统响应受车速影响更显著。在所涉及的黄土场地条件下,现行高铁运行速度一般不超过2种轨道结构的临界速度且不会产生波动传播现象。

剑麻纤维加筋膨胀土抗剪特性及机理

为研究干湿循环作用下纤维加筋土的抗剪性能,开展了加筋土和素土的干湿循环试验和直剪试验,采用数字图像处理技术提取了试样表面裂隙面积,分析干湿循环次数、裂隙面积对抗剪强度的影响。结果表明:(1)随着干湿循环次数的增加,试样的抗剪强度呈逐渐降低的趋势,干湿循环次数相同时,加筋土的抗剪强度大于素土;(2)剑麻纤维可以显著提升土体的粘聚力,对内摩擦角的提升较小;(3)随着试样裂隙面积的增大,抗剪强度逐渐降低,试样的裂隙面积与抗剪强度近似呈直线关系,裂隙面积相同时,加筋土的抗剪强度更高。

先存断裂对抽水沉降及地裂缝活动影响的数值模拟

过度抽取地下水对断层构造型地裂缝的加剧作用是很明显的,但具体的作用机制却很复杂,过去的研究多是简单的定性分析,数值模拟和定量计算少有报道。笔者采用比奥(Biot)固结渗流理论和基于A、B面接触判断的库仑滑动和张裂的接触面单元,对抽水作用下地裂缝的活动进行了数值模拟,初步探讨了抽水活动引发和加剧地裂缝活动的机制。结果表明:抽水作用下抽水井周围水平应力场发生近井区挤压、远井区拉张的变化,当拉张区内的拉应力超过土体抗拉强度时将会出现自上而下的张裂缝;先存断裂的存在将影响应力变化的模式,同时由于断裂的软弱性,使得地层容易沿其发生滑动或拉裂,从而加剧地裂缝的活动;先存断裂对地面沉降和地裂缝具有诱导、隔离和放大的作用。

抽水作用下先期断裂对地裂缝的影响研究

过度抽取地下水和先期存在的断裂构造是西安市地裂缝地质灾害发生的主要原因。作者首先从理论上分析了抽水情况下地裂缝形成的张拉破裂机制、剪切破裂机制和张剪复合破裂机制,并从结构面控制理论分析了先期断裂在地裂缝形成中的控制作用;然后依据比奥三维固结理论,采用FLAC软件建立了西安地裂缝的计算模型,比较了抽水作用时没有先期断裂和地层差异、有先期断裂而没有地层差异、有地层差异而无先期断裂等情况时的地面变形特征,得出抽水作用下,先期断裂对地裂缝的形成及发展具有诱导、隔离和放大的耦合作用,从而得出先期断裂不仅仅只是地裂缝形成的构造基础的结论。

三维刚体极限平衡法程序的编制及其应用

西安市黑河水库右坝肩变形体是在旋转变形条件下形成的 ,这样 ,对它的稳定性评价必须按空间问题来考虑 ,要用三维分析方法来计算它的稳定性。鉴于目前的三维计算方法比较复杂 ,得出的结果实用性不大 ,本文首次编制了三维刚体极限平衡法程序 ,该程序既能计算稳定系数 ,又能计算出相应稳定系数下的滑坡推力。应用该程序计算黑河水库右坝肩变形体的稳定性 ,得出的结果与实际相吻合 ,同时又为工程治理提供了依据。

陡倾角层状岩体中巨型地下洞室群的围岩稳定问题

层状岩体是工程上遇到频率较高的一种地质体,由于具有层状结构,其工程性质较为特殊。文章从层状岩体的变形破坏特征入手,指出层状岩体的变形破坏主要以顺层滑移和弯折破坏为主,并以此分析了陡倾角层状岩体中大型地下洞室群开挖会遇到的围岩稳定问题。工程实例表明理论分析与实际相当吻合,本文的研究对于层状岩体中的地下工程建设具有一定的参考价值。

西安市地铁3号线不良地质问题及对策研究

地铁3号线是西安市轨道交通线网中西南至东北方向的主骨架线,由于西安市特殊的地质环境,工程建设中会遇到地面沉降和地裂缝等不良地质问题,因此,必须在工程建设前对3号线沿线地面沉降和地裂缝的发生原因、分布范围及发展趋势仔细进行研究。通过对地铁3号线沿线的实地踏勘,对前人研究资料的收集与分析认为,地铁3号线涉及了辛家庙、胡家庙、金花南路、观音庙、小寨5个老沉降中心和高新区、曲江新区2个新沉降中心,老沉降中心及曲江沉降中心目前沉降速率均较低,危险性小,新沉降中心鱼化寨目前地面沉降速率较大,危险性中等;地铁3号线与7条地裂缝在12个地段相交,其中危险性大的有6处,危险性中等的有5处,危险性小的有1处,要特别注意从吉祥村到小寨段与f7地裂缝的相交段。根据地面沉降和地裂缝对地铁工程影响的特点,提出了相应的防治措施。文中研究成果对西安地铁建设具有很好的参考价值。

王圪堵水库塌岸模式及长期塌岸宽度预测

对王圪堵水库库岸工程地质环境及灾害点的调查表明,库区典型的塌岸模式有冲刷磨蚀型、冲蚀崩塌型、浸润滑塌型3种,对塌岸发生的机理及影响因素进行了分析,利用图解法预测的水库长期塌岸宽度为130.5 m,划分了塌岸严重的区段。

咸阳市地下水位动态及其与地裂缝发展的对应关系研究

为了明确咸阳市城区地裂缝与地下水开采的关系,在对咸阳市地下水开采历史和现状研究的基础上,根据多年的水位观测资料,研究了咸阳市地下水超采区多年的水位动态变化特征,并结合调查访问和资料收集,对比分析了咸阳市城区地下水开采与地裂缝的定性关系。结果表明:在1986-2006年的快速下降阶段,地下水水位下降了11.4 m;而2006年至今的回升阶段,地下水位上升了6.54 m,目前咸阳市地下水水位已经处于回升和相对稳定的阶段。咸阳城区的地裂缝在1991-2006年高发,2006年之后活动减弱,表明咸阳市地裂缝活动在时间上与抽水引起的地下水位变动具有很好的一致性。同时地裂缝发育的空间分布与抽水形成的水位降落漏斗也具有较好的一致性,说明地裂缝并不是沿渭河断裂全线发育,而是主要发育在城区两个主要的抽水沉降漏斗区,尤以漏斗边缘裂缝更为明显。研究结果对掌握咸阳地裂缝的成因机理,预测其今后的发展趋势,开展地裂缝地面沉降灾害的防治工作具有一定的指导意义。

咸阳城区地裂缝灾害风险评估与防控研究

咸阳市作为受地裂缝灾害影响的区域之一,人民生活和城市规划都受到严重的影响。为了厘清咸阳城区地裂缝的发育特征,在详细的现场调查的基础上,以渭河断裂带为参考划分成3类地裂缝,结合地裂缝危险性与可能的灾害后果两方面因素,采用层次分析法与风险矩阵相结合的定性—半定量评价方法,对咸阳城区的地裂缝灾害进行了风险评估,并将整个评估区划分为6个区段,风险性高、中、低各2段,其中高风险区段总长7.41 km,占总长的32.5%;中风险区段总长10.20 km,占总长的44.8%;低风险区段总长5.18 km,占总长的22.7%。并对重点地段渭店村—石斗村段和石何杨村—摆旗寨村段提出了对应的防治措施。研究成果可为地裂缝灾害的风险防控及城市规划和建设提供有益的参考。

陕北某输油站地面开裂原因分析及对策

目的针对陕北某输油站的地面裂缝,分析其形成原因,评价场地的稳定性,并提出治理措施。方法采用详细的现场勘察,分析站场的地质环境条件及地面开裂的初步原因,运用有限元强度折减法对站场的稳定性进行计算。结果站场内外发育有连续性较好的裂缝5条,其产生的原因主要为:由黄土层的披覆构造特点及红黏土层的隔水特性而引起的坡体顺层面蠕动;填土区滑坡而引起的后缘张裂缝;土体不均匀沉降。结论该站场裂缝目前还在继续发展变化,随时有形成地质灾害的可能,因此,应根据情况及早进行相应的治理设计与施工。

粉煤灰-剑麻纤维复合改良膨胀土强度及裂隙发育特性

为研究粉煤灰-剑麻纤维复合改良膨胀土的效果和机理,以汉中某地膨胀土为研究对象,分别开展了素膨胀土、粉煤灰改良土和粉煤灰-剑麻纤维复合改良土的无侧限抗压强度试验和干湿循环试验。试验结果表明:粉煤灰改良土和粉煤灰-剑麻纤维复合改良土均能有效提高土体的无侧限抗压强度和抗变形能力,但复合改良效果更好,且最优配比为:粉煤灰质量含量9%,剑麻纤维质量含量0.4%,长度20 mm。无侧限抗压强度试验中,素土和粉煤灰改良土试样均出现明显的宏观剪切破裂面,而复合改良土试样呈近似“塑性鼓胀破坏”特征,出现剪切破裂带。多次干湿循环后,素土发育的裂隙具有直、宽、长的特征,粉煤灰改良土和复合改良土发育的裂隙具有细、密、短的特征,其中复合改良土发育的裂隙最细小且再次吸湿后易闭合。相同干湿循环次数下,3种试样的表面裂隙率大小关系为:复合改良土<粉煤灰改良土<素土,说明膨胀土中掺入粉煤灰和剑麻纤维能有效抑制裂隙的发育及扩展,采用粉煤灰-剑麻纤维改良膨胀土是可行的。研究结论可为膨胀土路基工程和边坡防护等工程中的设计和施工提供参考。

西安典型段地面沉降分层标观测及数值模拟

根据西安地下水监测和详细的地层剖面资料,采用比奥固结理论和不连续面的接触分析,建立了含2条地裂缝的典型地段的二维抽水沉降计算模型,对先存断裂存在时抽水作用下的地面沉降进行了尽可能精细地模拟计算。结合该计算段的监测资料,分析了西安市抽水作用下地层压缩量垂向上的分布特点及地面沉降水平位置上存在差异的原因。研究认为,西安市的地面沉降量主要由100~300 m深度范围内土层的压缩量组成,地裂缝的出现不单是地层厚度不同产生的差异沉降引起的,先存断裂面的作用也很大。由于断裂的存在以及其正断层的特点,沉降过程中上盘（南盘）的沉降得到了放大,而下盘（北盘）沉降缩小,不同结果导致地面沉降在断裂位置出现差异放大现象,导致地裂缝越来越严重。研究成果很好地解释西安地裂缝附近地面沉降的反常差异现象,对于进一步确定地裂缝的成因、预测其发展变化规律具有一定的作用。

层状岩体巷道弯曲变形的有限元模拟

在缓倾斜或水平层状岩体中开挖巷道时巷道顶底板弯曲变形和破坏的问题十分突出,巷道往往因这些部位发生过大变形而率先破坏,导致结构的整体失稳。根据层状岩体的特点,分析了其弯曲变形破坏的机理和条件,利用考虑偶应力的Cosserat介质理论,基于Matlab平台编制了相应的计算程序,对水平层状岩体巷道的变形特征及影响因素进行了模拟研究,结果表明Cosserat理论对层状岩体巷道的开挖模拟是适用的,而且简便。

山西太原盆地地裂缝与地下水开采、地面沉降关系分析

太原盆地是一个活动断裂多发、水资源缺乏的地区。长期以来,过量开采地下水资源已导致太原盆地内出现了多种环境地质问题,地面沉降即为典型的地下水超采伴生地质灾害。与此同时,地裂缝灾害也在盆地内迅速发育,严重影响着当地经济的发展。当地裂缝、地面沉降同时发生在某个区域内时,两者相互作用往往大大加重了灾害的程度。本文以详细的地裂缝野外调查资料和地下水观测资料为基础,全面分析了地裂缝和地下水开采、地面沉降在时间、空间、活动上的相互关系,并根据地裂缝的成因机制阐述了产生这种相互关系的内在根源。通过研究,本文认为太原盆地地裂缝的形成与发展与地下水超采在时空上有明显的正相关性,减少地下水开采可降低地裂缝的危害程度。

抽水作用下先存断裂活化滑移机制研究

一些规模较大的地裂缝往往是在断裂构造的基础上先初步形成,然后在抽水作用下加剧活动,但是具体的作用机制是很复杂的。本文利用弱面破坏和滑移控制理论对先存断裂在抽水过程中的活化和加剧发展的机制进行了分析。结果表明由于先存断裂弱面的存在,岩土体中的应力场及变形破坏模式都发生了明显的变化,当抽取地下水时,水位下降引起的应力扰动,导致含断裂面的岩土体的平衡被破坏,使得上盘岩土体产生沿断裂面的滑移,从而加剧了地裂缝的活动。这一认识与以往认为地裂缝是差异固结沉降为主要控制因素的看法是有所区别的,进一步完善了抽水作用下地裂缝形成和发展的机理。

层状岩体的力学特征和数值模拟方法研究

层状岩体由于具有层状结构,不仅变形和强度性质有异于一般的岩体,岩体的破坏方式及机理也具有明显的特点。作者在前人研究的基础上,结合自己对该问题的研究,全面总结了倾斜层状岩体的力学特征和数值模拟方法,并对各种模拟方法的优缺点进行了比较。