从反转构造的砂箱模型看柴达木早-中侏罗世盆地的构造性质

设计了基底均匀伸展半地堑正反转、基底均匀伸展书斜式正反转和对称地堑正反转等 3个砂箱实验模型 ,着重研究后期构造反转对前期正断层构造的叠加与改造作用。单侧挤压实验结果表明 ,正反转过程中 ,挤压变形主要通过形成新的低角度逆冲断层实现 ,前期正断层多数可被保存下来 ,仅倾角不同程度地变陡。前期正断层全部反转为逆断层的可能性极小 ,仅在强烈逆冲变形带 ,逆冲断层才有可能完全取代前期的正断层。根据实验结果并结合柴达木盆地的实际资料 ,认为柴达木盆地早

基于砂箱模型试验的加筋土挡墙合理布筋方式探讨

针对加筋土挡墙中拉筋水平和垂直间距、筋带宽度和拉筋长度的合理布设问题,根据拉筋所受土压力相等的等土压应力面积法,提出了拉筋水平等间距、垂向沿埋深逐层加密的布置方式及相应的计算式;采用砂箱模型试验,以墙体处于极限稳定状态下的最少用筋面积为条件,探讨了加筋土挡墙的合理布筋方式。试验分析表明:采用与土压力沿深度逐渐增大相适应的拉筋"上疏下密"布置形式可实现筋带均衡受力,在"窄筋密布"的条件下具有更好的稳定性且用筋量更少;与墙后填土潜在破裂楔体呈上宽下窄形状相适应的筋带"上长下短"布置方式稳定性优于"上下等长"布置;采用"窄筋长布"的方式较"宽筋短布"能增加筋带有效锚固面积,提高挡墙稳定性。

桩土相互作用的砂箱模型试验及计算分析

提出了用有限元 无界元耦合的方法计算大变形条件下桩 土耦合体系的应力和变形.在桩与土接触的界面上设置了一种有厚度的接触面单元,它可以与土体的弹塑性模型相衔接,能合理地反映接触面及其邻近区域剪切破坏带中的变形性状.计算结果与现场观测数据吻合较好,说明该计算方法是可行的.

基于砂箱模型试验的加筋土挡墙最优布筋方式分析

为探讨最小加筋材料面积的加筋土挡墙最优布筋方式,开展了以纸质作为挡墙面板和加筋材料的砂箱模型试验,测试了加筋土填料和加筋材料的物理力学性质,分析了布筋密度、筋带宽度及长度等因素对加筋土挡墙稳定性的影响规律。试验研究表明:处于极限稳定状态的加筋土挡墙,采用"窄筋密布"、"窄筋长布"方案的用筋量均小于"宽筋疏布"、"宽筋短布"方式;在用筋量相同条件下,采用"上长下短"布置方式的稳定性高于"上下等长"布置。

基于砂箱模型试验的肋板式挡墙稳定性及合理布置方式分析

肋板式挡墙是由墙面挡土板、摩擦锚固肋板和肋间土体组成的一种新型支挡结构,其稳定性主要受肋板长度及布置间距的影响,为此开展了采用纸质作为挡墙面板和肋板的小型砂箱模型试验。研究结果表明:肋板式挡墙承受的土压力主要通过肋板与肋间土体的摩阻力平衡,稳定需满足肋板最小长度,且肋板长度≥布置间距的基本布置要求;根据不同的肋板布置方式,肋板式挡墙存在长肋疏布的摩擦锚固型和短肋密布的整体土墙型2种典型作用模式;极限稳定状态下,肋板长度≈布置间距的过渡型布置方式最合理,所需肋板面积最小。

基于砂箱模型试验的加筋土堤坝挡墙在松花江干流治理工程的优化设计研究

通过对加筋土堤坝挡墙模型和堤坝边坡进行分析,探索加筋土堤坝挡墙在松花江干流堤坝治理工程应用的可能性。根据规范提供的理论计算方案,对选择的研究区段进行数值模拟和模型试验相结合的方法,对加筋体方案进行优化。其中加筋体的拉伸和回填的砂土密实度会影响加筋带和回填砂土的相互作用,对试验结果的影响很大。在充分加筋且所有筋体全部穿越潜在滑面后,水平加筋体垂直堤坝坡表加筋可很大程度的提高边坡稳定性,通过砂箱试验,可为加筋土堤坝挡墙在松花江干流堤坝治理工程综合治理措施的制定提供依据。

肋锚式桩板墙砂箱模型试验研究

肋锚式桩板墙是一种新型复合支挡结构。通过砂箱模型试验,获得肋锚式桩板墙保持稳定所需锚固段长度l1与肋板长度l2关系,分析肋板摩擦锚固与锚固段抗力锚固效应对墙体稳定作用模式影响,基于工程经济性原则探讨肋锚式桩板墙合理构造方式。试验结果表明,极限平衡状态下所需的锚固段长度随肋板由短至长变化呈非线性缩短趋势,即通过在悬臂段墙后土中增设抗倾覆滑移肋板可有效减小锚固桩埋深;随着肋板增长和锚固段缩短,挡墙保持稳定的控制因素由锚固段的抗力锚固效应逐渐转变为肋板的摩擦锚固效应,对应的力学作用模式为依次为“桩锚主导型”、“桩肋复合型”和“肋锚主导型”;对于单位长度锚固段与肋板造价比值a>0.6375的肋锚优势区,采用长肋短锚构造方式的“肋锚主导型”挡墙具有较好的经济性,而a≤0.6375的桩锚优势区则宜选用短肋长锚的“桩肋复合型”。

砂箱模型模拟休耕田区以砂桩补注地下水对溶质传输影响

水田在休耕期间蓄水,除了可维持水田原有之生态机能外,亦可增加土壤水分涵养与补注地下水。利用砂箱来模拟休耕田区中打入砂桩以补注地下水时,砂桩存在对灌溉水中之溶质在土壤中传输之影响。由试验结果得知当砂桩贯穿牛踏层时可增加水分入渗速率约40倍,相对的,砂桩亦加速溶质在不同土壤层间之传输速率,尤其在牛踏层下方之土壤为砂层时,其影响更为显著。因此,蓄水过程中需注意水源之品质,以避免土壤与地下水受污染。

斜向聚合及弧后伸展作用对中国台湾北部-琉球地区的构造影响——砂箱模型实验的启示

中国台湾造山带位于欧亚板块和菲律宾海板块交界处,由于两板块斜向聚合作用,使得中国台湾造山带构造极其复杂并具有分段性:南部尚处于碰撞造山初期,而北部已处于碰撞后期,构造环境已从挤压转变为张裂。前人利用三维砂箱模型对造山带进行研究时,主要关注于斜向聚合作用对造山带的影响,较少考虑到冲绳海槽张裂作用。本文在前人基础上通过添加砂纸带机器模拟张裂作用,探讨挤压-张裂同时作用下砂体的变形模式,解释中国台湾造山带北部—琉球地区的构造现象。通过分析实验图像和粒子图像测量(PIV)数据,并与地震剖面、GPS速度场测量和古地磁数据进行对比后认为:中国台湾岛北部顺时针旋转主要与斜向汇聚作用有关;宜兰平原东西至东北—西南向的运动,及南北有别的运动模式主要与冲绳海槽张裂作用有关;琉球地区形貌主要受控于俯冲的菲律宾海板块形状,在斜向聚合作用下造成地层褶皱和挤压。之后在由东向西发展的弧后伸展作用下,形成冲绳海槽东宽西窄的凹陷区及一系列正断层,并伴随琉球岛弧的顺时针旋转。

加筋土挡墙优化设计砂箱模型试验研究

通过一系列对比试验,分析了不同加载工况下加筋土挡墙的承载能力和变形特性。结果表明:考虑到"鼓肚"现象的影响,"上短中长"的筋条布置方式优于"上长中短"的布置方式;U形布筋方式虽然改变了筋条破坏形式,却对提高承载能力贡献不大。

基于砂箱模型试验的新型孔状单元体加筋形式性质研究

本文基于砂箱模型试验,以牛皮纸作为筋材提出一种新型的孔状单元体加筋形式。首先对比条状、网格状加筋形式与新型加筋结构在100%、83%、67%、50%四种加筋率下位移在2cm承受的最大竖向力,证明新型加筋结构在相同加筋率下其力学特性与变形特性均优于条状与网格状加筋形式;其次,设计新型加筋结构在不同单元体宽度、长度两个相关因素砂箱竖直力承载实验,探究新型加筋结构的性质。本文尾加筋土挡墙提出一种新的结构,并研究了单元体宽度、长度、间距对结构的影响,给与实际工程一定的参考。

褶皱冲断带构造砂箱物理模型研究进展

地壳浅层次褶皱冲断带普遍受控于具耦合互馈特性的多种机制或边界条件,从而具有长期的构造演化过程和复杂的构造特征。自19世纪初以来,基于地质构造过程自相似性和"无理有效性"的砂箱物理模型,为解译褶皱冲断带的演化过程及其动力学机制等提供了独立有效的手段。本文主要基于国内外地壳浅表褶皱冲断带构造变形过程为研究对象的构造砂箱物理模型研究结果与进展进行综述性报道,以期为同行提供参考与借鉴。基于与地壳浅表地层具相似流变学特性的砂箱物理模拟研究,揭示出地壳浅层次构造变形过程普遍自相似性生长过程,符合库伦临界楔理论。褶皱冲断带挤压变形过程中,基底特性(基底几何学、有效摩擦角、基底耦合性和流体超压)、变形物质特性(空间几何学、能干层、流变学和非均一性)、动力学机制(砂箱几何边界、汇聚速率和汇聚方向)、浅表作用(剥蚀和沉降)等对于地壳浅表构造变形过程具有明显的控制作用。构造砂箱物理模型在解译不同构造变形过程与机制的研究中发挥着越来越突出的作用。

“从源到汇”:褶皱冲断带-前陆盆地系统砂箱物理模型浅表作用研究

"从源到汇"理论完善了砂箱物理模型中地壳浅表构造-剥蚀-沉积耦合过程机制的理解,我国西部地区新生代发生了全球最为显著的构造-剥蚀-沉积作用过程,却少见相关浅表作用过程报道。本文系统阐述地壳浅表作用过程机理和挤压砂箱模型"从源到汇"过程的相似性机理,基于国内外以冲断带-前陆盆地系统相关浅表作用过程(即构造-剥蚀-沉积)为对象的砂箱物理模型研究结果,综述浅表构造-剥蚀-沉积耦合过程及其对褶皱冲断带系统形成演化的主要控制因素。"从源到汇"的浅表作用过程有利于褶皱冲断带-前陆盆地系统物质与能量的交换与互馈,剥蚀作用主要作用于褶皱冲断带后缘区域,有利于形成较窄的冲断带-前陆盆地体系;沉积作用不仅受控于造山带或褶皱冲断带源区剥蚀作用过程,还受控于沉积物路径过程等复杂因素,其主要作用于褶皱冲断带前缘与前陆盆地区域,较高的沉积物沉积作用有利于形成较宽的冲断带-前陆盆地体系。临界楔理论强调挤压增生楔形体前缘加积物质(输入)与楔形体表面剥蚀物质(输出)达到平衡后楔形体呈自相似性生长,即造山楔形体地表坡度与基底坡角之和趋于恒定,它们共同控制其褶皱冲断带-前陆盆地系统构造-剥蚀-沉积浅表作用过程及其时空范围。构造砂箱物理模型与褶皱冲断带系统"从源到汇"浅表剥蚀-搬运-沉积作用过程的标准变量/参数的一致性对比研究,是当前二者相结合的重点与难点之一,毫无疑问的是,对于"从源到汇"浅表作用过程天然实验室中典型褶皱冲断带/流域体系的构造砂箱物理模型模拟研究,将会持续不断地拓展和完善其理论体系格架与内容。

砂箱物理模型浅表底辟构造研究进展

地壳浅表存在不同形式和结构的底辟,膏盐底辟和泥岩底辟的生长导致上覆层系发生构造变形、破裂,常伴随油气等流体运移形成不同类型的油气藏或矿藏而备受关注。主要基于以自然底辟相关构造为研究对象的砂箱物理模型研究结果,系统阐述了地壳浅表底辟构造"实验-实例"互证相似性机理,综述了砂箱物理模型模拟所揭示的底辟构造形成过程与特征,并以巴西Santos和中国南海莺歌海含油气盆地底辟构造为例对比探讨了砂箱模型实验的可行性。通过"实验-实例"间具相似流变学特征的砂箱物理模拟研究,揭示出底辟形态与其成熟度、围岩与底辟物质黏度有关,被动底辟构造形态受控于底辟上升速率与沉积加积速率相对比值;底辟构造平面上具典型环带结构,其内部结构的复杂程度随构造走向或倾向发生变化,伴随底辟上升和侵位,其围岩发育各类伴生构造;膏盐底辟和泥岩底辟的物质流动特性、驱动机制及流动单元的差异导致其底辟形态、构造样式、地貌特征明显不同;底辟构造形成演化的主控因素是与重力、侧向应力及热作用相关的差异载荷作用,而浮力为次要因素,同时基底盐层起伏及地形坡度对盐流和盐上变形模式具有一定的影响。砂箱物理模拟能为底辟构造运动学和内部结构的解释提供较好的模型,能够有效再现从拉张被动大陆边缘体系到挤压褶皱冲断带-前陆盆地体系中底辟构造形成演化的四维过程,在与膏盐、泥岩(流体)底辟构造相关的深层、深水油气勘探中将发挥越来越重要的作用。

弧形走滑砂箱构造物理模型及其大地构造意义

利用砂箱构造物理模型和"实验-实例"互证思想,探讨弧形剪切走滑变形构造特征及其意义。基于弧形吕德尔和弥散性走滑砂箱构造物理模型模拟实验,揭示弧形走滑构造变形导致砂箱浅表断层以R型和Y型走滑破裂为主,形成相互叠置的花状构造冲起带;但弧形带内侧和外侧具有明显不一致的几何学与运动学特征。弧形吕德尔剪切模型中弧形带内侧和外侧走滑断层与基底断层走向夹角范围分别为4°~23°、6°~23°,内外侧走滑断层端点与基底断层间距离分别为1~6mm、4~5mm;弧形弥散性剪切走滑变形过程中弧形带内侧、外侧走向角分别为4°~30°、11°~25°,断层间距分别为1.1~5.7mm、1.6~4.7mm,且弧形带内侧断层倾角主要为~45°,而弧形带外侧断裂倾角主要为65°和75°,总体上揭示出弧形剪切带内侧走滑上冲构造特征显著强于外侧。同时,砂箱浅表物质PIV监测揭示弧形基底断层带外侧冲起构造带的地质体走向上水平走滑速率逐渐减小、垂直运动速率逐渐增大,揭示了走滑断层构造属性逐渐转变的过程,即由走滑断裂逐渐转变为(走滑)上冲断裂,断层沿走向的倾角逐渐减小、断距增大,空间上呈现为螺旋状断面特征。四川盆地周缘弧形(走滑)构造变形带,即大凉山-小江弧形走滑构造带和大巴山城口弧形走滑上冲构造带,它们的形成过程及其构造特征与弧形(走滑)结构带密切相关。

刚性面板肋板式挡墙砂箱模型试验

肋板式挡墙是一种新型的轻型支挡结构,其主要构件包括挡墙面板和肋板。本文开展了以有机玻璃作为刚性面板、硬纸板作为肋板的小型砂箱模型试验,研究了肋板长度和布置间距对挡墙稳定性的影响规律,通过引入反映挡墙肋板对墙后土体约束能力的约束系数ξ=肋板长度l/肋板间距δ,讨论了肋板布置疏密程度与挡墙破坏模式的关系,分析了极限稳定状态下所需肋板面积随布置间距的变化趋势。试验表明,按肋板数量等分面板,将肋板布置于每个等分段中线处的布置方法,即"等分面板中线布置法"可获得更高的墙体稳定性,为目前最合理的布置方式;随ξ增大,肋板约束土体能力相应增强,模型挡墙破坏模式由摩擦锚固型(ξ<0.64)逐渐转变为整体土墙型(ξ>0.96);刚性面板条件下,采用"长肋疏布"的摩擦锚固型设计原则较"短肋密布"的整体土墙型所需肋板面积小,具有更好的经济性。

前陆盆地形成与演化砂箱物理模拟启示--以四川盆地西部龙门山为例

通过砂箱物理模拟实验揭示冲断带-前陆盆地系统形成演化过程中,单一构造剥蚀、沉积作用和剥蚀-沉积耦合过程对其盆-山系统形成演化的控制影响作用,尤其聚焦于龙门山-川西前陆盆-山系统沿走向变化的构造剥蚀-沉积作用对其盆-山系统的控制作用。单一构造剥蚀作用过程模拟揭示浅表剥蚀作用强度与冲断带楔形体楔长、楔高呈负相关性;构造剥蚀作用使冲断带后缘逆冲断层更加易于发生断层再活化与无序冲断,制约着冲断带前陆向扩展。浅表沉积作用导致楔形体前缘冲断层上覆物质加载、更易于发生断层闭锁,促使冲断带楔形体前陆向/前展式扩展生长。沿走向变化的剥蚀-沉积作用过程导致冲断带楔形体后缘深部层系剥蚀走向变化、断层产状变陡,前陆盆地中前陆向断层明显减小、其倾角减缓,且反向冲断作用加强(乃至导致主断层反向冲断),尤其走向差异性导致前陆盆地发育斜向断层。受控于龙门山冲断带-川西前陆盆地系统晚三叠世以来走向差异性剥蚀-沉积作用,川西前陆盆地中南段发育晚白垩世—新生代再生前陆盆地,可能形成前陆盆地前缘斜向断层-龙泉山断层。

基于高密度地震反射和砂箱实验的准噶尔盆地南缘霍尔果斯背斜深层构造解析

利用霍尔果斯背斜高密度三维地震反射资料和砂箱模拟实验,并根据构造几何学的分析方法,获得准噶尔盆地南缘霍尔果斯背斜的深部地质结构及运动学演化过程。结果表明:霍尔果斯背斜高密度三维地震反射揭示安集海河组(E2-3a)滑脱层冲出地表、上盘形成单斜构造;下侏罗统滑脱层与安集海河组(E2-3a)滑脱层构成深部构造楔,构造楔缩短量为2 306 m,平均缩短率为2 mm/a;下侏罗统深部下凹的地震反射特征揭示深层可能发育早期断陷。先存断陷和同构造沉积控制下的双层滑脱构造物理模拟实验结果与霍尔果斯背斜高密度三维地震反射形态相近,并且其运动学特征也一致。获得的霍尔果斯深层构造楔变形速率明显低于前人通过其他方式获得的相邻区域浅层变形速率,可能是由于北天山山前发育多套塑性滑脱层,并在挤压过程中塑性地层内部层间剪切作用造成的;另外,研究区下侏罗统及以下地层可能发育早期的断陷,并对晚期构造变形有一定的控制作用。

不同变形速率下前陆褶皱冲断带的发育特征——基于砂箱物理模拟实验研究

构造模拟实验是研究和模拟自然界地质构造现象、变形特征、成因机制和动力学过程的一种物理实验方法。本文基于砂箱构造物理模型高、中、低速7组不同单向挤压速度的构造模拟实验,揭示不同变形速率下砂箱物质变形的几何学、运动学及其演化特征,探讨不同变形速度（尤其是不同量级速度）对前陆褶皱冲断构造变形的重要性。高速单向挤压变形过程中（0.4-0.1mm/s）,砂箱模型中石英砂体后缘构造加积强烈,砂体变形主要以楔形体向前扩展变形为主,其构造样式主要表现为前展式叠瓦冲断构造。中速挤压变形过程中（0.05-0.005mm/s）,砂体后缘加积相对较弱,构造变形样式主要为砂箱楔形体前缘先形成（前展式为主）逆冲断层,当达到临界楔形体后,反冲断层发育并与前展式逆冲断层构成冲起构造,构造样式上表现为叠瓦构造与冲起构造的无序叠加。低速挤压变形过程中（0.002mm/s）,砂箱物质构造样式以典型冲起带为主。由于砂箱模拟过程的时效性,即如何在最有效时间内获得最全面而复杂的演变过程,通过本次系列实验,我们建议将此有效挤压速度设定为0.05-0.005mm/s范围内,可以先后清晰而全面的获得高速和低速挤压下砂体的变形过程和构造样式。

基于探地雷达岩体浅部节理面识别的模型实验

为准确获取隐藏于岩体内部和浮土覆盖的节理面信息,基于探地雷达探测技术,通过建立节理面倾角、倾向及长度的三角函数测量公式,实现了对其产状和长度等信息的准确求解,同时采用湿木板-细砂模型实验,验证了理论求解的合理性。