地质力学模型实验装置图片

① 工程地质物理模拟

1 工程地质模拟试验概述

一些与重大工程有关的复杂地质现象，在分析评价研究中，往往需要采用模拟研究手段，对其做更深入的论证与评价，模拟研究按采用的手段可分为物理模拟与数值模拟两大类型。前者包括有光弹模拟、电模拟和相似材料地质力学模拟试验等多种方法；后者采用有限元、边界元和离散元等数值计算方法。

模拟研究的基本任务是通过再现复杂地质现象的形成和演化过程，对于某些或全部课题做出论证：①验证地质分析所建立的机制模型或概念模型是否符合实际，对其演化机制作更深入的（量化）分析；②量化评价地质现象演化过程中，各主要控制要素之间及其与主导内、外营力间的相关性，论证所建立的评价模型是否合理；③量化评价地质现象或过程在所处环境条件下的演化发展趋势，论证所建立的预测模型是否可信；④量化评价工程设计或治理措施的效果，论证拟定的对策和方案是否有效和优化。

近十多年以来，我国工程地质模拟试验研究取得了长足的进展。在广泛引进国外先进技术的基础上，探索出适合于我国实际情况的研究途径，其特点是重视原型建模分析和全过程演化模拟，在研究地质灾害和复杂岩体稳定问题的模拟研究中，已逐步形成具有我国特色的研究系统。这里着重介绍相似材料地质力学模拟（geomechanical model test）的基本原理、方法和应用。

2 地质力学模拟试验原理与方法

2.1 模型的设计

按相似理论，除要求几何的、力学的相似以外，还要求原型和模型材料具有相似的变形破裂过程特征，它们的应力（σ）和应变（ξ）曲线应符合如下关系：

地壳浅表圈层与人类工程

式中：C_ξ为应变相似系数（原型C_p与模型C_m的比值，下同）；C_ξ为残余应变相似系数。根据量纲分析，可导出如下关系：

地壳浅表圈层与人类工程

式中C_σ、C_E、C_L、C_δ和C_ρ分别为应力、弹模（变模）、几何尺寸、位移量和材料密度的相似系数。

模型设计中，按照设计拟定的几何相似系数，则可根据公式（2）推算出其他各项

系数，据此确定材料的选择、模型制作及加载系统的设计。

2.2 模型材料

通常可采用重晶石粉、氧化锌粉、硅藻土、磁铁矿粉、铁粉、铅粒、聚苯乙烯粒、石英砂等作为骨料。胶结剂可采用石膏、石蜡油、甘油、机油和环氧树脂等。

采用石膏作为主要胶结材料的模块，其力学特征决定于骨料的配比和胶结料的水膏比，长江科学院岩基室做了系统研究（表1）。采用石蜡油等做胶结材料，需用一些特殊的制作模块的设备压制成块，或用夯实的办法制模。模块的力学特征除与骨料选材和配比有关外，很大程度上决定于制模施加压力的大小或模块密度ρ（表2）。

表1 石膏胶结模块力学性能试验成果表

表2 粉粒材料压缩模块力学性能测试成果表

2.3 结构面模拟

通常以抗剪强度作为控制条件。摩擦系数相似系数C_f=1，黏聚力C_C=C_σ。硬性结构面（如节理、裂隙等）用模块接触面模拟。模块的形状应根据裂隙的组合形式确定。在需要考虑裂隙连通率时，可将模型制成嵌合模块。

软弱结构面（如连续性较好的断层、软弱夹层、层面、地质接触面等），采用铝箔、聚乙烯薄膜作夹层材料模拟，其中还可喷上滑石粉，以获得低摩擦系数。模拟的f值可变化在0.08～0.75之间。需要模拟断层等软弱结构面的高压缩性能时，可选择适当厚度的马粪纸或软木作为垫层。

2.4 加载系统

外部荷载采用不同型号的千斤顶或压力枕（袋）等加载。模拟孔（空）隙水压力可在模块中采用砂垫充气（水）法，也可通过不同方式将水直接注入模型中。

动荷载可在作用面上安装震动器施加，按要求模拟震动效应。更为完善的办法是将整个模型置放在震动台上，由三维震动台模拟动力环境。

自重荷载是体积力。为了使模型在试验过程中能充分反映岩（土）体自重在演进中的作用，最好能使模型的密度与原型接近。大型模型试验中，必要的自重荷载补偿，可采用拉杆补压系统对模型分层加压。拉杆通过橡皮圈与施加拉力的底座相联结，橡皮圈的多少确定了拉杆承受的拉应力的大小，以此模拟重力场梯度。小型模型试验，可将模型放在离心机转斗中，通过高速旋转增加自重应力。我国长江科学院、水利水电科学院已安装了6m直径的大型高速离心机。

2.5 量测系统

测量位移的常规方法是用千分表直接测定，或采用应变片或位移传感器通过多点应变仪测量；这种测试在试验中十分必要，但有很大局限性，由于所获得的数据仅能反映固定测点的信息，难以描述全断面曲变形破裂迹象。某些材料很软的模型，也不适宜采用这种方法。根据模型试验的特点和特殊要求，我国开发采用了下列测试技术：①跟踪摄影或快速摄影；②静电复印碳粉网格，用以观察量测模型大变形后破裂出现部位和特征；③白光散斑法，量测重点测试部位全断面内微量位移形迹；④投影网格法，用以测量软材料模型大断面群点面内位移；⑤影像云纹法，用以测量较软材料模型全断面或一定面积的离面位移。

3 工程岩体稳定性评价中的应用

3.1 坝基岩体稳定性模拟

拟建的长江三峡大坝坝高175m，坝基为前震旦系闪云斜长花岗岩，岩质坚硬完整。但左厂房坝基中倾向下游的缓倾角裂隙相对较发育，又有断层与之相交，构成可能的楔形滑移体（图1a）。厂房坑段整体稳定性需要考虑以下几个主要问题：①可能的滑移体产生的条件及其对大坝稳定性的影响；②从岸边向河床方向建基面高程相差79m，是否会造成有害的不均匀压缩变形；③迎水和背水方向基坑开挖最大深度达120m，边坡稳定性如何?为论证上述问题，必须了解各坝段在设计荷载下的位移场、超载下的安全度及可能的破坏机制，为基础处理提出建议。为此长江科学院在意大利模型结构试验研究所（ISMES）提供技术咨询和量测制模设备的条件下完成了大型地质力学模型试验（图1b）。模型的C_L=150，C_ρ=1，C_E=C_σ=C_L。采用重晶石粉、机油（代替石蜡油）、立德粉（代替氧化锌粉）等压缩模块制模。缓倾裂隙和断层连通率分别为10%～50%和50%。采用系列千斤顶加载，浮托力用改变岩体密度（ρ）来表征。

图1 三峡大坝左厂房坝段稳定性地质力学模拟

试验获得以下主要结论：

（1）在设计荷载下各坝段安全储备能满足要求，而建基面安全储备又高于缓倾角裂隙面。超载（3.5N）时个别坝段出现沿下伏第一缓裂隙面滑移或伴有踵处拉裂。

（2）设计荷载下坝址与厂房相对位移很小。相邻坝段最大水平位移11.1mm，沉降相对错动最大值仅4.1mm，有利于压力管道和坝间止水设施的设计。

（3）设计荷载条件上、下边坡均稳定，超载（3.5～3.8N）时，个别坝段下边坡沿缓倾裂隙面出现明显滑移。

试验结果建议对个别南段下伏缓倾角裂隙及断层作适当补强措施。

3.2 地下洞室围岩喷锚支护作用机制模拟

试验研究了中等强度均质岩体中地下洞室围岩在不同措施条件下的稳定状况。试验模型采用石膏、沙子等材料制成四个50 cm×50 cm×20 cm的模型（图2a），分别模拟无支护（图中I）、锚杆支护（Ⅱ）、喷锚联合支护（Ⅲ）和锚杆补强（Ⅳ）等四种情况。锚杆补强是在成洞后洞壁变形已基本达到稳定状态时再插锚杆。模型放在三向加载试验装置中加压，用以模拟地应力场。模型材料抗压强度R_C=2MPa，抗拉强度S_t=0.2MPa，弹性模量E=1.25×10⁴MPa，泊松比μ=0.17，φ=41°，c=0.45MPa。喷层材料采用石膏、碳酸钙和水的混合料：R_C=1.45MPa，S_t=0.28MPa，E=1.8×10MPa，喷层厚约3mm。

获得如下主要结论：①均质材料洞室中，喷锚支护同样具有明显加固效果；②不同措施，洞室围岩变形破坏形式无明显差别（图2b）；③锚杆支护和锚杆补强均对提高洞室承载能力和变形刚度有明显效果。

图2 洞室支护措施作用机制模拟试验

4 西安地裂缝形成机制模拟研究

西安地裂缝的成因有多种观点。本项研究以再现地裂缝形成演化过程为依据，论证“构造重力扩展”成因观点能否解释这种特殊地质现象。地裂缝发育在厚约5km 的新生界盖层中，周围有四条张性断层。南侧的临潼-长安大断层为盆地与秦岭褶皱带的分界断层，是一条活动性正断裂。地幔隆起轴在西安市区附近，呈 NEE向通过。模型采用重晶石粉、硅藻土和石蜡油混合料，逐层铺垫夯实，围限在代表周边断层的框架中，C _L=10000。东西两侧用有机玻璃板作为剖面观察窗。底座放在拱形钢梁上，可以抬动模拟地幔隆起。南侧挡板可拉开倾斜，模拟临潼-长安断裂拉张活动。顶面采用影像云纹法测试微量离面位移（图3）。

5 长江鸡扒子滑坡与暴雨关系的模拟研究

1982年7月24日，长江云阳县城附近在暴雨作用下，发生了鸡扒子滑坡，是老滑坡的局部复活。为了论证滑坡复活与地下水水力坡度的量化关系，开展了模拟研究。模型采用细碎石、砂、土按不同比例以原型结构为依据分层制作而成。滑动面k铺上聚乙烯薄膜。沿纵剖面不同深度引出橡皮管，测量侧压管水头。人工喷水模拟降雨和暴雨。

模型中“降雨”近20h以后，于凌晨3点半钟下滑。滑后外观可与实际情况对照。起动时滑体中地下水水力坡度为1.9%，与实际推算值相近。该值可作为评价滑坡在暴雨条件下稳定性时的参考值。

图3 西安地裂缝地质力学模拟

② 三维地质结构模型

一、地质结构模型建立的原则与内容

（一）建立地质结构模型的原则

松嫩平原面积大、地层较多、结构复杂，造成钻孔间地层岩性连接十分复杂，给计算机的自动插值造成了一定的困难，所以采取对研究区的地质结构按区域和县（市）两种方式进行处理，即区域地质结构模型和县（市）地质结构模型。

1.区域地质结构模型

由于建立地质结构模型的区域大、数据多，无法详细刻画地质内容，因此区域地质结构的建立原则以表达含水层和弱透水层为主要目的，将整个研究区域划分为第四系含水层、第四系弱透水层、新近系含水层、新近系弱透水层和白垩系基岩五层。

2.县（市）地质结构模型

县（市）级地质结构的建立以进一步详细表达地质结构、地层分布特点和岩性特征为主要目的，因此，对岩性的划分比较细致、精度较高。具体划分方法如下：

（1）白垩系（K）及以下地层概化为基岩，不对其进行分组研究。

（2）新近系划分到组，统一确定为泰康组（N₂-Qp₁）t、大安组（N₁d），并根据地层的含水性将岩性简化描述为砂岩、泥岩和泥岩砂岩互层。

（3）第四系划分到组，主要包括顾乡屯组（Qp₃g³）、哈尔滨组（Qp₃h^1—2）、雅鲁河组

、大兴屯组（Qp₃d³）、齐齐哈尔组（Qp₃q^1-2）、诺敏河组

、荒山组（Qp₂s⁴,Qp₂x^1-3）、大青沟组（林甸组） （Qp₂l^1-4）、绰尔河组

、白土山组

、东深井组（Qp₁d¹）、猞猁组（Qp₁s）、东华组（Qp₁d¹）等。岩性简化表述为黏性土、砂砾石、淤泥质黏性土、淤泥质砂等。

（4）全新统零星分布的风积砂、残积粉细砂等因描述的钻孔资料较少，故不进行区分表达。

（二）资料整理

根据建立三维地质结构模型的要求，对全区1167个钻孔资料进行地层、岩性的划分及坐标等数据的整理，并计算机录入，对区内资料进行分析整理建立地层信息表。

二、地质结构模型建立的技术方法

地质结构模型是利用GMS中的SOLID模块建立的，SOLID是进行三维地层建模的模块，它利用钻孔数据输入用于构造三维地层模型。一旦生成了这样的模型，可以在模型上任意位置切割地质剖面，可以生成地质剖面或实体的理想图片，还可以计算实体的体积。

（一）确定地层属性编号

按GMS软件的要求和格式对录入的数据进行分析整理，对钻孔地层资料逐个进行概化，在综合分析整个松嫩平原的地质结构后，对岩性进行划分和编号。

（1）按GMS要求对钻孔资料中地层的物质属性进行编号处理，通过对原始资料的分析和所建立的地质结构图，将研究区的地层岩性划分为58种物质属性。

（2）GMS要求不仅要对地层的物质属性编号，还要对各层包括透镜体、夹层进行分层编号，根据地层信息，将全区地层划分为159层。

（二）GMS数据的运行

（1）将编辑好的文本导入GMS软件进行运行、调试，查找包括数据格式、地层错位等各种错误，并进行修正。

（2）生成松嫩平原的三维立体地质结构模型。

（3）修正后的文件以县（市）为单位导入GMS软件正式生成三维地质立体模块。全区共划分为30块，即安达、北安、宾县、大同、富裕、哈尔滨、海伦、克山、林甸、龙江、龙镇、明水、讷河、嫩江、庆安、绥化、望奎、依安、肇州、长春、长岭、大安、伏龙泉和怀德、扶余、农安、泰来、陶赖昭、通榆和香海庙、榆树、镇赉和陶安。

（三）粘贴遥感景象图

为了能够直观了解各地的地质情况，在生成的立体表面粘贴遥感景象图片。首先对整个区域的遥感图片根据需要进行处理，然后将处理后的图片导入GMS软件进行粘贴。

三、地质结构模型的功能及其特点

建成后的地层三维立体模型使得研究人员对于全区地层及含水层系统结构、含水层间复杂的接触关系，有了更完整、具体的认识，实现了“实地对照，多维视角，随意切剖”的功能。

（1）三维模型再现研究区含水层整体的空间组合形式，实现了含水层三维可视化。

（2）可以以分解形式展现任一地层的空间展布形态及其接触关系。

（3）可以多视角的观测各含水层的空间形态。

（4）可以在任意方向上切割地层剖面，有助于更好地了解地层在不同地区的空间分布。

（5）可以计算出任意含水层及地层空间体的体积，这对于松散含水层有着重要的水文地质意义。

③ 结构模型实验和地质力学模型实验的异同

• 结构模型实验和地质力学模型实验的异同：

1 . 结构模型实验

①是研究弹性范围内线弹性应力模型，与研究超出弹性范围直至破坏的弹塑性模型试验，根据相似理论在模拟结构原型的模型上进行的力学试验。

②将作用在原型水工建筑上的力学现象，按一定的相似关系缩小，重演到模型上，从模型演示的与原型相似的力学现象中，采用电测技术量测应变和位移，以确定其应力、位移和安全度，再通过相似关系换算到原型，从而与设计成果分析对比，验证设计方案的合理性、计算数据的可靠性。

2 .地质力学模型实验

①是地力学模型试验门或岩石力学模型试验，用于研究地基本身及其对上部建筑的影响。

②是基于一定的相似原理对某一工程地质构造进行缩尺研究的一种物理模拟方法。

• 地质力学模型实验介绍：

地质力学模型试验又称地力学模型试验门或岩石力学模型试验。

• 地质力学模型实验应用范围：

近代由于生产建设及科学技术的发展越来越多的建筑物需要修建在具有复杂地质构造的岩基上或岩体内，如大坝、厂房、隧洞、地下电站、地下油库、矿井等等。这类建筑物的抗沿滑稳定性、基础变形对建筑物结构的影响、地下结构的围岩稳定和衬助压力、岩体高边坡的稳定问题等，都是地质力学模型试验的研究内容。而且，近年来随着试验量测技术的提高，地质力学模型试验中的一些研究课题，已由定性分析阶段进入定量分析阶段。

④ 近地表精细地质模型及探测技术

以往常规三维地震勘探只对采集工区的近地表进行简单的小折射、单井微测井或双微测井调查，简单求取试验点位的表层速度、速度界面和潜水面等资料，而且试验点密度稀疏、精度低，不利于指导后续的激发和静校正处理。高精度地震勘探对野外地质调查工作要求越来越高：不仅要求查清近地表速度和厚度界面，还必须查清近地表介质的岩性、吸收衰减品质因子、物性参数等变化。因此，研究和总结一套精细近地表调查方法十分必要。

（一）冲积平原表层介质特性及地震响应

1.近地表因素对地震波场的影响

地表到低速带底界包含了地表自由面、低速带底界的强反射面和低速地层。

1）低速带对波场结构的影响

低速带底界是速度差较大的界面，一方面会产生折射波，同时也使激发波场复杂化。地震勘探通常选择在此界面附近激发。激发点与离界面的距离不同，则近源波场不同，因为点震源激发出的波为球面波。若震源离水平反射面很近，球面与水平面相互作用，产生明显的首波效应，形成Schmidt波，其中既包含均匀波，又包含非均匀波，如图4-1所示，该模型上层速度为800m/s、下层速度为2000m/s。

图4-1 折射面对激发波场的影响

2）低速带对地震波下传能量的屏蔽作用

设计一个三层约30m近地表模型，层速度分别为514m/s、1005m/s和1538m/s，下伏地层速度2200m/s。模型及其模拟结果如图4-2所示。低速带引起能量的屏蔽，造成下传能量变弱，同时引起地表噪声，自由表面加剧了这一现象，使得地震资料质量变差。

图4-2 折射面对激发波场的影响

（弹性波垂直分量）

3）低速带对地震波场的吸收作用

当地层的品质因子小于50时，地层对地震波能量的吸收较严重。而当品质因子大于100后，地层吸收衰减作用变得很小。通过对胜利探区的研究和分析，得出了其速度和品质因子的拟合关系：中深层为Q=23.96×v^1.78，浅层为Q=4.93×v^4.45，可看出，浅层Q值随速度的变化比深层更剧烈。

综上所述，近地表吸收强、底界反射系数大，不利于能量下传。当然，表层速度低导致透射系数大，振幅加大，使入射线向垂直方向弯曲，垂直分量增强，并且振幅放大是全频带的，但它并不能弥补吸收作用的缺陷，因为吸收具有滤波效应，高频成分吸收严重。

2.近地表对地震波能量的吸收效应分析

在前面认识的基础上，针对研究区近地表Q值随深度变化规律，建立符合胜利探区的近地表Q值模型，并进行波场模拟。

图4-3中给出了3组Q值随深度变化关系，从Q值的变化规律可以看出：在研究探区内，存在Q值随深度跃变模型，存在Q值随深度渐变模型，也存在Q值随深度逐渐增加模型。根据上述数据设计了一个层状介质模型，其中地表模型分为5层，层厚度、P波速度、密度、Q值大小如表4-1所示。

图4-3 探区三组典型的Q值随深度变化曲线图

表4-1 模型层位数据

图4-4为模型波场快照和单炮记录，粘弹性介质考虑了实际介质对地震波的吸收衰减作用。可以看出，反射波振幅明显减弱，同相轴能量变弱，并且对高频的吸收作用比对低频的吸收作用强。

为了定量分析吸收衰减因子对地震波振幅能量的耗损程度，从单炮记录中抽取多道数据进行分析，见图4-5。可以看出，在相同激发中心频率情况下，正演波场能量都随着偏移距增大而减小，且含Q模型的衰减更快，在近地表速度场模型下，远道接收的波场能量大约是不含Q模型时能量的2.5倍，近道接收的波场能量大约是不含Q速度模型的1.5～1.8倍。

图4-4a 120ms波场快照

（左：不含Q模型；右：含Q模型）

图4-4b 主频60Hz单炮记录

（左：不含Q模型；右：含Q模型）

图4-5 各道振幅能量衰减变化图

（左：不含Q模型；右：含Q模型）

（二）精细近地表探测技术

表层结构调查方法分为多种，通过对各种方法进行分析比较，形成了速度分层技术、岩性探测技术、岩土物性参数岩性分层技术等高精度表层结构参数调查技术系列。依据工区特点优选一种或多种合适的近地表调查方法，充分发挥不同方式的优点，可以较好地获得低降速层的埋深、速度和岩性资料。

1.精细近地表岩性探测与分层技术

主要以动力岩性探测、静力岩性探测、近地表岩性测井进行综合探测标定。

目前地质勘探调查工作中所采用的动力探测浅层取心方法都是不完整和不连续的采样取心，取出来的泥心有相当程度的压缩和扰动，不满足地震勘探要求。通过对连续性、扰动性、压缩性等影响取心因素综合分析，结合野外实际施工条件和对取心器的使用要求，设计了半合管薄壁取心器作为连续取心器，它的拆装式半合管取心筒能非常方便快速地提取泥心。

静力探测是用静力将一个内部装有传感器的探头匀速地压入土中，传感器将大小不同的阻力通过电信号输入到记录仪记录下来，再利用贯入阻力与土的工程地质特征之间的相关关系确定土的岩土参数。适用于粘性土、粉土、砂土及含少量碎石的土层。根据阻力、摩擦力变化与岩土性质的关系对近地表岩性进行标定（表4-2）。

表4-2 岩土岩性q_c-H、R_f－H曲线特征表

近地表测井方法是将静力探测技术和测井技术有机结合，获取q_c、R_f和GR值，进行近地表岩性的准确求取。

淤泥：q_c≤1.35，I_GR＞85%；

泥：R_f＞0.2973q_c+1.6，I_GR＞85%；

砂质泥：0.2973q_c+1.6≥R_f＞15.932f_s+0.5591，50%＜I_GR＜85%；

泥质砂：15.932f_s+0.5591≥R_f＞0.1013q_c+0.32，15%＜I_GR＜50%；

砂：R_f≤0.1013q_c+0.32，q_c＞2，I_GR＜15%。

2.近地表速度精细探测与分层技术

以往常规的小折射、微测井方法是根据纵波速度变化对近地表低速层、降速层、高速层进行划分，本书在常规方法的基础上完善了面波、横波微测井速度分析方法。

1）面波法

面波法是利用瑞雷面波的频散特性研究表层结构的方法。面波频散曲线反映了面波排列范围内面波波速随深度的变化，因此，对于不同类型的频散曲线进行分析解释，可推断其对应的近地表模型。在水平层状介质中，不同频率的瑞雷波有不同的波长，其相速度V_R的变化反映了不同深度内介质平均性质的改变。从观测的瑞雷波资料中提取瑞雷面波的频散曲线，确定表层介质的厚度和速度参数（图4-6）。

2）横波微测井

横波微测井一般采用单孔检测的地表激发孔中接收，即地面激发以产生弹性波，孔内由检波器接收弹性波。当地面震源采用叩板时可正反向激发，并产生S_h波，利用剪切波震相差180°的特性可识别S波的初至时间，在孔口附近垂向激发产生P波（图4-7）。

图4-6 面波资料分层解释图

图4-7 横波微测井单炮记录

（上：x分量；下：y分量）

P波与S波具有以下明显特征：①P波传播速度较S波快，P波为初至波；②在激振板两端分别作水平激发时，S波相位反向，而P波相位不变；③在距井口一定深度后，P波振幅变小，频率变高，而S波幅度相对较大，频率相对较低；④最小测试深度应大于震源板至孔口之间的距离，以避免浅部高速地层界面可能造成的折射波影响。

通过对三分量地震资料偏振分析，三分量地震资料从震源传到三分量检波器的第一个直达P波，其质点运动方向与波传播方向一致，在由震源和检波点确定的垂直平面内，这种直达P波的偏振是线性的，它在水平面内的投影也是直线。这样，就可以用直达波偏振方向在水平面内的投影作为参考，测出三分量检波器观测时水平分量的相对方位，并可将观测到的水平分量的信号转换到以直达P波偏振方向在水平面内投影为参考的一致坐标系，即在以直达P波偏振方向在水平面内的投影为参考的坐标系中完成纵、横波分离，从而计算出纵横波的速度和厚度参数。

3.近地表岩土参数测试与分析技术

地震勘探中，表层介质岩性对野外激发参数的选取具有很大的指导意义。

在计算土的物理性质指标时，通常认为土是由空气、水和土颗粒三相组成。实验室对岩性取心的土样进行含水率w、密度G_s、重度、干重比、孔隙比e₀、饱和度S_r、液限w_L、塑限w_p、塑性指数I_p、液性指数I_L、粘聚力c、内摩擦角、压缩系数a_1－2、压缩模量E_s等14种参数进行了测试，并进行了聚类回归分析。

1）近地表测量原始数据的交汇分析

对不同种类岩土岩性数据的两两交汇分析，挑选出近地表调查数据中与岩土岩性存在相关性的数据，进行后续聚类统计回归分析。对所有微测井数据进行了两两交汇分析，筛选出干重比、孔隙比、塑性指数、液性指数、压缩系数和压缩模量6组参数。

2）近地表调查测量数据的聚类统计回归分析

对上述6组参数进行聚类统计回归分析，得到以下统计经验关系式：

F(1)=3230.958A₁+25947.173A₂－100.413A₃+572.814A₄－176.199A₅－13.849A₆－33677.52

F(2)=3222.085A₁+25969.414A₂－99.182A₃+561.174A₄－153.138A₅－13.659A₆－33579.61

F(3)=3291.434A₁+26678.434A₂－103.223A₃+558.876A₄－110.215A₅－12.591A₆－35192.89

参数如下：F(1)，F(2)，F(3)为三种分类的概率。F(1)为粉土；F(2)为粉质粘土；F(3)为淤泥质粉质粘土；A₁：干重比；A₂：孔隙比；A₃:塑性指数；A₄：液性指数；A₅：压缩系数；A₆：压缩模量。

4.近地表连续追踪探测技术

随着地震勘探的不断深入，复杂地表条件和精细近地表建模要求激发参数逐点设计，这就需要对整个探区近地表结构进行连续调查。

1）地质雷达方法

地质雷达调查表层结构就是向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲，电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射，接收并记录这些信号，再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况。地质雷达信号处理和解释方法与反射地震法大体相同，前者为高频电磁波和物质的电磁特性，后者为弹性波和物质的弹性特性。地质雷达方法可以多次探测，通过叠加压制干扰，得到一个连续的剖面。通过剖面的解释，可以显示表层结构形态，再结合表层取心可以获得表层岩性特征。

2）地震映像方法

地震映像法采用的是地震反射波的共偏移距单道接收技术，野外数据采集时，采用单点放炮、单点或多点接收方式，每激发一次就记录一道，激发点和接收点沿着测线不断地同步移动，最后将记录存储，得到一张由多次观测得到的多道等偏移距的地震映像剖面。由于所选偏移距较小，因此它是一张近自激自收直接成像的地震反射时间剖面。另外一种方法是采用计算机对共炮点记录进行自动选排，也可以获得各种偏移距的共偏移距剖面(地震映像剖面)。

地震映像法采集的是近震源波场信息，因此可获得分辨率较高、反射能量较强的地震映像剖面，并能够清晰地反映出地下各岩层的起伏形态以及构造分布特征。图4-8是潍北地区一条地震映像剖面，野外施工道距1m、偏移距1m。根据剖面解释，低速层界面埋深约2.3～3.2m，降速层界面埋深约13.2～14.3m，结果与小折射、微测井、岩性取心对比，误差非常小（表4-3）。

5.探测方法适应性分析

通过分析认为，在冲积平原覆盖区，具备大面积、高密度推广使用的方法主要有小折射、单井微测井、岩性探测、近地表测井等。动力探测与双井微测井可作为辅助标定方法进行联合应用，岩土参数测试可以获得近地表物性参数，多波微测井可有效获取地震横波信息，是多波勘探的必要方法，地质雷达、地震映像可以进行近地表结构连续追踪（表4-4）。

图4-8 潍北地区地震映像60～120Hz滤波剖面

表4-3 潍北地区表层结构调查成果对比表

表4-4 不同表层调查方法评价表

（三）近地表多参数精细建模技术

近地表多参数精细建模是综合低降速带厚度、速度、潜水面、表层岩性、物性和吸收衰减等参数，构建精确的近地表多参数模型指导野外的激发和后续静校正处理工作。首先是建立精细的表层模型；其次是设计人员在表层模型上逐点设计激发参数，然后将每个井位的激发参数输出，指导野外施工人员钻井施工；另一方面，通过建立准确的近地表模型，为后续处理工作提供多属性静校正量，开展基于不同静校正模型的精细处理。

1.近地表速度、厚度、岩性模型

利用研究的工作流程，构建精细近地表厚度、速度、岩性模型，应用模型进行了激发参数的设计输出（图4-9、图4-10）。

图4-9 激发点地表位置

图4-10 激发井深设计

2.近地表吸收衰减Q值反演建模

近地表吸收衰减Q值反演主要对单井微测井和双井微测井资料进行进一步分析，在频散非常严重的粘弹介质中，频率对吸收的影响不可忽略。鉴于此，并考虑通过衰减与频率之间的关系进行衰减估计，质心频率偏移法更适合近地表的吸收衰减特征。通过计算震源点、接收点的质心频率及其方差，建立两者之间的关系式，利用质心频率偏移计算地震波衰减响应。结合近地表速度反演结果，利用所得的品质因子构建低降速带Q值模型，为后续近地表一致性高频补偿提供了准确基础资料。

通过对第四系冲积平原覆盖区发育和形成的研究，得到了冲积平原第四系地层沉积结构、沉积岩性及分布规律，建立了现代冲积平原浅层沉积模式。通过对多种近地表调查方法进行测试，岩性取心、双井微测井和静力触探在冲积平原覆盖区探测精度较高，使表层调查精度得到了提升，形成了一套精细近地表建模技术，建立的精细近地表结构模型，为激发井深的选取和静校正量计算打下良好基础。

⑤ 张强勇的发明专利

1、铁晶砂胶结岩土相似材料及其制备方法 ：张强勇、李术才、朱维申等，授权时间：2007.9.12
2、组合式地质力学模型试验台架装置：张强勇、李术才、朱维申等，授权时间：2009.5.13
3、三维地质力学模型试验系统：李术才、张强勇、朱维申等，授权时间：2008.11.12
4、高地应力真三维加载模型试验系统：张强勇、李术才、陈旭光等，授权时间：2010.5.20

⑥ 华北水利水电学院岩土工程系

学校隶属关系：河南省电话：0371-5790279

学校所在地：河南郑州市郑花路20号传真：0371-5727645

邮政编码：450008电子邮件：quanh＠371.net

一、地质类专业设置

华北水利水电学院岩土工程系设有地矿类（工学）本科专业地质工程；地理类（理学）本科专业资源环境与城乡规划管理；土建类（工学）本科专业土木工程（岩土工程方向）。

1）地质工程专业：原为水文地质与工程地质专业，创办于1958年。目前该专业主要开设有工程地质和环境地质两个专业方向。

2）资源环境与城乡规划管理专业：是根据城市化进程和小城镇发展对人才的需求，以及我校的办学条件，于2002年申办的新专业。

3）土木工程专业（岩土工程方向）：开办于 1994年。

二、地学类相关学科本科专业设置

华北水利水电学院另设有：水利水电工程、水文学及水资源工程、土木工程（工业与民用建筑、道路与桥梁工程等方向）、给水排水工程、环境工程等与地学类相关的本科专业。

三、地学类研究生学科及相关学科研究生学科专业设置

华北水利水电学院地学类研究生学科专业有地质工程硕士点学科（1992年获授予权）。与地学类相关的研究生学科专业有水工结构工程（国家首批学位授予点）、水文学及水资源（1998年获学位授予权）和岩土工程（2003年获学位授予权）等三个硕士点学科。

地质工程、水工结构工程、水文学及水资源同时拥有同等学历硕士学位授予权，地质工程领域和水利水电工程领域工程硕士学位授予权。

四、地质类教师队伍现状

1.教师队伍现状

岩土工程系现有教师42人，已形成一支年龄、学历、职称结构合理的师资队伍（详见下表）。硕士研究生导师11名，主要从事岩土工程力学、水文地质、环境工程地质、地基及基础工程等4个研究方向。

表1 岩土工程系教师职称及学位结构一览表

土力学实验室、岩石力学实验室和工程物探实验室等除完成好教学任务外，还承担了大量试验研究项目和对外科技服务项目。

七、“九五”以来科学研究简况

近五年来，承担国际合作项目5项，国家计委、科技部和教育部项目21项。如国家“973”项目“大型边坡的安全度研究”、中日合作项目“南水北调西线工程生态与环境影响评价”、国家“863”项目“北方半干旱地区集雨灌溉多水源优化配置技术研究”、教育部骨干教师资助项目“滑坡演化的非线性机制研究”等。

（撰稿：陈南祥、黄志全）

⑦ 典型地质异常体瞬变电磁响应物理模拟

在电磁法勘探中，物理模拟是研究野外条件下电磁响应特征的重要手段。由于野外地质地理以及人文条件较为复杂，岩（矿）石物理性质变化很大，很多目的物的响应无法用数学解析式表示，使用高性能的电子计算机，采用有限元、有限差分等近似数值解法，虽然大大提高了解题的范围，但仍存在一些不易解决的问题。另一方面由于无严格的解析解与近似解作对比，因此还需要借助于物理模拟的方法来验证近似解的正确性和近似程度。

瞬变电磁超前探测在井下巷道空间中进行，巷道空间的存在改变了瞬变电磁场全空间分布特征，使其不再是严格意义上的全空间场。本章使用盐水充当巷道空间围岩介质，使用玻璃槽充当巷道空间，建立了瞬变电磁超前探测含巷道全空间物理模型，根据目前瞬变电磁井下实际超前探测方法，对不同异常体的超前探测响应特征进行了物理实验模拟。

1.实验模型系统设计

（1）地质模型

典型的矿井地质模型为水平层状，相对顶、底板来说煤层可视为高电阻率介质。掘进巷道位于煤层当中，如图6－8所示。一般采煤工作面掘进巷道断面的宽度为2～4m，高度为2～4m。本章主要研究巷道空间对矿井瞬变电磁场分布的影响规律。因此，假设巷道位于均匀全空间介质当中，即顶板、底板和煤层具有相同的电阻率值100Ω·m。在矿井瞬变电磁法实际工作当中，因巷道空间的限制常选用多匝小回线作为发射、接收装置，线圈边长通常为2m，同时，按照矿井防爆措施要求，发射电流应小于10A。

图6－13 超前探测多测道剖面图（异常位于迎头正前方）

⑧ 太阳系是怎么形成的

太阳系是原始太阳爆炸形成的
太阳系是怎样形成的，这是天文学的基础理论之一，这一基础理论搞不清楚，其他的很多天文学理论就搞不清楚。可到目前为止，太阳系是怎样形成的科学家们也没搞清楚。
地球膨裂说认为，太阳系是原始太阳爆炸形成的。46亿年前，太阳因内部的核聚变而发生爆炸，飞出许多熔融的火球，这些熔融的火球冷却后形成了行星、月亮、小行星、卫星和慧星，地球就是其中之一。一些大的火球在冷却的过程中，由于受到表面张力的作用，形成了球形。一些小的火球来不及收缩成球形，而冷却成了不规则的形状，形成了火星和木星间的小行星带、小行星。一些小一点的火球由于离大火球较近而被“俘获”，形成了大火球的卫星。一些离太阳较近的行星具有较重的物质；一些离太阳较远的行星，具有较轻的物质。这是因为离太阳较远的行星具有的液态氢等物质和太阳表面的熔融物质一样，并且较轻，而且处在太阳表面，因此它们在太阳爆炸时获得了较大的离心力，飞离太阳较远；距离太阳较近的行星具有的岩石、金属等物质和太阳表面下面的熔融物质一样，并且较重，而且处在太阳表面的下面，因此它们在太阳爆炸时获得了较小的离心力飞离太阳较近。
太阳系是原始太阳爆炸形成的证据：
1、质量守衡
经科学家们观测，太阳的质量是太阳系质量的99.87%，太阳系中行星的质量是太阳系的0.13% （1）。那么太阳的质量+太阳系中行星的质量=太阳系（原始太阳）的质量。也就是99.87%+0.13%=100%。这足已证明太阳系是原始太阳爆炸形成的。
2、角动量守衡
太阳角动量是太阳系的0.73% ，太阳系中行星的角动量是太阳系的99.27%
（2）。那么太阳的角动量+太阳系中行星的角动量=太阳系（原始太阳）的角动量。也就是0.73%+99.27%=100% 。这足已证明太阳系是原始太阳爆炸形成的。
3、能量守衡（转动能量守衡）
因为天文计算中不可能绝对准确，所以我们可以把天文学家们关于太阳、行星的质量，太阳、行星的角动量占太阳系的百分比看成是整数。也就是把太阳的质量看成是太阳系质量的99.%，太阳系中行星的质量看成是太阳系的1% 、太阳的角动量看成是太阳系的1%，太阳系中行星的角动量看成是太阳系的99% 。这也就是说太阳的质量和行星的质量之比为99/1，太阳的角动量和行星的角动量之比为1/99。这也就是说太阳的质量和行星的质量之比和太阳的角动量和行星的角动量之比互为倒数1/99=1/99。
我们设太阳的质量为m ，太阳系中行星的质量为m1 ，根据角动量公式mr2ω，设太阳的角动量为mr2ω ，太阳系中行星的角动量为m1r12ω1 。这样太阳的质量和行星的质量之比与太阳的角动量和行星的角动量之比互为倒数，也就是m1/ m= mr2ω/m1r12ω1 （1） 。
我们假设太阳系是原始太阳爆炸形成的。原始太阳爆炸形成太阳系之后，行星在太阳万有引力的拖拽下围绕太阳公转，太阳的转动能就会不断向行星转移，直至太阳的转动能等于行星的转动能为止。
根据实心球转动能公式E=2/5mr2ω2，我们设太阳的转动能为E=2/5mr2ω2 ,太阳系中行星的转动能为E1=2/5 m1r12ω12 。太阳的转动能等于行星的转动能，也就是2/5 mr2ω2 =2/5 m1r12ω12 ， 也就是mr2ω2 = m1r12ω12 （2） 。
根据（2）式得出 mr2ω/m1r12ω1= ω1/ω （3）
根据（1）、（3）式得出 m1/ m =ω1/ω （4）
根据（1）、（4）式得出ω1/ω= mr2ω/m1r12ω1 （5）
根据（5）式得出mr2ω2 = m1r12ω12 （6）
根据（6）式得出我们假设的（2）式成立，太阳的转动能=太阳系中行星的转动能，太阳的转动能+太阳系中行星的转动能=原始太阳的转动能，转动能守衡。
4、行星的公转轨道是椭圆形。我们知道，椭圆形公转轨道是因为离心力大于向心力；圆形公转轨道是因为离心力等于向心力。以地球为例，地球在近日点自西向东公转时，离心力大于向心力，所以地球离太阳越来越远，到远日点时离心力等于向心力：地球在远日点自西向东公转时离心力小于向心力，所以地球离太阳越来越近，到近日点时离心力大于向心力。
地球的公转轨道为什么是椭圆形呢？地球膨裂说认为，因为地球是太阳发生爆炸飞离太阳的，所以离心力大于向心力。这就像人造卫星的初始地球轨道是椭圆形一样。因为人造卫星是从地球上发射出去的，人造卫星有一个飞离地球的离心力，而且离心力大于向心力，因此人造卫星的初始地球轨道是椭圆形。因为人造卫星是被月球“俘获”的，离心力等于向心力，所以人造卫星的初始月球轨道为是圆形
按照星云说的观点，太阳和行星是同源的，它们都是原始星云形成的，因此它们的公转轨道应该是圆形的。
5、八大行星的近日点都在太阳的同一侧。为什么八大行星的近日点都在太阳的同一侧呢？这是因为八大行星是在太阳近日点的一次爆炸时同时飞出的。这就像人造卫星的地球公转轨道近地点就是人造卫星的发射点一样。
按照星云说的观点，太阳和行星是同源的，不可能八大行星的近日点都在太阳的同一侧。
6、太阳系角动量分布异常
我们假设太阳系是原始太阳爆炸形成的，就应该太阳的转动能等于行星的转动能，也就是mr2ω2 = m1r12ω12 （2）。
根据（2）式得出mrω2 /m1r1ω12= r1/r （3）
根据（1）、（3）式得出 m1/ m = r1/r （4）
根据（1）、（4）式得出 r1/r = mrω2 /m1r1ω12 （5）
根据（5）式得出mr2ω2 = m1r12ω12 （6）
因为m1/ m =1/99，所以 mrω2 /m1r1ω12=1/99 。
也就是行星的角动量是太阳系角动量的99% 。
因此，太阳系角动量分布异常是原始太阳爆炸形成太阳系的证据。
如果太阳系是原始星云形成的，上述太阳系是原始太阳爆炸形成的6个证据就无法解释。
参考文献：
（1）、查网络：“太阳的质量是太阳系质量的99.87%，太阳系中行星的质量是太阳系的0.13%”。
（2）、查网络：“太阳角动量是太阳系的0.73% ，太阳系中行星的角动量是太阳系的99.27%”。
作者：赖柏林