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考虑围压及孔隙压力的岩石试件应力与应变关系解析

王学滨 潘一山

乔彦松, 刘冬雁, 李朝柱, 等, 2007. 川西甘孜地区黄土的磁性地层学研究. 地质力学学报, 13 (4): 289-296.
引用本文: 王学滨, 潘一山, 2001. 考虑围压及孔隙压力的岩石试件应力与应变关系解析. 地质力学学报, 7 (3): 265-270.
QIAO Yan-song, LIU Dong-yan, LI Chao-zhu, et al., 2007. MAGNETOSTRATIGRAPHY OF A LOESS-SOIL SEQUENCE IN THE GARZE AREA, WESTERN SICHUAN. Journal of Geomechanics, 13 (4): 289-296.
Citation: WANG Xue-bin, PAN Yi-shan, 2001. THEORETICAL ANALYSIS OF RELATIONSHIP BETWEEN STRESS AND STRAIN IN CONSIDERATION OF CONFINING PRESSURE AND PORE PRESSURE OF ROCK SAMPLE. Journal of Geomechanics, 7 (3): 265-270.

考虑围压及孔隙压力的岩石试件应力与应变关系解析

基金项目: 

2000年国家教委骨干教师项目:"地震及水渗流作用下大型岩体工程稳定性研究"

详细信息
    作者简介:

    王学滨(1975-),男,硕士,1998年毕业于辽宁工程技术大学,现从事岩石力学理论研究及岩土工程的数值计算.

  • 中图分类号: P584

THEORETICAL ANALYSIS OF RELATIONSHIP BETWEEN STRESS AND STRAIN IN CONSIDERATION OF CONFINING PRESSURE AND PORE PRESSURE OF ROCK SAMPLE

  • 摘要: 假设剪切带内部的岩体为剪切破坏,利用剪切应变梯度塑性理论,解析得出了考虑围压和孔隙压力的岩石试件应力与应变的关系,解析解与众多的实验研究结果比较一致,围压效应和孔隙压力效应是局部化所致,这一研究结果对于自然灾害的防治有一定的理论和实际意义。

     

  • 国内外的研究结果表明[15], 青藏高原隆升是影响亚洲季风区乃至全球环境变化的一个重要因素。这种影响是通过多种方式实现的[68], 其中, 高原隆升对大气环流的改变是其影响环境的一条重要途径[810]。中国地处全球大气环流若干重要分支的相互作用区, 气候主要受东亚季风(包括东南夏季风、西北冬季风)、印度洋季风(西南夏季风)、西风环流及其相互作用的影响[11]。同时, 高原季风是第四纪期间青藏高原隆升到一定高度形成的独特的环流系统[1213], 对中国季风区的环境演化也具有重要作用。由于上述环流系统的影响范围及在各地区的影响程度有显著不同, 所以查明大气环流及其导致的环境变化对高原隆升响应的区域差异是深入理解青藏高原环境效应的重要途径。

    黄土堆积与大气环流作用密切相关, 因而是研究过去大气环流演化过程和机理的理想地质材料。在中国北方风尘沉积的研究中, 通过对黄土高原地区第四纪黄土-古土壤序列[14]、新近纪三趾马红土[1519]、中新世黄土-古土壤序列[20]的系统研究, 对亚洲季风的形成、阶段性演化特征及其驱动机制等方面获得了重要认识。然而, 要深入理解不同大气环流的演化特征及其与青藏高原隆升的关系, 需要对不同地区, 特别是黄土高原以外的风尘堆积序列进行对比研究。青藏高原周缘地区的黄土-古土壤序列[2124], 由于与高原的相对位置不同, 且处在不同的大气环流控制之下, 是研究环境演化区域差异和青藏高原隆升的环境效应的理想材料, 因而逐渐为国内外学者所关注。其中, 川西高原位于青藏高原的东南边缘, 气候主要受印度洋季风、高原季风的影响[2528]。目前, 关于印度洋季风形成、演化的信息主要来源于对海洋沉积的研究[2930], 对高原季风行为、机制的探讨也有待深入。广泛分布于川西高原的黄土-古土壤序列主要是早更新世晚期以来形成的[21, 2528, 31], 它是高原周缘地区连续的古气候记录类型之一, 记录了该时期上述环流系统的演化过程及其与青藏高原阶段性演化的关系, 对探讨高原隆升的环境响应具有重要意义, 并可为研究印度洋季风、高原季风的演化过程与机制提供重要的证据。

    国内学者曾对川西高原甘孜地区的黄土进行了深入的研究, 并在地层时代[21, 2528, 31]、成因[26, 3233]及古环境解释[2528, 31, 34]等方面取得了重要进展, 为今后的研究奠定了很好的基础。然而, 在古环境变迁的研究过程中, 只有通过多个剖面的对比分析才能获得更加可靠的信息, 而时间标尺的确立又是古环境演化分析的基础。为此, 笔者对甘孜地区黄土保存比较完整的甘孜-A剖面(图 1)进行了系统的磁性地层学研究, 为今后进一步开展古环境演化过程的对比分析奠定基础。

    图  1  剖面位置图
    Figure  1.  Map showing the position of the Garzê-A section

    川西甘孜地区地处针叶林温暖亚湿润带, 年平均气温5.6 ℃, 年平均降水量636 mm, 降水主要集中在夏季, 占全年总降水量的81 %。甘孜-A剖面(31°37′22.8″N、99°58′29.4″E)位于甘孜县城西北约2km处, 剖面所处地貌部位属于雅砻江的五级阶地, 海拔3483m。剖面总厚度为32.5m, 底部与基岩呈不整合接触。根据地层的岩性、结构、颜色、接触关系等特征自上而下可以分为36层(图 2)。自上而下地层分层的特征描述如下。

    图  2  甘孜-A剖面岩性地层及磁性地层
    Figure  2.  Lithostratigraphy and magnetostratigraphy of the Garzê-A section

    1.浅灰黑色粉细砂层, 结构疏松, 含大量植物根系及生物孔洞。含少量钙结核, 结核直径一般为0.1~0.5cm                                                                             厚度0.6 m

    2.灰黄色粉细砂层                                                              厚度0.4 m

    3.浅棕红色粉细砂层                                                            厚度0.6 m

    4.浅棕黄色粉细砂层。含少量钙质薄膜                                            厚度1.4 m

    5.棕红色粉细砂层。结构松散, 含大量白色钙质薄膜                                厚度2.1m

    6.浅棕黄色粉细砂层。含白色钙质薄膜及少量钙结核                                厚度0.4 m

    7.浅棕红色粉细砂层                                                            厚度0.5 m

    8.浅棕黄色粉细砂层                                                            厚度0.6m

    9.棕红色粉细砂层                                                              厚度1.2 m

    10.灰黄色粉细砂层。质地均一, 结构致密, 钙质胶结, 含少量钙质结核               厚度0.6 m

    11.浅棕红色粉细砂层                                                           厚度0.7 m

    12.浅灰黄色粉细砂层                                                           厚度0.8 m

    13.棕红色含砂粘土层                                                           厚度0.2 m

    14.棕黄色粉细砂层, 含大量钙质结核, 结核直径一般为1~5cm                       厚度0.2 m

    15.棕红色含粘土粉细砂层                                                       厚度0.2 m

    16.灰黄色粉细砂层。含大量钙质结核                                             厚度0.1 m

    17.棕红色含粘土细砂层。含大量钙结核及钙质薄膜                                 厚度1.7m

    18.灰黄色粉细砂层                                                             厚度3.7 m

    19.棕红色含粘土粉细砂层                                                       厚度1.3 m

    20.灰黄色粉细砂层, 含大量钙结核                                               厚度0.5 m

    21.棕红色含粘土粉细砂层, 含少量钙质薄膜                                       厚度0.5 m

    22.灰黄色粉细砂层                                                             厚度1.3 m

    23.棕红色含粘土粉细砂层                                                       厚度0.9 m

    24.棕黄色粉细砂层                                                             厚度2.0 m

    25.浅棕红色粉细砂层                                                           厚度1.3 m

    26.棕黄色粉细砂层。含大量钙结核                                               厚度0.2 m

    27.棕红色粉细砂层。含大量钙质薄膜                                             厚度0.4 m

    28.棕黄色粉细砂层                                                             厚度0.6 m

    29.棕红色粉细砂层。含大量钙质薄膜                                             厚度0.4 m

    30.棕黄色粉细砂层                                                             厚度0.5 m

    31.棕红色粉细砂层, 含大量钙质薄膜                                             厚度0.4 m

    32.棕黄色粉细砂层                                                             厚度1.5 m

    33.棕红色粉细砂层                                                             厚度0.3 m

    34.灰黄色粉细砂层                                                             厚度0.4 m

    35.灰黄色含粘土粉细砂层。含少量小砾石                                         厚度3.0 m

    36.灰黄色粉细砂层。含大量砾石, 砾石磨圆度很差                                 厚度1.0 m

    野外按照20~40 cm的间距采集用于古地磁测试的定向样品108块, 按照2 cm的间距采集用于磁化率测试的样品1626个。

    古地磁测试在中国地质科学院地质力学研究所古地磁实验室完成。对剖面的共108块定向古地磁样品用美国ASC公司生产的TD-48型全自动热退磁仪进行热退磁, 剩磁测量在美国产2G-755型超导磁力仪上完成, 实验过程均在零磁空间进行。首先测量样品的天然剩磁, 然后对所有的样品进行了系统热退磁, 退磁温度为100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃、520 ℃、550 ℃、585 ℃、600 ℃、620 ℃、675 ℃, 共15步。磁化率测量在英国产Bartington MS2磁化率仪上完成, 磁化率测试结果与野外地层划分具有很好的对应关系, 即磁化率曲线的峰、谷分别对应于野外划分的古土壤和黄土层(图 2)。

    在表明退磁结果的剩磁矢量正交投影图(图 3)上, 所有样品的剩磁都有两个分量, 且大多数样品的剩磁第一分量在200~250 ℃可被完全清洗, 此分量为次生粘滞剩磁分量, 与现代地磁场方向基本一致; 剩磁第二分量在250 ℃以后保持稳定, 在剩磁矢量正交投影图上趋于原点, 代表了原生特征剩磁的矢量方向。

    图  3  甘孜-A剖面典型样品热退磁的剩磁矢量正交投影图
    ●为水平分量; ○为垂直分量
    Figure  3.  Orthogonal projection of vectors of remanent magnetism of thermal demagnetization of typical normal and reversed polarity samples from the Garzê-A section

    甘孜-A剖面的磁性地层研究结果如图 2所示。从图中可以看出, B/M界线出现在L7的底部, 并且在剖面下部24.9~26.4 m的位置出现了松山负向期的贾拉米洛正向极性亚带。笔者以B/M界线(0.78 Ma BP)及贾拉米洛正极性亚时的两个界线点年龄(0.99和1.07 Ma BP)3个绝对年龄值作剖面的深度-年龄关系图(图 4), 可以看出该剖面的深度与年龄具有很好的相关性, 相关系数可达0.9961。

    图  4  甘孜-A剖面的深度-年龄图
    Figure  4.  Age vs.depth diagram of the Garzê-A section

    从地层的沉积特征(图 2)可以看出, 甘孜-A剖面的1~34层为典型的风尘沉积, 第35层为经过水流改造的次生黄土, 第36层为残坡积物。以B/M界线(0.78 Ma BP)和贾拉米洛正极性亚时的底界年龄(1.07 Ma BP)计算出该时期的风尘沉积速率为2.38 cm/ka, 以此沉积速率外推剖面典型风尘沉积的底界(深度28.5 m)的年龄约为1.16 Ma BP。该结果与笔者以前做的位于雅砻江六级阶地的甘孜寺剖面[35]、陈诗越等[28]在甘孜地区所做的甘孜剖面的底界年龄基本一致。

    对甘孜-A剖面系统的磁性地层学研究结果表明, B/M界线出现在L7的底部, 并且在剖面下部出现了松山负向期的贾拉米洛正向极性亚带。以古地磁界线点作为时间控制点外推该剖面典型风尘沉积的底界年龄约为1.16 Ma BP。通过对该剖面多个指标的进一步测试分析, 有望在以下几个方面取得重要进展:(1)该区风尘物源及其反映的更新世中期以来的大气环流格局演化以及物源区干旱化发展等环境状况的变化。(2)探讨更新世中期以来全球性重大环境事件在青藏高原东部地区的反映。同时, 有望对高原季风、印度洋季风的演化过程获得重要信息。(3)在上述研究的基础上, 建立该区更新世中期以来一系列重要环境事件的时间序列, 并通过与全球区域性重大地质环境事件的对比, 对该区环境变化的机制取得新的认识。

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  • 收稿日期:  2001-02-26
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