基于速率-状态依赖摩擦本构关系研究不同因素对断层黏滑运动的影响

采用弹簧-滑块断层运动模型和速率-状态依赖摩擦本构关系,用数值模拟方法,模拟计算研究了构造应力加载速度、静态和动态应力扰动对断层黏滑运动的影响.结果显示,当模拟构造应力加载速度v0幅度增大时,断层的摩擦滑动由稳滑形式逐渐向黏滑运动形式转变;模拟静态应力扰动的正应力阶幅度的大小对断层黏滑出现的时间、黏滑应力降的幅度和黏滑运动周期均有较明显的影响;当断层受到方波形式的正应力扰动时,无论是应力扰动的波峰阶段还是波谷阶段,均出现了断层黏滑运动.     

应力比对脆性材料断裂影响及应变断裂准则验证

应用材料破坏分析软件MFPA2D(material failure process analysis),模拟了平面应力下双向应力比不断变化条件下脆性材料的不同破坏失稳过程,并以玻璃为例,重点研究了其在复杂应力状态下不同双向应力比对脆性材料裂纹扩展和断裂的影响. 研究结果表明,裂纹失稳扩展时的应力强度因子值随着双向应力比的升高而升高. 该结果证明双向应力确实对脆性材料的断裂韧性有影响. 理论分析得出的应变失效准则与数值模拟研究结果及试验结果的比较研究表明,应变失效准则作为脆性材料在双向应力下的断裂准则是可行的.     

深部煤层地下气化化学点火方法研究及数值模拟

通过对适合地下气化点火煤层的条件和煤质进行分析,设计了深部煤层地下气化化学点火装置以及化学点火模型试验台.当点火剂中硅烷与氧气的体积比为1∶3.33、点火剂压力保持在0.3 MPa时,点火区温度上升速率600℃·h-1,最高温度达到800℃,完全能够将模拟深部煤层点燃.利用数值模拟软件FEMLAB对点火过程中煤层温度场做了计算机数值模拟.当煤层点火区温度设定为1366℃时,温度场的扩展速率为28.75℃.min-1,与采用模型试验得到的温度变化趋势基本一致.     

深部地质环境对井壁稳定性的影响

井壁失稳是制约深井、超深井快速钻进的重要因素,在综合考虑深部井周应力、井周温度扰动以及孔隙压力等因素的条件下,建立了深部地质环境条件下的井壁稳定性力学评价模型。基于该评价模型,定量分析了深部复杂地质条件下地应力状态、地层温度及地层孔隙压力对井壁稳定性的影响。结果表明：（1）原地应力状态对井壁稳定性有决定性的影响,原地三个主应力差异增大,将加剧井壁失稳;（2）井壁温度升高将加剧井壁的剪切破坏失稳,而有利于减弱破裂失稳;相反,井壁温度降低,将有利于抑制井壁剪切失稳,而增大井壁张性破坏的可能性。（3）其他条件相同的情况下,地层孔隙压力升高将加剧井壁失稳。     

某缓倾角膨胀土滑坡的成因机制及稳定性的分析

以成都凤凰山滑坡为地质原型,通过成因机制及数值模拟分析,再现了一个近水平层状的膨胀土斜坡的变形破坏过程.研究结果表明:膨胀土斜坡的失稳破坏主要受坡体内部发育的裂隙以及降雨入渗的影响,裂隙的发育使降雨入渗向坡体深部发展,并使土体的强度随降雨过程不断降低,而滑坡后缘裂隙的充水对坡体产生了较大的静水压力.在这两种因素的影响下,斜坡发生了类似于平推式滑坡的失稳破坏.     

温度对全再生混凝土三轴受压性能及破坏准则影响

为研究温度对全再生混凝土三轴受压力学性能及破坏准则的影响,设计制作了30个经不同温度后的全再生混凝土试件进行了三轴受压试验.研究表明:单轴应力条件下,随着温度上升,试件裂缝破碎带变宽;三轴应力条件下,随着温度上升,试件破坏形态由斜面剪切破坏向层状劈裂破坏转变.其次,随着温度上升,抗压强度、弹性模量均呈逐渐下降趋势,但峰值应变则呈逐渐上升的变化趋势;相对于单轴受压状态,温度影响明显减小.最后,根据过镇海模型和M-C理论,分别给出了峰值应力、峰值应变及弹性模量与温度之间的相互关系式,以及M-C理论包络曲线方程.     

汶川地震断层应力强度因子分析超奇异积分法

 地震作为复杂瞬态断裂破坏物理过程,其机制研究是一个多学科交叉问题;同震断层处应力/能量积累释放规律,为从断裂角度研究地震机制提供了一个切入点;应力强度因子（应力角度）和应变能强度因子（能量角度）是断裂力学/物理学的两个最基本的参数。本文应用非线性边界元和主部分析法,将汶川地震断层破坏过程转化为解以断层位移间断为未知函数超奇异积分方程组问题,定义了断层处应力强度因子;利用有限部积分概念及体积力法,为方程组建立了数值解法,编制了Fortran程序,得到断层处应力强度因子数值结果;通过研究应力强度因子随断层位置变化规律,分析了汶川地震断层破坏过程;结合应变能强度因子理论,通过对宏微观电磁破坏过程进一步深入模拟研究可得到电磁辐射破坏变化规律,为地震短临预测提供理论支持和帮助。     

复杂断层对深部岩体原位应力分异与集中的影响

地应力随深度呈线性增长，在深部高应力将成为常态。随着深度的增大地质结构复杂性增加。断层、小裂缝、节理裂隙广泛发育。为了探索断层对地应力的影响及其发生机制，本文在7个超千米钻孔中进行了水压致裂地应力测试，定量确定了断层上下盘、断层间、断层端部、断层交汇处及断层远场的应力。研究了断层位置和属性对应力大小和方向的影响。通过三维数值模拟，阐明了断层附近应力的非均质性，解释了断层对地应力积聚和分异的影响。受区域构造及断层作用影响，地应力大小、方向以及状态在不同位置发生显著的分异。在断层附近，地应力的集中程度和方向变化随断层位置而发生差异；在离断层较远处，地应力大小和方向与区域构造应力一致。利用历史地震动矢量对震源机制解进行了验证。结果表明，断层属性和位置将对应力分异产生显著影响。应力分异由强到弱依次为断层间、断层交汇处、下盘、断层端部及上盘，而方向变化强弱依次为下盘、断层间、断层端部、断层交汇处和上盘，揭示了断层诱发应力累积和方向转变的内在机制。     

黏滑错动下地铁隧道结构破坏特征及设防措施

在活断层发育城市的地铁建设过程中,由于线路走向原因,有时不得不穿越活动断层。但目前对于地铁隧道穿越活动断层的设防措施研究较少,尚无成熟的工程经验。文中以新疆乌鲁木齐地铁穿越西山断层工程建设为依托,采用三维数值模拟和室内试验相结合的方法,研究了黏滑错动下地铁隧道结构力学响应及破坏过程,揭示了隧道围岩和衬砌结构的破坏形态与塑性区分布规律。结合工程设计,提出采用隧道衬砌分段和扩大断面尺寸等工程应对措施,可极大减小黏滑错动下的地铁破坏范围和程度,降低工程损失,也能为破坏后的地铁隧道结构修复提供便利条件。研究结论可为穿越活断层的城市地铁隧道结构设防设计提供有益参考。     

Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金加工图的构建及失稳分析

由含Zr的Al-Zn-Mg-Cu合金在不同变形条件下进行热压缩得到的真应力-真应变曲线,计算合金的热变形本构方程.基于动态材料模型构建合金的加工图,并分析功率耗散系数的变化和失稳区的范围.研究结果表明:该合金在热变形时存在2个失稳区,即低温失稳区(温度300～360℃、应变速率0.05～1 s-1)和高温失稳区(温度400～460℃、应变速率0.005～1 s-1);在温度440～460℃,应变速率小于0.002 s-1的区域,最大功率耗散系数为0.52,该区域内的变形软化机制为动态再结晶.     

Experimental evidence for seismic nucleation phase

The friction experiments on macroscopically homogeneous and non-homogeneous faults were performed by using a double-shear friction rig, and the waveforms of acoustic emission and the fault slip corresponding to the stick-slip instability events were analyzed. The results indicate that there exist two types of nucleation phase for stick-slip instability of non-homogeneous faults, and one is coincident with the preslip model, the other with the cascade model. It is concluded that the seismic nucleation phase exists objectively, and its generation is related to heterogeneity of fault.``     

扰动作用下矿柱滑移失稳的理论分析

动力扰动作用下,处于高静载状态的岩石极易沿已有裂缝产生滑移,造成滑移型岩爆等动力灾害。通过能量分析和变分原理对动力扰动诱发高应力矿柱断裂滑移失稳（滑移型岩爆）的力学机理进行分析,得出了动力扰动条件下矿柱失稳的充要条件。通过开展动静组合荷载作用下的矿柱滑移失稳试验,验证了理论分析的正确性。研究表明：矿柱的动力滑移失稳只会发生在峰后阶段,对于处在峰前稳定平衡状态的矿柱,若要发生动力滑移失稳,需要爆破振动、巷道断裂等人工或者自然活动所产生的动力扰动达到一定量值,同时还需满足加载刚度k1小于峰后的滑移刚度k2。因此,对矿柱断裂滑移型岩爆量级的预测则须准确地确定过剪应力的量值。     

沉积型铝土矿采空区矿柱-顶板支撑系统滑移突变失稳分析

基于沉积型铝土矿采空区失稳多为沿结构弱面滑移剪切破坏的特征，借助能量耗散理论和突变理论，构建矿柱-顶板支撑系统滑移突变失稳模型，研究受结构弱面影响的系统失稳机制，分析各内控因素对采空区稳定性的影响.结果表明:采空区突发滑移失稳是由支撑系统的内控因素和外控因素协同作用的结果.外控因素既定条件下，各内控因素敏感度由大到小依次为:采空区跨度b，矿柱宽度a，软弱带厚度B，结构弱面倾角θ，矿柱屈服区宽度c.软弱带厚度B和结构弱面倾角θ的敏感度略小于采空区跨度和矿柱宽度的敏感度，在实际工程中，应密切关注结构弱面因素的影响.晨光铝土矿工程实例验证了计算结果的可靠性.研究成果可为此类矿山采场参数设计提供依据.     

后缘裂缝水对岩质滑坡的作用机理

在诱发岩质滑坡失稳的因素中,水分特别是后缘裂缝水的作用是最直接最重要的. 与一般土质滑坡不同的是,目前有关水体在岩质滑坡启动及失稳过程中的作用机理还不清楚. 本文先从岩石断裂力学的角度出发,分析了裂缝的扩展贯通和滑面形成机制. 继而以水力学公式为基础,利用瑞典圆弧法,定量研究了入渗裂隙水对岩质坡体稳定性的影响机理. 最后,通过一算例的计算分析验证了理论的合理性. 结果表明,高大深邃裂缝中的裂缝水是裂缝贯通、滑面形成的动力,而滑面物质力学性质的下降和界面水力作用是岩质边坡失稳最直接诱因.     

转化型二次失稳边坡变形特征及失稳成因分析 ——以余凯高速RK24滑坡为例

RK24滑坡由浅层滑动逐渐转化为深层滑动,是一个转化型二次失稳边坡典型案例.在RK24滑坡详细调查基础上,研究转化型二次失稳边坡的变形特征与失稳成因,并提出相应的治理措施。结果表明:①合理划分滑体横纵剖面,有限的监测数据能准确反映滑体内部变形情况,变形量差值拐点为滑面,稳定区域局部异常点裂隙发育;②丰富松散物源、优势节理构造提供基础条件,降雨或地震诱发边坡失稳,施工和运营过程中的震动效应促使工程滑坡浅层向深层转化;③工程治理需综合考虑二次滑面深度、失稳原因和既有工程的破坏情况等,由于强降雨导致的二次失稳,需加强排水引流,由于震动效应导致的二次失稳,需二次支挡加固。     

龙门山断裂带深部构造变形的粘弹性模拟分析

根据龙门山断裂带地区的构造特征,建立该地区二维有限元模型.在考虑到深部构造发生粘弹性蠕动的条件下,利用粘弹性接触的有限元方法模拟计算上、下地壳和上地幔的滑动情况.模拟结果表明,龙门山断裂带及周围是应力集中区域,且随着时间的推移应力集中程度加剧.模拟还表明龙门山断裂带断层深处滑动速率比地表的滑动速率大,平均为3倍左右.因此,在龙门山断裂带地表滑动速率较小的情况下,速率较大的断层深部物质在滑动过程中则会产生能量高度的积聚,当能量积累超过极限强度,断层产生滑动,从而引发了地震.     

基于位移梯度法的深基坑桩锚支护结构动态稳定性分析

滑裂面的搜索模型与安全系数的计算方法是分析深基坑桩锚支护结构稳定性的两大重要内容.本文通过切向位移梯度法搜索最危险滑裂面,并在极限平衡理论的基础上改进了安全系数的计算模型.通过循环以下两步实现滑裂面搜索:搜索切向位移梯度最大的方向作为滑裂面的切线方向;顺着搜索到的切线方向延伸至滑裂面的下一点.在安全系数的计算过程中,通过应力比考虑张拉破坏对土体抗滑力矩的影响.最后,将滑裂面位置及张拉破坏区域代入改进的安全系数公式计算对应工况下基坑的安全系数.通过算例分析发现:切向位移梯度在0°～90°范围内存在极大值;张拉破坏区集中在较浅的土层范围内,且随施工过程动态变化.     

钢管轻集料混凝土黏结滑移试验研究

为探究钢管轻集料混凝土黏结滑移过程和机理,取钢管的长度和外径为变化参数,设计4个钢管轻集料混凝土柱。通过推出试验,得到试件位移-荷载曲线和相关特征点参数。从黏结破坏强度、黏结破坏位移和位移-荷载曲线等角度分析了长细比和紧箍系数对钢管轻集料混凝土黏结滑移影响和加载过程中钢管外壁的应力变化情况。试验结果表明:在荷载-位移曲线后滑移阶段,紧箍系数越大的试件,钢管与混凝土之间的摩擦力越大;相同长细比的情况下,紧箍系数大的试件,其黏结破坏强度大,黏结破坏强度对应的位移小;在相同紧箍系数的情况下,长细比大的试件,其相应黏结破坏强度对应的位移大;纵向应力随荷载变化正比变化;滑移过程中,钢管对混凝土有较大的环向应力。     

基于RFPA-SRM的顺倾软岩边坡断层影响机理

 结合元宝山露天矿工程实例,基于细观力学方法和强度折减理论,应用RFPA-SRM对比模拟了有无断层作用下,顺倾软岩边坡失稳的动态过程,分析了边坡的稳定性,研究了断层对边坡失稳的影响机理。由结果分析得出：考虑断层时,F_s=1.099>1,边坡稳定,不考虑断层时,F_s=1.176,稳定系数增加0.077;边坡失稳破坏是一个渐进的过程,经历了裂隙的发生、扩展和贯通阶段,后形成滑动面,发生滑坡,同时存在拉张和剪切两种破坏方式;断层存在导致的应力状态改变和自身的强度特性是使滑坡模式和稳定性发生变化的根本原因。