抽水引起的含水层水平应变──地裂缝活动新机理

基于Darcy -Gersevanov广义渗流关系式 ,本文首先导出了单井定流量抽水引起的泰斯承压含水层水平运动和应变解析表达式 ,并据此提出了抽水诱发地裂缝活动的含水层水平应变新机理 ,其主要观点为 :受井栅的约束阻挡作用 ,抽水活动将在含水层内部形成近井径向挤压区和远井径向拉张区两个应变区域 ,随着抽水时间的增长 ,近井径向挤压区将逐渐向外扩展 ;当地裂缝及其下伏断层或裂隙位于抽水活动引起的径向拉张应变区域时 ,地裂缝将出现加速活动 ;反之 ,当地裂缝处于抽水活动引起的径向挤压应变区域时 ,地裂缝活动反而受到抑制。上述地裂缝活动机理通过大同机车工厂现场抽水实验得到了初步证实。     

地裂缝错动对地铁区间隧道影响的三维离散元分析

拟建西安地铁2号线穿越10条地裂缝,地裂缝活动将影响地铁2号线的安全运营。应用三维离散元程序3DEC建立三维计算模型,分析了裂缝带错动对地铁区间隧道盾构管线的影响,得出了不同错距工况下隧道衬砌的变形和应力。通过计算得知,当土体上下盘底部竖向错距由10cm增大到93cm时,引起的衬砌竖向变形量由0. 712cm增大到13. 99cm,且最大变形均发生在沿纵向约35～36m处,距裂缝带距离约为9. 5～8. 5m;引起的管道纵向最大拉应力则由0. 65MPa增大到18. 43MPa,最大压应力由0. 611MPa增大到16. 9MPa,且最大应力区与最大变形区一致。这一结论的获得可为地铁设计、施工及其安全运营提供科学的理论指导及设计依据。     

页岩层理方位及强度对水力压裂的影响

为了研究页岩天然层理倾角及强度等对水力压裂裂纹扩展的影响,采用室内水力压裂实验,通过监测孔直接对裂纹扩展的实时监测和注水压力信息及试件压裂后的剖切,分析层理倾角、强度等对压裂裂纹扩展的影响。实验结果表明:水力压裂过程中,垂直最小地应力稳定扩展的主裂缝遇层理时,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越小,主裂缝越易沿着层理面方向扩展,层理面与主裂缝初始扩展方向夹角越大,主裂缝遇层理面时越易贯穿层理面沿原方向扩展;层理方位,地应力及基质抗拉强度不变,层理的抗拉强度远弱于基质抗拉强度时,主裂缝与层理面相遇后越易沿着层理面方向扩展,层理抗拉强度与基质抗拉强度越相近,主裂缝遇层理时越易贯穿层理沿原方向扩展;层理方位和强度不变,地应力及应力差越大,主裂缝遇层理后越易贯穿层理面沿原方向扩展。     

山西清徐地裂缝形变的InSAR监测分析

山西清徐地裂缝是近年汾渭盆地中活动最为剧烈的地裂缝之一,对耕地、道路和建筑物均造成了严重的破坏。为了监测该地裂缝的活动特征并推测其活动原因,采用差分合成孔径雷达干涉测量技术对该区域的地表形变进行了面状监测。由于受农田覆盖导致的严重时间去相干的影响,本文采用2007年时隔仅为70d的两景Envisat ASAR数据进行了解算,获取了该时间段清徐地区的整体地表形变,特别是清徐地裂缝两侧的形变梯度信息。结果显示: 清徐地裂缝南侧有一个长轴约为2km的地面沉降区域。进一步通过两条平行于地裂缝的剖线和多条垂直于地裂缝的剖线对该地裂缝形变的空间特征进行了分析,结果显示: 清徐地裂缝南侧为主要的形变区域,地裂缝最大的影响宽度达100m,而且地裂缝的不同地段的活动强度也不同, 70d的最大差异形变达5cm。从地裂缝与断裂的空间来看,该地裂缝位置受到交城断裂的控制,而推测近年地裂缝的异常活动则源于地裂缝南侧沉降中心的出现。     

西安地铁二号线沿线地裂缝未来位错量估算及工程分级

地裂缝在地铁设计使用期内的最大垂直位错量是西安地铁二号线穿越地裂缝结构设计的一个十分重要的参数。本文以历史水准监测资料为基础,分析了西安地铁二号线沿线各地裂缝在不同历史阶段的活动特征与活动原因,对各地裂缝的未来活动趋势进行了预测。然后通过基于不同时间段地裂缝活动速率的最大垂直位错量估算结果的对比分析,得出了地铁设计使用期内各条地裂缝与地铁交汇点处地裂缝的最大垂直位错量,并以此为依据,将西安地铁二号线沿线地裂缝分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级等4个工程级别。     

山西地堑系一类特殊的剪切-挤压型地裂缝

阐述了山西地堑系的构造背景及现今应力场状态,对该地区发育的地裂缝特点进行了概括性描述。根据实际调查,在该地区发现了一类特殊的剪切-挤压型地裂缝——万荣县城关变电所地裂缝,该地裂缝地貌上位于山西地堑系峨嵋台地,发育特征表现为强烈的剪切、挤压变形,地面、墙体拱曲、翘起,并出现明显的水平位错现象。与该区发育的其他地裂缝有明显的不同。根据地裂缝发育的特征,并结合区域构造应力场分析,讨论了该地裂缝的力学成因机制。     

大埋深引水隧洞穿越断裂带围岩变形规律研究

断裂带是深埋隧洞开挖过程中常见的不良地质现象。以滇中引水工程香炉山隧洞为工程背景,通过建立隧洞穿越断裂带的开挖数值模型,研究了隧洞拱顶、拱底、拱腰两侧的围岩变形规律,进一步分析了隧洞在穿越不同断裂带宽度、倾角、走向以及不同隧洞埋深工况下对围岩变形的影响。研究表明,由于断裂带区域的存在,围岩的垂直位移和水平位移发生了明显的改变,越靠近断裂带核心区域,隧洞拱顶、拱底和拱腰两侧围岩的变形越大,在断裂带中心区域附近围岩的变形达到最大值;围岩的垂直位移和水平位移随着断裂带宽度和隧洞埋深的增大而增大,随着断裂带倾角的增大而减小;断裂带走向的变化对围岩的垂直位移和水平位移影响较小。对于拱顶沉降,其综合因素影响程度从小到大依次为断裂带走向、断裂带倾角、断裂带宽度、隧洞埋深。     

沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的抗震性能试验研究

沙漠砂蒸压加气混凝土砌块是一种新型墙体建筑材料,本文利用沙漠砂制成的B06级沙漠砂蒸压加气混凝土砌块,以村镇建筑为对象,设计了两片在不同的竖向压应力0.1MPa和0.3MPa作用下的墙体,进行了拟静力试验的研究,分析了墙体在这两种竖向压应力作用下的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、延性系数以及刚度退化曲线。结果表明:在水平低周反复荷载作用下,墙体的破坏主要以剪切破坏为主,随着压应力的增加,墙体在破坏时的斜裂缝显著增加,且刚度退化更平缓;在竖向压应力为0.3MPa作用下墙体的极限荷载、延性系数大约是0.1MPa作用下的1.71倍和1.16倍。研究结果可为沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的承载力理论计算提供数据支撑。     

节理发育地层水力裂缝扩展数值研究

在进行岩石地层水力压裂过程中往往会遇到许多天然节理弱面,水力裂缝遇到天然节理弱面时裂缝扩展形态会发生变化。为研究节理发育地层水力压裂裂缝扩展形态,采用ABAQUS软件进行数值研究,通过Python编制了嵌入全局Cohesive孔压单元的程序,利用Cohesive孔压单元的损伤开裂模拟裂缝的扩展,并介绍了编程时进行节点分裂的规则及生成Cohesive孔压单元的要点。为验证本文方法的正确性,模拟了水力裂缝与单条节理面相交时,不同相交角度下裂缝扩展情况;并与采用最大能量释放率准则得到的裂缝扩展理论相对比,数值结果与理论相一致。同时模拟研究了水平地应力差为2MPa时的裂缝扩展形式,并分析了不同地应力差对裂缝扩展的影响。结果表明:水力裂缝沿着垂直最小水平主应力方向扩展,在遇到节理弱面时会发生转向分叉等行为;低地应力差下裂缝扩展形态复杂,容易形成复杂裂缝网;高应力差下裂缝直接穿过节理面沿最大主应力方向扩展,裂缝形态单一;随着应力差的增大主裂缝扩展方向逐渐趋近最大主应力方向。     

摩擦作用下直杆在对称斜面间的稳定平衡分析

摩擦提供的约束反力在由正应力所确定的范围之内．对称平板支承下的直杆在水平状态时平衡,但重心最高,因而没有摩擦时不能稳定平衡;摩擦作用下直杆平衡的倾角范围与平板坡度相关,可依据摩擦力达到极限值确定;若直杆与平板夹角小于90o,则平衡是稳定的,否则将跳跃到一侧平板,且摩擦角小于板面倾角时下滑到底部．支承板倾角变化时,处于稳定平衡状态的直杆将在一端发生滑移：倾角增大则高端向上、减小则低端向下,以使直杆重心位置较低．若支承板倾角作周期性变化,则直杆将逐渐倾斜而失稳：下滑到底部或跳跃到一侧平板．摩擦使力学系统具有非线性特征,其平衡位置可以在状态参数连续变化时发生跳跃．     

陕西三原双槐树地裂缝的发育特征

陕西三原双槐树地裂缝由两条近平行的地裂缝组成,延伸长度大于4km,地裂缝活动给沿线居民带来了巨大的灾害和经济损失。通过调查访问和探槽、探井、平硐等勘探工程,从平面展布特征、剖面结构特征、活动特征和力学性质等方面描述了该地裂缝的发育特征。结果显示:南侧的F1地裂缝的破碎带宽度和活动程度均大于北侧的F2地裂缝,其中的F1地裂缝破碎带宽度一般大于10m,最大可达50余米,不同期次和不同级次的裂缝数量可达30余条,如此规模的裂缝破碎带宽度和裂缝数量在黄土地区并不多见。     

含不同充填物预制裂隙对爆炸裂纹扩展的影响

为了研究充填裂隙岩石动态断裂时裂纹扩展规律,以空气、黏土和水作为有机玻璃的预制裂隙充填材料,在炮孔与预制裂隙的不同夹角、不同距离条件下,通过单发雷管加载,对3种不同裂隙充填物的有机玻璃模型进行了起爆实验。结果表明:爆炸裂纹几乎都不会越过预制裂隙;空气充填模型裂纹总数、左端翼裂纹几乎全部大于黏土和水充填模型;最长裂纹分布位置和长度与反射应力波传播方向和能量有关;空气充填模型右端翼裂纹多随角度增大而增长,黏土充填模型右端翼裂纹则表现为先增后减;爆炸裂纹扩展对充填物种类具有敏感性。     

Mixed mode axisymmetric annular cracks in a finite layer: Off angle crack initiation

The solutions of axisymmetric Volterra type climb and glide edge dislocations are obtained in a layer by means of the Hankel transforms. Utilizing the same procedure, Green’s function solution is obtained for a layer under self-equilibration normal ring traction. The distributed dislocation technique is used to construct integral equations for a system of co-axial annular cracks where the layer is under axisymmetric normal loads. These equations are solved numerically to obtain dislocation density on the cracks surfaces. The results are employed to determine stress intensity factors for annular and penny-shaped cracks and the interaction between two co-axial penny-shaped cracks is studied. Moreover, the stress intensity factors of the interacting cracks are determined such that they can be further used in conjunction with strain energy density (SED) failure criterion to obtain the possible direction of crack initiation that may not be apparent under mixed mode conditions.     

西安地裂缝活动趋势分析

西安地裂缝的形成及活动主要受构造活动及人类活动因素影响, 而近来地裂缝的超常活动主要与过量抽取地下水引起的地面不均匀沉降有关。根据对抽水及地面荷载引起地层压密固结过程的分析、地下水位变化趋势的分析以及应用 Ver-hulst模型计算、预测结果, 西安地裂缝的强烈活动将有减缓或逐渐稳定的趋势。有关地裂缝活动的最新实际监测数据已显示出一些相应的征兆。     

重庆武隆鸡尾山危岩体形成与崩塌成因分析

鸡尾山事件是一次巨型滑移式岩体崩塌（体积大于100×10⁴m³）,也是一次特大型地质灾害（死亡/失踪人数超过30人）。鸡尾山层状石灰岩地质结构、近南北向和近东西向裂隙组合以及软弱夹层的存在是山体开裂滑移的物质结构基础。长期的降雨渗流和岩溶作用使软层强度弱化、裂隙带扩大是层状山体易于拉开的前提。类比分析认为,鸡尾山地形上高陡临空、山下铁矿大面积采空形成的“悬板张拉效应”是山体拉裂形成大规模危岩体的主要原因。视滑力分析计算得出,层状岩体向外的视滑力是逐渐克服危岩体底面摩擦力和前缘抗剪力,使危岩体蠕滑发展成崩塌的主要驱动力。鸡尾山崩塌灾害是铁矿采空和视滑力共同主导作用下的一个“山体拉裂～弱面蠕滑～剪出崩塌～碎屑流冲击～灾难形成”的链式反应过程。文章为应急管理决策解释了此次事件的动力来源问题,也为类似事件应急响应技术支撑提供了一种简便方法。     

基于Oda裂隙结构张量的流纹岩各向异性试验研究

岩石内天然存在长度、倾角和形态不同的裂隙,造成岩石的各向异性特征。为揭示岩石内天然随机裂隙发育特征对岩石物理力学特性的影响规律,以泥巴山隧址区采集裂隙性流纹岩为研究对象,首先对试样裂隙进行素描统计分析;然后基于Oda裂隙结构张量,获得天然随机分布裂隙的几何统计参数;最后对裂隙性流纹岩试样分别进行单轴和常规三轴压缩试验,得到不同应力路径下流纹岩的应力-应变曲线及物理力学参数。分析Oda裂隙结构张量定义的各向异性参数与试验获得的力学参数之间的规律,研究结果表明:(1)Oda裂隙结构张量适用于天然随机分布裂隙的几何统计分析,各向异性参数A(F)越大,裂隙优势方向越明显;(2)单轴压缩下,随着各向异性参数I1和A(F)的增大,流纹岩各向异性程度增大,弹性模量减小,泊松比增大;(3)常规三轴压缩下,流纹岩弹性模量和泊松比随各向异性参数改变的规律较不明显,Oda裂隙结构张量不再适用。     

Configurational forces and couples in fracture mechanics accounting for microstructures and dissipation

Configurational forces and couples acting on a dynamically evolving fracture process region as well as their balance are studied with special emphasis to microstructure and dissipation. To be able to investigate fracture process regions preceding cracks of mode I, II and III we choose as underlying continuum model the polar and micropolar, respectively, continuum with dislocation motion on the microlevel. As point of departure balance of macroforces, balance of couples and balance of microforces acting on dislocations are postulated. Taking into account results of the second law of thermodynamics the stress power principle for dissipative processes is derived.Applying this principle to a fracture process region evolving dynamically in the reference configuration with variable rotational and crystallographic structure, the configurational forces and couples are derived generalizing the well-known Eshelby tensor. It is shown that the balance law of configurational forces and couples reflects the structure of the postulated balance laws on macro- and microlevel: the balance law of configurational forces and configurational couples are coupled by field variable, while the balance laws of configurational macro- and microforces are coupled only by the form of the free energy. They can be decoupled by corresponding constitutive assumption.Finally, it is shown that the second law of thermodynamics leads to the result that the generalized Eshelby tensor for micropolar continua with dislocation motion consists of a non-dissipative part, derivable from free and kinetic energy, and a dissipative part, derivable from a dissipation pseudo-potential.     

小湾电站深切河谷边坡演化动力学过程及机制研究

小湾水电站坝址位于高山峡谷区,深切峡谷形成演化的动力学过程决定了坝区边坡目前的形态特征、岩体结构特征及稳定性状况,由此深刻影响边坡设计方案和建基面的选择。基于现场工作和分析测试成果,得出主要结论有:(1)由于河谷形成过程中的卸荷作用及风化作用,边坡浅表层改造强烈,产生了大量的中缓倾角裂隙,坡面附近近SN向陡裂张开、扩展; 浅表层发育了大量近EW向挤压带(面); (2)岸坡浅表层中缓倾角结构面的产生机制,包括沿原构造节理扩展和新生裂隙; 坡体下部的中缓倾角裂隙会因差异卸荷回弹而继续扩展,坡体中上部岩体质量劣化,在地应力场调整过程中,因剪切滑移继续扩展,坡体逐渐进入时效变形阶段。(3)对河谷边坡进行了地质—工程分类,指出各类边坡可能变形失稳模式包括倾倒变形、平面滑动、阶梯状滑动、楔形滑动和堆积体滑动等5种。