断层滑动准则和稳定性评价及构造应力场的反演

 为研究矿震、突出等动力现象与断层滑动、开采深度的关系,首先在试验室进行砂岩双剪摩擦试验,从工程角度出发,确定砂岩的滑动准则。其次为研究地下岩体的稳定性,确定构造应力场的分布,针对地下岩体的赋存特点,在分析实测应力分布特点的基础上,通过地质动力区划方法建立地质构造模型,采用有限元法反演复杂断层扰动下的构造应力场,计算结果与矿区震源面制分析结果以及原岩应力测量结果取得较好的一致性。计算的高应力区域中心位置位于I级断裂的不连续地带,与地下地震多发地带相对应,说明构造应力是矿区地震的主要成因。研究表明,断裂面的失稳滑动是北票矿区地震的主要机制,构造应力的存在是矿震发生的必要条件,而矿区开采则是发震的诱导因素,北票断裂对区域其他次级断裂及其构造应力区起主导和控制作用,是北票矿区动力现象的动力源。     

工程区地应力场的综合分析法研究

针对如何准确确定工程区地应力场提出了综合分析法,即利用断层力学分析法、原地应力实测和数值模拟综合分析工程区地应力场,以期得到更为全面准确的结论。断层力学分析法可以和原地应力实测相互支持映证,并为数值模拟提供依据,而数值模拟可以帮助深刻理解地质条件对实测数据的影响,同时能很好地展现地应力场的三维分布。文中以位于山东胶东半岛的一个研究实例来展示该方法的有效性。工程区地质构造活动主要受近 EW 晚更新世活动断裂控制,利用断层力学分析法可得该区域三向主应力关系应为 S _H > S_V> S_h ,最大水平主应力的方向应为 N60 º E — N120 º E 。实测结果显示该区域应力状态有利于走滑断层活动,且最大水平主应力方向 N66.6 — 87.6 º W 。依据室内实验数据和工程地质调查结论,构建三维数值模型,模拟分析工程区的应力场,分析得到工程区的应力场三维分布特征,数值模拟结果与原地实测的结果较一致。综合分析数值模拟和工程地质调查结果,原地应力测值受地质构造影响较为明显,数值模拟结论能较好地代表完整岩体区的应力分布状态。     

开挖扰动下高应力岩体的能量演化与应力重分布规律研究

为揭示深部灾害发生机理,探讨各因素对开挖扰动效应的影响机制,利用离散元PFC软件建立不同原岩应力状态及不同开挖断面下的开挖模型。通过显式计算得到不同情形下高应力岩体在开挖扰动中的动能释放曲线,并以曲线峰值及最终稳定值,分别作为评判开挖扰动程度及开挖系统稳定性的能量指标,利用该组指标分析表明在原岩应力接近静水压力状态、采用圆形断面开挖时扰动效应最小;通过进一步分析,得到不同开挖断面及不同原岩应力状态下高应力岩体应力重分布的一般规律,并以开挖卸载的角度重视应力重分布这一过程,最终揭示了原岩应力状态及开挖断面几何形态对应力重分布的影响机制。     

滇中引水工程香炉山隧洞地应力特征及其活动构造响应

滇中引水工程香炉山隧洞埋深大、距离长且处于复杂的构造地质环境中。为查明其地应力分布特征,统计分析了隧洞沿线10个钻孔的水压致裂法地应力测试成果。3个主应力关系主要表现为SH>SV>Sh,反映了隧洞沿线以走滑性质为主的构造特征。工程区浅部地层的应力大小主要受地层岩性与断裂带影响。一方面坚硬岩体的水平主应力明显大于软质岩体;另一方面断裂带的发育致使隧洞沿线的应力水平相对较低,同时断裂带局部区间力学性质的差异导致浅部地层水平主应力呈现出较大离散性。香炉山隧洞最大水平主应力的测试方向主要分布在NNE-NEE向,与隧洞沿线一系列全新世活动断裂走向及区域构造主压应力方向趋于一致,响应了研究区震源机制解特征和楔形块体的运动特征。基于实测应力数据和断层滑动理论,隧洞沿线活动断裂目前处于相对稳定状态,而鹤庆-洱源断裂更为接近断层滑动的临界条件,随着应力的不断积累其稳定性情况值得进一步关注。     

滇中引水工程香炉山隧洞地应力特征及其活动构造响应

滇中引水工程香炉山隧洞埋深大、距离长且处于复杂的构造地质环境中。为查明其地应力分布特征,统计分析了隧洞沿线10个钻孔的水压致裂法地应力测试成果。3个主应力关系主要表现为S_H S_V S_h,反映了隧洞沿线以走滑性质为主的构造特征。工程区浅部地层的应力大小主要受地层岩性与断裂带影响。一方面坚硬岩体的水平主应力明显大于软质岩体;另一方面断裂带的发育致使隧洞沿线的应力水平相对较低,同时断裂带局部区间力学性质的差异导致浅部地层水平主应力呈现出较大离散性。香炉山隧洞最大水平主应力的测试方向主要分布在NNE-NEE向,与隧洞沿线一系列全新世活动断裂走向及区域构造主压应力方向趋于一致,响应了研究区震源机制解特征和楔形块体的运动特征。基于实测应力数据和断层滑动理论,隧洞沿线活动断裂目前处于相对稳定状态,而鹤庆-洱源断裂更为接近断层滑动的临界条件,随着应力的不断积累其稳定性情况值得进一步关注。     

某深埋长隧洞初始应力场研究及岩爆预测分析

应用水压致裂法对陕西省引汉济渭输配水二期工程南干线工程区域岩体初始应力进行测量,得知岩体初始应力呈σ_Hσ_hσ_z的特征。在实测数据的基础上,利用ANSYS数值计算软件对地应力场进行回归反演,得到了工程所在区域地应力场的整体分布情况。基于反演结果,对工程重要部位进行应力插值,获得了相应位置处岩体的初始应力特征。对应力场进一步分析得出,工程所在区域岩体的应力分布规律与地形地势的变化规律趋于一致。最后基于地应力实测数据和反演结果,结合工程区域的岩体特性,运用岩爆判据,对隧洞沿线进行岩爆预测,获得了发生岩爆的几点规律,以期为工程设计和施工提供参考。     

煤矿井下地质构造对地应力分布的影响

采用小孔径水压致裂地应力测量装置,在典型的急倾斜、特厚煤层矿区——甘肃华亭矿区的大型向斜构造附近进行14个测站地应力测量,以分析向斜构造不同部位的地应力变化。实测数据表明:华亭煤矿、砚北煤矿井下构造应力占绝对优势;在向斜翼部,水平应力较小;在向斜轴部,水平应力急剧增加,增加幅度远大于垂直应力;向斜构造对矿区地应力分布产生严重影响。基于山西晋城矿区的地应力实测数据,分析断层对地应力值与方向的影响。断层附近某些区域水平应力有所减小,大型断层会引起最大水平主应力方向的扭转。在实测数据基础上,采用FLAC3D数值计算软件,分析华亭矿区大型向斜构造周围地应力场分布,并与地应力实测数据进行对比。将地应力实测与数值模拟有机结合,是全面了解煤矿井下地应力场分布特征的有效途径。     

断层位置及强度对地下洞室围岩稳定性影响

岩体工程的稳定性主要受岩体结构控制,而断层是岩体工程中最常见的一类规模较大的地质不连续面。断层的力学性质及其与洞室的相对位置关系决定了围岩的稳定状态,通过数值计算及三峡工程地下厂房变形监测分析表明：断层的存在严重恶化了围岩的应力及变形分布,不同断层位置、不同自然应力场条件下围岩的应力及变形特征存在着明显的差异;断层摩擦强度对断层位于顶拱部位时的围岩变形影响较大,而粘聚力对断层位于边墙部位时影响较大,而且这种影响规律随侧压系数的增大而增大。     

采用有限元法对川西北某隧道地应力分析

采用水压致裂法和应力解除法,对川西北某隧道应力进行实测和分析,得到了各测点原岩应力的大小和方向。结果表明,水平主应力为第一主应力,构造应力在测试区域内占优势,区域应力场类型为σ_Hσ_vσ_h型应力场;测试区域开挖影响区内、外最大主应力优势方向为NWW向,可代表测点周边一定范围内岩体地应力状态,为未来该区的工程建设提供一定依据。     

断裂构造对地应力场的影响及其工程意义

通过对大量实测地应力资料的深入分析和对云南丽江地区、川西北氓江上游地区的现场地质调查，结合系统的数值模拟分析，进行了断裂构造对地应力场的影响及其工程意义的研究：（１）系统研究了地应力的形成因素和影响因素，阐明了断裂在地应力场形成中的作用；（２）分别研究了活动断裂和非活动断裂对地应力场的影响：（３）研究了云南丽江地区和川西北岷江上游地区的断裂构造格架、主要断裂的现今活动性及其对应力场的影响；（４）应用离散元法研究了断裂引起附近应力场变化的规律及其机理：（５）通过实例研究阐明了断裂构造对地应力场影响的工程意义．通过上述研究，本文取得了如下进展和新认识： （Ⅰ）重力作用和地质构造运动是形成地应力的两个最基本的因素，地质构造、地形、岩性等则是影响地应力的重要因素，而断裂构造是造成地壳岩体中应力发生复杂变化的主要因素之一． （２）不论是单一活动断裂还是复合活动断裂，均对岩体中的应力场有明显的影响。活动断裂附近的主应力方位和量值均不同程度地发生变化，而这种变化主要限于断裂附近一定距离内。同一条断裂不同段具有不同的应力状态，活动断裂附近的应力是随时间而变化的，特别是在地震活动区。复合活动断裂能造成在断裂复合部位的局部应力集     

非连续断层破裂红外辐射与声发射、应力场的对比研究

应用RFPA^2D程序模拟雁列和共线非连通两种非连续断层的应力场和声发射场，并与相同条件下的热红外辐射成像试验进行对比，分析非连续断层的温度场与应力场及声发射场之间的关系。研究结果表明：数值试验的声发射与实际试验中的热红外辐射温度具有类似的时序变化阶段和空间演化特征。通过对热红外图像与应力场的比较以及对裂纹破裂模式的分析，讨论试件各裂纹表现出的红外辐射特征差异，以进一步了解非连续断层的破裂过程和破裂机制。     

Measurement of local stress and estimation of regional stress associated with stability assessment of an open-pit rock slope

This paper discusses the concept of a new methodology for rock slope stability assessment. Then, results on rock stress measurement using the compact conical-ended borehole overcoring (CCBO) technique at Torigata limestone mine in Japan are presented. A procedure for back analysis of the regional strain and stress field with the 3-D finite element method, using the measured local stress, is suggested and demonstrated successfully in relation to Torigata limestone mine. Finally, to estimate the state of stress at the mine excavation level, 3-D finite element analyses were performed using boundary conditions from the analyzed regional strain and stress field. It is shown that the horizontal stress at the present excavation level is not reduced, and that the horizontal stress component cannot be disregarded in estimating the stability of rock slopes at this location, even though the mine is located near the top of a mountain.     

Optimized back analysis method for stress determination based on identification of local stress measurements and its application

This paper presents an optimization method, including the identification of local stress measurements and a two-stage back analysis, to determine in situ stress under complex conditions. Firstly, the macro-regional distribution characteristics of in situ stress can be interpreted by analyzing regional geological conditions, topography, as well as rock mass failure phenomena. Then, a stereographic projection method (SPM) is used to determine the distribution features of stress tensor on an arbitrary plane. On this basis, some representative measured data, which can reflect the distribution characteristics of in situ stress in the study area can be identified. After that, a first-stage back analysis by finite difference method (FDM) is used to calculate the field stresses from the selected in situ measured data. The obtained boundary stresses are taken to consist of a constant term, a term that varies linearly with depth, and a hyperbolic term. Further, a second-stage back analysis by discrete element method (DEM) is carried out to determine the local field stresses which are significantly affected by discontinuities and excavations. The FDM back analysis results can serve as the initial input stress conditions for DEM analysis, and the optimum stress conditions for DEM analysis will be reasonably obtained by using the uniform design method through the second-stage back analysis. To show the feasibility of the optimized method, it is applied to the Wudongde Hydropower Station to determine in situ stress. Based on local stress measurements by borehole stress relief method using hollow inclusion strain gauges, some representative measured data are selected by SPM. The unknown state of stress in the station is estimated through the first-stage back analysis by FDM. For some local key areas, encountered discontinuities or excavations in the vicinity, the local field stresses are calculated through the second-stage back analysis by DEM. Finally, the results are compared with those elicited from the borehole stress relief method. It is shown that the calculated results by the first-stage back analysis agree well with the measured ones on the whole, but the discrepancy is large in the vicinity of discontinuities as well as excavation disturbance. However, the calculated results by the second-stage back analysis roughly coincide with the measured data with lower allowable error.

     

范各庄矿F0断层滞后突水数值模拟

 开滦矿业集团公司范各庄矿F0断层贯穿该矿整个井田,根据现场条件获取断层带原样物质,并进行断层物质原样和复制样的蠕变力学试验,得到断层物质不同条件下的实验室数据;运用FLAC3D数值计算软件,对范各庄矿F0断层对开采的影响进行流–固耦合模拟和渗流蠕变计算,得到不同时间段采矿活动对断层的影响数据。计算表明,底板岩层垂直位移量在断层附近最大,断层的存在使底板承受较大构造应力,并存在大范围的剪应力区,断层部位的应力集中是造成底板破坏、发生底板突水的关键。模拟结果较好地刻画出承压水对上覆岩层及断层带的影响、开采活动对底板岩层的影响、断层破碎带受开采影响的大小和范围以及承压水影响的时间效应,为矿井安全生产提供可靠的基础数据。     

秦岭北缘某深埋引水隧洞应力场特征研究

岩体初始地应力场是研究地下洞室围岩稳定状况和隧洞选线的重要依据。应用水压致裂法对秦岭北缘某深埋引水隧洞应力进行测定,结果显示隧洞围岩应力等级属于中低～高应力水平,应力量值呈σ_H＞σ_h＞σ_z特征,最大水平主应力方向为近NE向,与区域构造主压应力方位接近一致。基于实测数据,对工程区应力场进行回归反演,并结合区域构造应力对隧道沿线的深埋和浅埋段应力场分布规律进行了研究,以期为引水工程的设计和施工提供参考。     

地应力测试数据甄别综合分析方法研究

 由于当前的地应力测试技术水平和实际工程岩体赋存地质条件的复杂性,地应力测试成果往往存在相当的误差;且地应力实测数据这一基础信息的质量和精度将直接影响地应力场量化模型的可靠性。鉴于此,提出结合工程区域宏观构造地质背景、地应力测试成果解析、工程现场破坏现象力学定性分析等多种手段对地应力测试数据进行科学分析和筛选的综合研究方法。首先,基于工程区域地质构造背景和局部地形地貌等影响因素形成对工程区域地应力场的宏观判断和总体认识;然后,采用全空间赤平投影方法和典型特征平面投影应力解析对地应力测点应力张量特征进行全面的量化分析,并与前期勘探平硐出现的破坏现象的力学定性分析成果进行对比研究和印证,从而对地应力测试结果的代表性和可靠性进行科学的甄别,筛选出能够从宏观上体现工程区域地应力场分布特征的测点进行初始应力场回归分析。采用上述研究思路对西南深切河谷地区一大型水电站坝址区地应力场分布特征进行分析,利用建立的初始应力场数值量化模型模拟实际施工过程预测的应力集中部位,与工程岩体实际发生的应力诱导型破坏部位有较好的一致性。     

基于单元重构的岩土工程复杂地质断层建模方法

 针对岩土工程数值分析中地质断层建模困难的问题,提出基于单元重构的岩土工程复杂地质断层建模方法。该方法首先对分析对象进行独立离散,建立不考虑地质断层的模型。再通过单元重构,可将地质断层嵌入已建模型,实现复杂地质断层的自动建模。所谓单元重构,是首先使用八节点六面体单元,建立不考虑断层的分析模型,再借助四节点四面体,五节点四棱锥和六节点三棱柱等单元形态,对地质断层穿过的网格进行处理,重构为由多种单元形态构成的模型。然后结合岩土工程断层建模实例,将该方法应用于复杂地下岔管、重力坝坝肩和坝基以及大型地下洞室群的断层建模,可证明其有效性。进一步以大型地下洞室群为例,将考虑地质断层的洞室群模型导入通用软件,采用实体单元模拟地质断层进行开挖计算,并与不考虑断层的情形对比分析发现,考虑地质断层后,围岩位移和应力分布都呈现出不连续性,被断层切割部位的围岩变形增大,应力出现松弛。这表明含有地质断层的重构模型可以用于数值计算,且能有效反映出地质断层对洞室围岩稳定的影响,从而可证明该建模方法的可靠性,为岩土工程的复杂地质断层建模提供便捷的实现途径。