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     

高拱坝坝址区初始地应力场的二次计算

 建立小湾水电站坝址区大范围有限元模型,考虑工程附近较大区域内的地形、地势和河流大转弯等因素,采用遗传算法与有限单元法相结合的联合反演方法,对坝址区初始地应力场进行一次反演;然后,考虑坝址区附近主要地质构造,建立坝基开挖松弛效应分析的小范围有限元模型,基于子模型方法,通过在一次反演模型中插值获得小范围模型的位移边界条件,对初始地应力场进行二次计算。研究结果表明：软弱地质构造对初始地应力场的反演有一定影响,一次反演中不连续结构面附近应力计算值与实测值相差较大;考虑软弱地质构造后的二次计算改善了一次反演所得的初始地应力场精度,大部分测点应力计算值更接近实测值,相对误差也逐渐减小,可将其应用于后续坝基开挖松弛效应分析中;反演结果同时也表明所采用的研究方法是可行的,对类似工程具有参考意义。     

重复压裂造缝机理研究

从岩石破坏基本机制入手,研究重复压裂造缝机理。通过分析目的井层天然裂缝分布特征、地应力场和岩石力学特征以及射孔完井工艺、开采因素、压裂工艺等对于重复压裂造缝的影响,给出了具有天然裂缝低渗透储层重复压裂造新缝的理论判据。以安塞油田王窑区块为例,进行了具体实例分析。结果表明,裂缝转向并不等同于地应力场转向,即便地应力场不发生变化,也可通过采取其他合适的压裂措施或工艺来实现裂缝转向。     

含煤岩系岩石力学性质控制因素探讨

基于含煤岩系主要岩石类型，系统分析了决定岩石力学性质的主要控制因素如岩性、地应力和水，探讨了不同岩性岩石在不同侧压和不同含水条件下的力学特征，分别建立了含煤岩系岩石力学性质与岩性、地应力和水等主要控制因素之间的定量关系。研究表明，含煤岩系岩性随着碎屑颗粒粒度由粗到细，即由砂岩到泥岩变化。碎屑岩的强度与刚度均迅速衰减。岩石的变形和强度以及破坏机制与其所承受的有效侧压大小有关，表现为不同岩性岩石的刚度和强度均随侧压的增大而增大，呈非线性关系，其应变软化性态和破坏机制也均随侧压的增大而发生转化。水对岩石力学性质亦产生重要影响，在干燥或较少含水量情况下，岩石在峰值强度后表现为脆性和剪切破坏，应力-应变曲线具有明显的应变软化特性；随着含水量的增加，岩石单轴抗压强度和弹性模量值均急剧降低，主要表现为塑性破坏，且应变软化特性不明显。     

复杂地质条件下坝区初始地应力场二次反演分析

为准确获得南水北调西线工程加塔坝区初始地应力分布规律,提出综合反映工程区复杂地质条件及地层剥蚀过程的地应力场二次反演方法。首先,主要考虑工程附近大区域内的地形地貌、断层褶皱及河谷的发育演化史等因素,建立坝区大尺度计算模型,采用遗传神经网络法及FLAC3D计算程序对坝区初始地应力场进行一次反演;然后,考虑坝区附近主要地质构造,建立小尺度精细模型,通过从一次反演中提取小范围模型边界上的应力值进行拟合,初步获得精细模型的非线性边界条件,并采用遗传神经网络法对边界参数进行优化,对初始地应力场进行二次反演。研究结果表明:一次反演计算获得的初始地应力场在局部构造附近与实测值相差较大;二次反演考虑局部地质构造的影响,同时结合一次反演的计算成果,各测点的应力计算值与实测值吻合更好,所提出的反演方法可为类似工程的研究提供借鉴。     

中国大陆中东部Ms≥8.0级特大地震发震背景初步分析

 从构造地貌、地质体特征及其物理力学性质、现今GPS位移场、活动断裂与现代构造应力场和能量场等方面探讨中国大陆中东部部分Ms≥8.0级特大地震发震背景。初步认为,地震是地壳局部或区域活动的表现,诱发地震的主因来自地球内部地应力、能量聚集和瞬间释放;发生地震的部位一般是地壳构造活动带或地壳结构的薄弱带,诸如活动断裂带等;活动断裂在发展演化过程中,当其穿过构造地貌、刚性结晶基底等特殊地质环境时,其活动受阻,引起地应力和能量集中。当地应力和能量积累超过岩体(石)强度,导致岩体(石)破裂,诱发地震;活动构造、地质体特征及其物理力学性质是地震发生的必要条件,地应力和能量集中是地震发生的充分条件。最后,提出中国大陆中东部中长期需重点关注的区带及工作建议。     

由实钻资料反演地应力及井壁稳定

 目前确定石油工程中地应力的方法均存在各自的局限性,为了得到直接反应地应力大小和方向的信息,提出一种基于实钻资料确定地应力的新方法,不将井眼看作理想的圆筒,而是通过力学分析建立井壁围岩的变形程度与岩石物理力学性质、地应力、孔隙压力及钻井液密度的关系,在此基础上由钻井液录井和常规测井,反演出地应力及孔隙压力,并进一步计算井壁坍塌和破裂压力。研究发现,破裂压力计算值与实测值符合较好,而反演得到的孔隙压力与实用钻井液密度符合,说明该方法合理可行。若结合随钻测量,该方法可实现地应力及井壁稳定的实时预测,应用前景广阔。     

甘肃北山预选区岩体力学与渗流特性研究

通过现场管理调查、地应力及高压压水试验及室内岩石力学试验，研究了甘肃北山预选区岩体力学和渗流特征。研究结果表明：甘肃北山岩体节理以陡倾角的剪节理为主，节理倾向分布可用正态函数进行有效地拟合，而开度分布可用负指数函数进行拟合。甘肃北山岩均具有高密度，低含水量，低吸水率和低孔隙率的特性，岩石致富，但浅部岩石均匀性较高；英云闪长岩岩性不均匀，而300m以下似斑状二长花岗岩的岩石均匀较好，其单轴抗压强度和弹性模量较高，该区最大水平主应力为17.52MPa，而最小水平应力为11.12MPa，属中等应力区；岩体的渗透系数为10^-7-10^-5cm/s，属低渗透性岩体。为此，编制了渗透张量计量和节理三维模拟程序，可较好地反映岩体的渗透性质和节理的三维分布。     

深切河谷区水电站厂址初始应力场规律研究及对地下厂房布置的思考

针对深切河谷高地应力区水电站厂址区域初始地应力张量空间分布特征及其与洞室群布置相对关系识别问题,结合河谷历史发展过程分析、应力张量空间解析法和多核并行计算技术等,将复杂地质环境下三维地应力场模型与洞室群精细开挖计算模型相耦合,提出考虑河谷演化规律的厂址区域地应力场量化精细数值模型的建立方法和分析思路,识别锦屏一级水电站厂址区初始应力场分布规律并进行现场验证,结果表明：锦屏一级地下厂房洞室群位于深切河谷附近应力变化较大且应力水平相对较高的应力过渡区,由此形成初始高地应力环境,且主应力比为1.9～2.5,岩石强度应力比为1.5～3.0;在这种高地应力-低强度应力比且高主应力比共同作用下,地下厂房洞室群施工期围岩出现的变形破坏规律及卸荷松弛深度超过同等规模的地下厂房工程,而现场围岩应力诱导型变形破坏的发生位置和分布规律,则佐证了所获得的厂址初始应力场的合理性,同时也验证了地应力场量化模型建立方法的科学性和可行性。在此基础上,建立一种考虑三维地应力、岩石强度应力比和岩体结构特征的高地应力区地下厂房洞室群结构布置设计方法,其本质上体现洞室荷载特征(三维地应力,包括最大主应力量值和方位,而且还考虑地应力场分布、主应力比等)、围岩结构特征及承载能力(岩石强度)等因素的协同耦合作用,并从定性角度建议确定主洞室位置、纵轴线、间距和洞型等一些原则和思路。     

岩石声发射Kaiser效应测试玄武岩地应力应用

在减少对岩体的影响因素后,运用岩石的Kaiser效应,以弹性力学理论推导了地应力公式,由该公式可知试样3个主应力的大小、方向,且主应力随深度有增加的趋势,以促进岩石地应力的研究。     

2种岩石直接拉压作用下的力学性能试验研究

 利用Instron1342液压伺服机对2种典型硬岩和软岩试样进行单轴试验,包括单轴压缩试验和直接拉伸试验,研究这两种岩石在直接拉压作用下的力学性能,对比2种岩石的单轴抗压强度和单轴拉伸强度。试验过程中监测岩石试样的轴向应变和水平应变,并记录岩石试样的声发射特征,得到2种岩石在单轴拉压下的应力–应变曲线和声发射计数率曲线,对比2种岩石在单轴拉压下的声发射变化规律。试验发现,直接拉伸下2种岩石在加载初期较大范围内基本无声发射事件发生,直到破坏前声发射事件数才突然增大。讨论2种岩石在不同加载模式下的弹性模量和泊松比变化关系,发现单轴压缩下,硬岩的弹性模量随载荷变化先增大而后趋于稳定,当载荷超过单轴抗压强度的80%时又变小;而单轴拉伸下,硬岩的弹性模量初始较大,随后随着载荷增大而逐渐减小。单轴压缩下2种岩石的泊松比为0.2～0.3,而单轴拉伸下岩石的泊松比很小,几乎可以忽略。比较2种岩石的破坏角、内摩擦角以及黏聚力,讨论2种岩石在直接拉压作用下的不同破坏模式。利用三维表面形貌扫描仪对直接拉伸试样的破坏断面进行三维扫描,得到破坏面细观结构图和裂纹面表面粗糙度曲线。     

花岗岩经历不同高温后纵波波速分析

对25块花岗岩试件在经历不同高温前后测试出其纵波波速并由测得的纵波波速计算出花岗岩的动力弹性模量，同时应用力学的常规压缩方法直接测试计算了岩石的静力弹性模量，分析了经历不同高温后花岗岩纵波波速和弹性模量的变化规律。测试结果表明，经历高温后花岗岩的纵波波速有不同程度的减少，而且随加热温度的升高，减少的幅度增大。另外，动力弹性模量的变化幅度要远大于静力弹性模量的变化幅度，这说明经历高温后岩石纵波波速的变化比力学性质的变化更剧烈。     

无填充裂隙岩体水流–传热模型实验研究

 裂隙岩体内的水流–传热特征是评价高放射核废物处置库安全运行的重要组成部分。选取中国高放射核废物地下处置库重点预选场区–甘肃北山地区的花岗岩,加工组合成尺寸为150.25 cm×90.4 cm×30 cm(高度×宽度×厚度)的规则裂隙岩体模型,进行室内实验,研究热源温度和裂隙水流速对多裂隙岩体内水流–传热过程的影响。模型由18块花岗岩组成,包含开度不同的2条水平和2条垂直裂隙,在模型一侧设置电热板并在裂隙以及岩石内部布置温度和压力传感器。实验结果表明：(1) 由于热源和垂直裂隙之间的距离,岩石热传导和裂隙水流动约在实验开始一小时后耦合;(2) 在水平裂隙与垂直裂隙的交汇处存在局部热对流,使垂直裂隙水的温度在该处明显升高;(3) 热源温度越高,裂隙水流速越低,系统温度场达到稳定的时间越长,热源的影响距离越远;(4) 邻近热源侧的垂直裂隙对整个温度场的分布起控制作用,水平裂隙会增加热源的影响距离;(5) 实验中裂隙水温度低于100 ℃,热源温度变化对裂隙水压力变化的影响很小。     

岩石应力的电学效应及其断裂演化规律

研究岩石离子导电基本规律和脉冲非极化电流测试方法,得出岩石电阻变化率与有效孔隙度变化率之间的理论关系;采用力学与电学参数结合的方法,研究压缩应力对含氯化钠溶液石灰岩、砂岩产生的电学效应,取得完整的应力–应变曲线和相应电阻–应变曲线试验数据。试验结果表明:岩石内部裂隙的变化将引起相应的岩石电阻改变;所有电阻–应变曲线上都存在一个岩石电阻最小值,并对应于岩石开裂应力;岩石断裂过程中,应力–应变曲线与电阻–应变曲线的变化规律具有明确的反对称性。岩石电阻变化能够明确表达压缩过程中复杂断裂的演化特性,提出并验证岩石断裂规律的状态方程。     

裂隙岩样力学特性细观数值试验方法探讨

 节理裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题。物理模型试验由于制样难、耗资大、结果有限,研究者难以利用其开展系统深入的研究。提出以典型的物理模型试验结果标定数值模型,再利用标定后的数值模型开展系统数值试验研究的思路,既可充分发挥物理模型试验接近实际情况的优势,又可充分利用数值模型试验建模快、成本低等优点。同时,还对数值试验模型的建立、数值试验的定性与定量、数值试验模型的改进、数值试验模型的标定等方面进行了讨论。最后,利用标定、修正后的数值模型试验研究了侧压、裂纹面摩擦因数等在物理模型试验中难以实现的因素对含两条共面裂纹岩样的应力场、强度和宏观破坏模式的影响范围规律。     

非均匀岩石破裂过程渗透率演化规律研究

应用自主开发的数值模拟系统，通过数值试验，很好地描述了岩石破坏损伤演化过程中渗流场变化规律，包括岩石在应力．应变曲线不同阶段的渗透率演化规律、非均匀性对渗流场分布和渗透率的影响。结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及其破裂机制的影响十分明显。     

孔径变形法测试地应力弹性模量参数选取分析

 随着大型水电工程和地下空间工程建设的发展,势必会加大研究岩体的应力测量技术及应力对工程岩体、工程建设的影响。以黄登水电站坝区岩体地应力测量为背景,通过岩芯围压试验、室内岩块压缩变形试验等方法测试弹性模量,其测试成果在各种试验中有很大的不同,因此采用岩石损伤力学、高围压下岩体特性等理论对该现象进行分析;同时,根据卸荷岩体特性对地应力测试中应力解除过程进行分析,确定扩容对地应力测试的影响。研究结果表明,随着围压的增加,岩体弹性模量可能出现正增长关系,主要原因是岩体裂隙的压紧导致结构的致密;岩体在卸荷的情况下会出现一定程度的扩容;同时,机械振动势必也加大扩容对于变形的影响。考虑上述因素,提出黄登水电站地应力测试中弹性模量的选取原则,该方法可为类似工程提供一定的参考价值。     

基于莫尔–库仑准则的岩石峰后应变软化力学行为研究

 岩石类材料的应力–应变曲线关系分为峰值前区和峰值后区2个部分。在岩石应力–应变曲线峰前部分,一般将岩石视为弹性体,在此阶段采用线弹性本构关系;而在峰后部分,由于不能确定岩石的破坏形态和应力的跌落方式,其力学行为难以用经典理论来描述,因此确定岩石峰后模量的变化是研究岩石峰后力学行为的关键。基于莫尔–库仑强度准则,以内摩擦角?作为中间变量,通过理论推导,将峰后弹性模量 表征为应变 的函数,建立峰后岩体力学非线性应力–应变关系。通过数值算例得到大理岩在不同围压下的全应力–应变曲线,其数值计算结果与试验结果吻合较好,表明所提出的非线性本构模型是正确合理的,同时也表明该模型可以较好的描述不同围压下大理岩的峰后力学行为。     

岩石非线性细观响应中温度 对岩石力学性能的影响

 对饱和岩石随温度变化情况进行实验研究，其结果显示：饱和岩石随温度升高，模量、波速减小；随温度继续升高，模量、波速又随温度升高而增大。这一规律是热激活弛豫波动理论模型的佐证。将这一温度效应引入隐含内力的细观PM(Preisach-Mayergoyz)模型中，则模型中的模量Ki变为与温度相关的函数Ki(T)。温度T的变化同样会引起PM空间中滞回细观单元(HMU)特征长度和PM空间HMU密度分布的变化，从而引起宏观模量的变化，为此建立温度对PM空间非经典单元(NCU)密度影响的函数关系。在此基础上进行温度效应的细观研究，且对循环加载滞回圈的温度效应进行模拟，取得滞回圈随温度升高向应变增大方向移动，滞回圈模量降低，随温度继续升高，滞回圈又随温度升高朝低应变方向移动，模量增大。这一细观模拟结果与国内外相关实验结果是一致的。     

裂隙岩体渗流与三维应力耦合的理论与实验研究

围绕裂隙岩体渗流与应力之间的关系问题,从理论出发,经过合理的建模和严密的推演,得出裂隙岩体渗流与三维应力的耦合方程。该方程经过了大量的三轴实验数据的验证,解决了裂隙岩体受到的侧向应力对其渗流是否有影响这一岩石力学学科中争议很大的问题。指出了裂隙侧向应力引起的裂隙侧向变形是影响裂隙岩体渗流的主要因素,其影响符合负指数规律。同时,还分析了裂隙组的渗流问题。