高应力条件下错动带加卸荷力学特性试验研究

 针对白鹤滩地下厂房开挖过程中所揭露的力学响应行为十分复杂的错动带,为研究其在高应力条件下的加卸荷力学特性,开展一系列不同应力水平和应力路径下的不排水三轴常规加、卸荷试验。研究结果表明：(1) 卸荷过程中,错动带卸荷应力–应变曲线特征与初始围压相关性很大,错动带向卸荷方向回弹变形显著,从卸围压开始即表现出强烈的剪胀现象;卸轴压卸围压方案比增轴压卸围压方案的侧向扩展变形表现更为显著;且在试样表面都出现了张/张剪裂纹。(2) 卸荷应力路径下,错动带变形模量劣化效应十分明显,随围压的减小而逐渐降低,基本呈三次多项式递减;体积模量随体积应变的增加而减小,整体呈负指数形式降低;泊松比则随体积应变逐渐增加,整体呈近似抛物线形式递增。(3) 相同初始围压条件下,相较于加荷条件,卸荷条件下错动带的破坏应力有所降低,内摩擦角明显增大,而黏聚力则明显降低;卸轴压卸围压方案下的破坏应力劣化更显著。试验所采用的应力水平和应力路径基本涵盖和反映了错动带在洞室开挖过程中所经历的复杂的应力重分布过程,具有一定的代表性,地下厂房开挖后高边墙错动带黏聚力和内摩擦角取值基本可参考卸轴压卸围压应力路径下天然含水率错动带的试验结果,为后续进一步讨论错动带强度特征并建立错动带本构模型提供了有效依据。     

赞比亚卡邦波水电站地应力场研究与分析

为了解赞比亚卡邦波水电站工程区的初始地应力场分布规律,通过水压致裂地应力测试与地应力实测数据分析,并基于有限元进行三维数值模拟与计算,对左右岸厂房区域地应力场进行了一定的识别与研究。可得:水平应力是地应力场中的主要影响因素;通过有限元三维模拟,将回归值与实测值进行对比,总体变化趋势基本一致;对左右岸厂房进行剖面插值,剖面等值线图均体现了应力值随深度增加而增大的特征,除了断层附近的应力等值线受其影响外,厂房区地应力分布规律良好。     

X型正断层地应力分布规律影响因素分析

通过使用RFPA(Rock Failure Process Analysis System)二维模拟软件,分别研究了断层相交角度θ、破碎带宽度、关键层强度、破碎带强度、埋深5个参数对X型正断层交汇处垂直和水平方向应力场分布的影响。研究表明,这些因素在不同范围内,都对断层交汇处地应力场的分布有不同程度的影响,且这些因素对垂直和水平两个方向的主应力影响程度并不是完全一致的。相交角度不同时,垂直应力可能表现为应力集中或应力降低,而水平应力只表现为应力降低;破碎带宽度不同时,垂直应力只表现为应力集中,而水平应力可能表现为应力集中或应力降低;破碎带强度越小对垂直应力的影响越大,而对水平应力的影响则呈线性关系;埋深较浅对垂直应力的影响较大,而随着埋深增加,埋深对水平应力的影响不变;关键层强度对垂直和水平方向应力的影响程度却极为相似。     

基岩断层错动对心墙堆石坝的影响研究

用三维有限元法模拟木格措水电站心墙堆石坝坝址处基岩中的断层错动，分析断层错动对坝体尤其是坝体的防渗系统（包括土质心墙和混凝土防渗墙）的影响。计算模拟中，假定断层错动50cm，错动方向可以是竖直方向，也可以是水平方向。同时，将断层错动情况下的坝体应力变形性状与断层没有错动的情况进行对比分析。计算结果表明：坝基70m厚的覆盖层有明显的缓冲作用，可减轻断层错动变形向坝体的传递。断层错动后，上质心墙的应力水平略有提高，但大多提高0．4～0．6MPa。断层错动50cm对坝体包括坝壳和土质心墙本身不构成威胁，但将导致断层附近的混凝土防渗墙局部破坏。因此，防渗系统是否失效还需进行相关的渗流及渗透变形研究。     

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。     

逆断层附近非均匀应力场声发射测试与巷道稳定性数值分析

由于断层带附近应力集中和围岩破碎严重给巷道断面布设和维护带来巨大安全隐患,需及时掌握断层附近地应力分布和围岩破裂形式及其对周边巷道稳定性影响。选取淮南某矿逆断层上、下盘进行试验,利用MTS试验系统配合声发射测试初始地应力场和岩石破裂方式,经ANSYS对比分析不同应力条件下逆断层附近巷道稳定性。经岩石力学试验发现,砂岩破坏后尺度较小、AE事件数较多,泥岩破坏后尺度较大、AE事件数较少。由地应力实测可知,逆断层附近以构造应力为主,上盘岩层挤压使得下盘总体受力偏大。开挖后巷道周边次生应力在一定范围内出现了应力跌落区,跌落区范围和围岩裂隙发育范围接近。同时,伴随着应力跌落的范围扩大、初始应力减小,岩层开始移动剧烈和围岩破裂范围扩大。由围岩塑性分布和岩层移动可知,调整后主应力有助于提高巷道稳定性。以上研究结果,以期为复杂埋藏环境下矿山巷道的布设和支护问题,提供一定的施工技术依据。     

胶东半岛现今地应力特征与分布预测

现今地应力对区域地质稳定性分析、油气资源勘探开发以及矿床开采等方面具有重要意义。本研究在前人实测地应力数据的约束下,分析现今地应力与深度关系,构建有限元数值模型,揭示现今地应力分布规律及应力机制,结果表明：（1）胶州半岛现今地应力方向具有WNW-ESE优势方位,三轴主应力均为挤压应力,呈现S_Hmax>S_v>S_hmin大小关系,表明现今地应力为走滑型应力机制,侧压系数为0.92~1.70,反映以水平应力为主导的现今地应力状态。（2）胶东半岛内隆起区的现今地应力值相对较高,断层带和盆地区地应力值较低,其主要受岩性、断层等差异发育分布控制。（3）胶东半岛现今地应力状态受太平洋板块、欧亚板块以及菲律宾板块之间相互作用控制,应力具地表值小、梯度大的特点,近地表水平构造作用较弱。研究结果可为胶东半岛地质稳定评价、矿区安全建设与开采提供地质参考。     

深部岩体地应力场分异特性研究

以华北平原某深部资源勘探工程为背景,根据井工设施、开采及地面工业场地设计要求,在断层附近不同位置布置勘测钻孔,进行超千米深部岩体水压致裂法地应力测量,通过对断层附近6个钻孔的试验与分析,揭示断层附近地应力场的分异特性及其变化规律。研究表明,断层附近的最大水平主应力σ_H∈[26.35 MPa,55.47 MPa],应力集中系数为1.05～1.44;σ_H/σ_h∈[1.22,1.65],平均为1.56,σ_H/σ_h比值与远场应力的相当;σ_H/σ_h∈[5.90,22.80],平均为16.42,高于远场应力的差值。在断层附近应力方向将发生偏转,范围为0.60°～30.83°,平均偏转24.2°。地应力在断层之间、断层的交汇处及断层下盘发生显著的变化,表现为应力集中、水平主应力差值增大、方向重大偏转及百米地应力增量增大,且位置不同,地应力存在明显的分异性。     

罗湖断裂带地应力场三维有限元模拟分析

罗湖断裂带位于深圳—五华断裂带的南西段,由13条NE向断层和6条NW向断层组成,断裂分布密集。该断裂带位于深圳市区,周围高楼林立,其中的F8断裂被证实为活断层并于1994年曾有过异常活动,因而对于该断裂带的构造活动性进行研究意义重大。在对罗湖断裂带地质特征研究的基础上,建立起三维地质模型,采用弹塑性有限元法对断裂带地应力场进行数值模拟。根据模拟结果,分析罗湖断裂带地应力的分布特征、断层存在对地应力场的影响,并在此基础上对断裂带的构造稳定性进行分析。研究表明,断裂带的存在对地应力大小、方向、连续性、应力集中程度有明显影响;局部位置存在塑性破坏区,构造稳定性稍差,存在进一步活动的趋势,尤以F8,F9断裂北西段为甚。由于塑性破坏的发生会导致应力某种程度的释放,从而使应力集中程度较低,断层的活动将以蠕滑方式为主,不足以形成中强地震。     

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。     

城市浅埋隧道施工过程变形规律

城市浅埋隧道的施工会扰动周围的土体,形成地面不均匀沉降和塌陷,特别是城市浅埋隧道的施工路径对由于隧道开挖所产生的沉降与塌陷具有明显的影响,干扰隧道上方的地面交通、建筑等。使用数值方法模拟不同隧道开挖顺序,研究其施工路径对地层变形的影响规律,有着十分积极重要的意义。以武汉某隧道为研究对象,应用ANSYS有限元分析程序,对不同施工开挖顺序所产生的土体扰动变形规律进行了分析。得出了一些有益的结论并提出了有益的建议。     

秦岭造山带实测浅层地应力特征研究

秦岭造山带基本呈东西走向,由于经历了长期的构造运动、岩浆活动和变质作用,形成了“三块两缝合带”的构造格局。整体来说,区域内断裂构造发育,岩性复杂,构造应力高且以水平应力为主。在秦岭地区,我国已陆续建成了宝成铁路、西康铁路、秦岭公路等一系列交通工程,但由于受复杂构造、地应力及岩性的影响,隧道建设过程中遇到如收敛变形量大、变形不易控制等诸多难题。为详细研究秦岭地区浅层地应力分布特征,通过收集秦岭造山带自西向东区域内29个钻孔的地应力实测资料,筛选出受局部影响较小的101组数据作为统计样本进行分析,分析了秦岭地区最大水平主应力、最小水平主应力以及侧压系数随埋深分布特征,并验证了构造应力方向以NNE,NNW为主,反映了顺时针NE-SW和逆时针NW-SE的构造方向特征。     

断层错动引发基岩上覆土层破裂过程模拟

 利用有限元方法对断层基岩错动引发上覆土层破裂过程进行数值模拟,展示场地土层破裂形成和扩展特征,以及场地地表出现破裂并不一定形成土层贯通破裂的地震现象。研究表明,土层破裂始于土层与基岩的交界面并向上扩展,而随着断层基岩错动量的增加,场地地表出现破裂(单个或两个)并向下扩展,在断层基岩错动量达到一定值时上下扩展的破裂在土层某一深度位置相连形成土层贯通破裂;不同的断层基岩错动量和覆盖土层条件将导致隐覆破裂、非贯通地表破裂和贯通破裂3类不同的场地地震破裂现象。研究进一步揭示土层厚度和特性对土层破裂特征的影响。当出现地表破裂时,土层越厚破裂带的宽度越大,砂土形成的破裂带宽度小于黏土;土层越硬,越易于形成贯通破裂;土层厚度和土质特性对土层破裂的破裂角影响不明显;对于逆冲断层,地表土层初始破裂出现所需的基岩位错量约为贯通破裂位错量的80%或更小,50 m以内的覆盖土层产生贯通破裂的基岩位错垂直量小于上覆土层厚度的5%。     

隧道岩体赋存地质特征及开挖过程描述

隧道开挖改变了围岩的原始地质环境（如原始地应力场,渗流场,温度场等）,为保持围岩的稳定性及工作环境要求,须采取适当的支护与防渗措施。作者从岩土体的赋存地质特征出发,给出了描述隧道开挖过程中力学与水力特征及表征方法。进行了隧道开挖卸荷的有限元模拟计算,讨论了开挖方法对围岩扰动带的影响。研究结果有助于合理地建立隧道开挖问题的流固耦合模型及指导隧道的设计与施工。     

落地墙厚度对框支剪力墙结构抗震性能的影响研究

高层框支剪力墙结构中,结构的抗侧刚度往往在转换层附近发生突变,易引起应力集中,对结构抗震不利。为提高结构的抗震性能,通常将部分剪力墙贯通落地,落地墙厚度的变化对结构的抗震性能有着重要影响。以某商住楼为例,计算分析不同落地剪力墙厚度时相应结构的地震反应,探讨参数变化对转换楼层附近地震剪力发生突变的影响。分析结果表明:落地墙厚度对转换层下部框支结构的等效侧向刚度影响显著,对整体抗侧刚度影响有限,剪力突变在一定程度上得到改善。     

龙羊峡坝区三维地应力场及其断裂带机制分析

本文根据龙羊峡水电站坝区少数浅层测值,在断裂构造十分发育的地质条件下反演出的三维初始地应力场,经原型观测资料验证,成果合理。首次分析研究了各类断裂带的地应力特征和力学效应问题,得出了相应的结论,提出了有关的判别准则。     

软土路基侧向变形测试分析与限制研究

分析了用测斜仪测量软土路基侧向变形存在的问题，考虑软土层顶部硬壳层对测斜管的约束作用及测斜管管材与软土刚度的差异等影响因素，初步探讨了测斜管与软土体相互作用的力学机理及位移计算方法。结合工程简例，提出了定量研究各种软基加固方法限制软土体侧向变形的必要性。     

基于随机有限断层法的坝址地震动参数#br# 综合评价方法

对于受多条发震构造影响的大坝场址,合理估计坝址地震动输入是实现近场地震作用下不溃坝目标的前提条件。文章主要目标是对地震地质环境复杂的场址建立适合于工程应用的地震动参数评价方法。首先对随机有限断层法模拟近场大震的适用性进行分析,结果表明该方法不仅可以描述断层破裂源,考虑地震波路径、场地衰减等因素,而且计算效率高,能够解决地震动模拟中复杂震源设置与计算效率的问题,可用于大坝场址地震动参数估计;然后基于对随机有限断层法参数的不确定性分析,建立一套能够考虑多个发震构造对坝址影响的地震动参数综合评价体系,包括设置震源、路径及场地条件参数的取值范围及水平、设计多方案(多权重)地震动模拟方案、各参数取值的权重系数计算原则与方法;最后获得能够表征不同地震危险性的参数估计方法。该文建立的方法能够考虑坝址发震构造的复杂性,给出多层次、多风险水平的评价结果,为近场大震作用下大坝抗震安全评价提供合理的地震动参数。     

龙门山断裂带西南段现今地应力状态与地震危险性分析

 为了解汶川地震后龙门山断裂西南段现今地应力环境与地震发展趋势,对比分析2003,2008和2010年在宝兴、康定地区4个钻孔的水压致裂应力测量资料,初步揭示汶川地震后断裂西南段现今地应力环境与地震危险性。研究结果表明：龙门山断裂西南段,尤其是康定地区,地震后仍然积累有较高的地应力,震后应力调整以积累为主;龙门山断裂西南端的最大水平主应力已经达到断层活动应力临界下限值,断裂活动进入临界状态,未来具有发生逆断层活动的可能性;结合地应力测量结果、地震地质等资料认为,龙门山断裂西南端具有潜在大震危险性,值得重点关注和研究。研究成果对于龙门山西南段断裂活动性分析、地应力长期监测以及防灾减灾有重要意义。