正断层错动诱发上覆黏土中隧道变形破坏数值模拟研究

针对隐伏正断层活动引发上覆黏土中的隧道位错破坏研究相对不足,基于不排水条件的总应力分析方法,展开隧道破坏的有限元计算。数值计算结果与试验数据表明,正断层错动影响下,上覆黏土变形由下盘一侧向上盘一侧可划分为静止区、剪切区和刚体位移区。上覆土体中产生的不均匀沉降区域随埋深逐渐减小,使得地下结构物的影响范围随埋深而减小,但破坏程度则逐渐增加。当隧道与周边土体可近似为绑定接触时,基岩断层投影附近区域以受弯变形破坏为主,而远离基岩断层投影的两侧区域则呈现受拉破坏。隧道拱顶衬砌在基岩下盘一侧受拉,在基岩上盘一侧则为受压。拱底与拱顶的轴向应变分量呈反对称分布。     

正断层与逆断层错动引起的上覆黏土变形特性离心试验

采用土工离心机试验,研究正断层和逆断层错动引起上覆饱和黏土层在20步连续断层错动作用下的变形特性以及裂缝扩展的规律。研究结果显示,正断层错动后地表呈现多条且平行断层面的张拉裂缝,随着错动量的增大,正断层破裂逐渐偏离基岩断层的错动方向,偏向上盘一侧,裂缝逐渐向上盘的方向开裂,裂缝主要发生在断层延长线附近;逆断层错动后地表裂缝均分布在上盘,而且离断层尖端延长线较远,产生的裂缝较细、数量较少,随着断层错动量的增大,地表位移增大,靠近断层下盘一侧的地表受断层错动影响较小,位于断层上盘一侧的地表则随着断层错动显著移动;随着断层错动量的增大,最大地表坡度随之增大,正断层引起的最大坡度的位置逐渐向上盘方向移动,逆断层引起的最大坡度的位置逐渐向下盘方向移动,逆断层的影响范围比正断层的影响范围更广。     

隐伏活动正断层地区地下建筑的避让问题:以渭河断裂咸阳段为例

活断层对城市建设的影响长期以来受到科研人员与城市建设者的重视。活断层避让距离的确定直接影响活动断裂地区建筑物的选址。伴随着中国地下空间开发进入快速发展阶段,活动断裂地区的地下建筑选址问题应运而生。以隐伏活动正断层为例,综合考虑地下建筑震害影响、隐伏活动正断层地区地质背景、断裂活动性以及发震破坏特征,对活断层地区地下建筑的避让问题开展研究。研究表明：地下建筑受活断层发震的影响比地面建筑小,但断裂发震的影响依然需要重视;隐伏正断层破坏范围受多方面的影响因素控制,地下建筑避让距离的划定需以断层变形带的边界为起点进行;结合渭河断裂咸阳段的地质背景与断裂活动特点,确定断层上、下盘的避让距离分别为30 m和15 m,得出渭河断裂咸阳段地下30 m以浅限建带的宽度为140 m。     

正断层黏滑错动对地铁隧道结构影响的模型试验研究

以乌鲁木齐市轨道交通1号线地铁区间隧道穿越九家湾断层为工程依托,开展地铁隧道分段式衬砌结构穿越倾角60°正断层的大型剪切错动模型试验,对断层错动模拟过程中的隧道结构变形、应变分布特征、围岩压力、开裂形态等关键力学特征进行监测分析,获得了正断层黏滑错动下的隧道结构响应规律。研究结果表明:(1)正断层黏滑错动影响下,断层面处的隧道拱脚处于压剪状态,断层面附近的上盘仰拱及下盘拱顶处于纵断面内的受拉状态,断层面两侧较大范围内的隧道仰拱内侧及墙脚外侧处于横断面内的大偏心受力状态;(2)断层错动后,隧道开裂破坏形态主要包括斜裂缝、纵向裂缝及环向裂缝;(3)正断层黏滑错动达到7.0cm(相当于实际错动量1.75m)后,上盘隧道结构的破坏范围为4.2D(D为隧道跨度),下盘破坏范围为2.4D,上盘破坏范围明显大于下盘。     

采动诱发应力主轴偏转对断层稳定性影响分析

为探究上、下盘不同开采顺序对断层稳定性影响,基于压力拱理论提出应力偏转概念,运用FLAC3D数值方法,模拟工作面分别从断层上盘和下盘向断层推进的过程,分析接触面应力状态和演化规律,验证采动诱发应力偏转,并与断层损伤变量及其增速进行对比分析。研究表明,工作面自上、下盘不同方向靠近断层,顶板主应力起始偏转位置分别为距离断层120 m和40 m处,相差80 m,且下盘最大偏转角是上盘工作面的1.68倍;断层损伤变量的启滑点分别距断层130 m和40 m,下盘工作面相对上盘工作面提前90 m,二者良好的对应关系表明应力偏转与断层滑移失稳显著相关。采动诱发应力偏转产生附加应力概念可以很好解释上、下盘工作面断层稳定性差异,为断层保护煤柱留设及工作面过断层防灾措施制定提供新思路。     

逆断层地裂缝在黄土中破裂扩展的数值模拟

隐伏地裂缝在黄土中的扩展机理,其影响的范围、程度等问题,都是城市工作者所广泛关注和亟待解决的重要问题。为了研究黄土中逆断层地裂缝的扩展机理和扩展特征,参照正断层大型物理模型试验,利用数值模拟的方法,建立了三维数值分析模型,进行了黄土中逆断层的扩展机理研究。研究表明,隐伏逆断层地裂缝活动时,在地裂缝的上端,土体单元受到拉、压、剪的共同作用,裂缝很快被贯通,因而在其上端形成了破裂区,但向两侧的扩展有限;地裂缝的下盘在地裂缝活动时,受到的影响较小,即逆断层主要影响地裂缝的上盘,而对下盘影响甚微;同时,逆断层的影响范围和深度都明显小于正断层。由此可见,逆断层地裂缝活动特征明显区别于正断层,在黄土中的扩展有其独特之处。      

煤系正断层带影响下的煤层瓦斯赋存规律

渭北煤田多变形运动期和多组构造叠加孕育出的煤系断层带对煤层瓦斯赋存产生重要影响。采用地质分析、COMSOL Multiphysics多物理场数值模拟和现场数据监测相结合的方法,分析煤系正断层带的应力分布特征及断层之间相互作用关系,研究煤系正断层带影响下的煤层渗透率变化特征,模拟正断层带形成后的瓦斯运移状态和浓度分布情况,基于瓦斯含量和瓦斯涌出量监测结果进一步分析得到煤层瓦斯赋存规律。研究结果表明:煤系断层带的应力集中主要分布在煤层断层面上,应力降产生在岩层、煤层及各断层面交汇点处;煤系断层带影响区域的煤层渗透率由大到小依次为:断层面、区域平均值、断层上盘、断层下盘;随模拟时间增加,煤层瓦斯浓度逐渐减小,煤系正断层带内部地堑、地垒、阶梯状断层瓦斯浓度降低速率略大于两侧边界断块,瓦斯在断层断块内部及正断层带外侧边界表现出明显的积聚特性;煤系正断层带内部瓦斯含量和回采期间回风流瓦斯体积分数平均值分别为2.592 1 m3/t、0.224 0%,断层带外部边界两侧平均值分别为4.480 2 m3/t、0.454 9%,表明煤系正断层带两侧形成新的瓦斯富集区域。      

陡倾断层上下盘开挖引起地表变形的数值模拟分析

考虑地下开挖区与断层相对位置关系,采用简化数值模型对陡倾断层上下盘开挖引起的地表变形特征进行了数值模拟。结果表明,当断层位于地下开挖引起地表变形的压缩区且开挖区位于下盘时,地表出现不连续变形的可能性小;当断层位于地下开挖引起地表变形的压缩区且开挖区位于上盘时,随下向开挖进行地表断层处裂缝有减小趋势;而当断层位于地下开挖引起的地表变形拉张区时,断层出露处水平拉张明显,表现为拉张裂缝,随下向开挖深度增加、规模增大,不论开挖区位于上盘还是下盘,极可能导致地表出现正断层式的错动．     

黔南地区古生代正断层对构造特征的制约

黔南地区发育东西向的古生代正断层以及南北向的中、新生代逆冲断层和褶皱。通过对地层、褶皱和断层的平面展布、野外地质调查以及地震剖面的解释,结合雪峰隆起的逆冲推覆特征,研究黔南地区古生代正断层对构造特征的制约作用。研究结果表明东西向的古生代正断层在中、新生代的构造变形过程中起构造转换带的作用。通过建立区内构造转换带的几何学模型,对地震线上的构造变形特征进行了解释。在构造转换带（正断层）附近,断层上盘逆冲推覆不明显;在远离断层处,逆冲断层和与断层相关的褶皱发育。随着距离断层面越来越远,构造转换带（正断层）下盘地层的逆冲推覆特征逐渐消失。     

逆断层区构造煤形成机制及分布规律的数值模拟

采用FLAC2D数值模拟分析软件,通过流变模型和摩尔库仑弹塑性模型转换技术,研究了在水平构造应力作用下,逆断层运动过程中断层区域塑性破坏区的分布及变化规律,进而揭示了逆断层区构造煤的形成机制和分布规律。结果表明,逆断层区域的塑性破坏区域在距离断层一定范围内分布,随着远离断层而减小,且断层上盘构造煤的发育程度和范围大于下盘。研究成果可为断层区域煤与瓦斯突出防治提供借鉴。      

骊山山前断裂对西安地铁临潼线隧道的影响研究

以西安地铁临潼线穿越骊山山前断裂为研究背景,采用数值模拟方法,通过建立地铁隧道-断裂-地层三维有限元模型,研究了骊山山前断裂错动作用下隧道结构的变形受力特征,以此揭示了骊山山前断裂错动作用对西安地铁临潼线的影响机制以及重点设防位置,确定了地铁临潼线的设防范围,提出了相应防治建议措施。研究结果表明:断裂错动作用造成地铁隧道沿纵向发生弯曲变形,大致可分为3个变形区域:下盘稳定区、剪切拉张区和整体沉降区。断裂附近地层竖向应力和隧道拱底接触压力均表现为上盘减小而下盘增大,而隧道拱顶接触压力在上盘增大下盘减小。同时,沿纵向隧道顶部结构在上盘受压而下盘受拉,底部结构受力刚好相反,在上盘受拉下盘受压;隧道受剪区范围随断裂位错量变化基本保持不变,且最大值均出现在与断裂相交位置处。最后,综合确定了西安地铁临潼线跨越骊山山前断裂的纵向设防长度至少为80 m,并给出了跨断裂西安地铁临潼线的防治措施。研究结果可为西安地铁临潼线跨越骊山山前断裂带设计及其病害防治提供科学参考。     

基岩逆断层错动引起的上覆土体变形预测

基岩逆断层错动引起上覆土体变形会导致地表及地下建筑的破坏,相应的变形预测模型仍较为缺乏,相关因素的影响规律尚未掌握。本文通过补余误差方程来表征逆断层错动引起的上覆土体变形,建立可预测不排水条件下上覆土体的变形理论计算模型,并通过离心机实验数据、数值模拟数据加以验证。对比分析结果表明,补余误差方程能表征基岩逆断层错动所引起的地表及地表以下土体变形。参数分析结果表明:基岩错动量的幅值对地表不均匀隆起区域范围的影响并不显著;形状参数的增加会使得地表不均匀隆起区域趋向集中;断层倾角的增加会使得地表不均匀隆起区域向断层上盘一侧偏移。     

强震区桩−土−断层耦合作用下桩基动力响应

为研究桩-土-断层耦合作用下桩基动力响应特性,利用振动台试验选取0.35g地震动峰值加速度时4种类型地震波,研究断层上下盘桩基加速度响应、桩顶相对位移、弯矩及桩基损伤情况。试验表明：断层上盘桩基各项参数明显大于断层下盘,呈现出上盘效应;桩顶峰值加速度大于桩底峰值加速度,上部土层对输入地震波具有滤波作用;桩顶加速度响应相较于桩底具有滞后性;桩顶峰值加速度与桩顶加速度放大系数α在输入El-Centro波时最大;上、下盘α 差值在输入Kobe波时最大;弯矩和桩顶相对位移峰值在输入Kobe波时最大;弯矩在土层分界面处较大,输入不同地震波时弯矩峰值均未超过桩身抗弯能力;提出了强震区近断层桩基可根据验算内容选取合理地震波进行验算的抗震设计建议。     

伊通盆地二号断层与西拉木伦河断裂带及油气的关系

利用重力、航磁、电法和地震资料,结合区域构造地质特征,对伊通盆地二号断层研究认为:二号断层是西拉木伦河断裂带向吉林省东部延伸的一部分。佳木斯-伊通地堑的左旋活动将西拉木伦河断裂带错断,在地堑内保留的西拉木伦河断裂带的一部分作为伊通盆地的基底断层。该断层继承性活动,断层两侧地层发生差异性沉降,逐渐演化为现今的二号断层。作为伊通盆地内一条最重要的同沉积断层,二号断层控制其上下盘地层的沉积和油气成藏。二号断层与其上盘构成陡坡断裂坡折带,控制上盘的沉积物分布;同时断穿基底,沟通下部双阳组和奢岭组的油气源。二号断层早期开启有利于运移油气,晚期盆地反转时封闭,对梁家构造带的油气藏保存起积极作用。     

Analysis of the Wenchuan Ms8.0 Earthquake’s Co-seismic Stress and Displacement Change by Using the Finite Element Method

The variation of in situ stress before and after earthquakes is an issue studied by geologists. In this paper, on the basis of the fault slip dislocation model of Wenchuan Ms8.0 earthquake, the changes of co-seismic displacement and the distribution functions of stress tensor around the Longmen Shan fault zone are calculated. The results show that the co-seismic maximum surface displacement is 4.9 m in the horizontal direction and 6.5 m in the vertical direction, which is almost consistent with the on-site survey and GPS observations. The co-seismic maximum horizontal stress in the hanging wall and footwall decreased sharply as the distance from the Longmen Shan fault zone increased. However, the vertical stress and minimum horizontal stress increased in the footwall and in some areas of the hanging wall. The study of the co-seismic displacement and stress was mainly focused on the long and narrow region along the Longmen Shan fault zone, which coincides with the distribution of the earthquake aftershocks. Therefore, the co-seismic stress only affects the aftershocks, and does not affect distant faults and seismic activities. The results are almost consistent with in situ stress measurements at the two sites before and after Wenchuan Ms8.0 earthquake. Along the fault plane, the co-seismic shear stress in the dip direction is larger than that in the strike direction, which indicates that the faulting mechanism of the Longmen Shan fault zone is a dominant thrust with minor strike-slipping. The results can be used as a reference value for future studies of earthquake mechanisms.     

高铁路基正交跨越地裂缝带动力响应数值分析

本文以大西客运专线高速铁路正交跨越地裂缝带为研究对象,基于有限元数值方法建立了高速铁路地基-地裂缝-路堤动力计算模型,模拟分析了高速列车荷载作用下有、无地裂缝带天然地基上路基的动力响应差异特征及影响规律。计算结果表明:列车荷载作用下无地裂缝带场地,路基动位移、加速度和动应力响应基本平稳,没有明显差异现象;而地裂缝带场地路基动位移、路堤本体内加速度均表现为上盘增大、下盘减小,垂直于线路走向路基动位移、加速度幅值衰减下盘大于上盘,地裂缝对加速度影响的临界深度约为地表以下15 m;地裂缝的存在引起其上盘路基出现动应力降低和下盘动应力增强现象,地裂缝场地沿深度方向路基动应力影响的临界深度为地表以下10 m。上述研究结果可为我国地裂缝发育区高速铁路建设与防灾减灾提供科学依据。     

逆掩断裂带正演分析与解释——以英雄岭地区为例

柴达木盆地逆掩断裂发育,由于受断裂影响,下盘成像困难且复杂。为此以地震数值模拟技术为依托,综合地震、测井数据建立地质模型开展正演,指导地震资料的处理解释工作。英雄岭地区逆掩带正演结果表明:由于上盘高速地层的存在,对下盘断裂覆盖地层造成单斜、局部假断层、基岩同相轴上拉、断面形态发生改变等地震假象。文中的成果对柴达木盆地英雄岭地区及其他构造油气藏的勘探目标区的地震数据处理、解释具有借鉴作用。     

Geometry and architecture of faults in a syn-rift normal fault array: The Nukhul half-graben, Suez rift, Egypt

The geometry and architecture of a well exposed syn-rift normal fault array in the Suez rift is examined. At pre-rift level, the Nukhul fault consists of a single zone of intense deformation up to 10 m wide, with a significant monocline in the hanging wall and much more limited folding in the footwall. At syn-rift level, the fault zone is characterised by a single discrete fault zone less than 2 m wide, with damage zone faults up to approximately 200 m into the hanging wall, and with no significant monocline developed. The evolution of the fault from a buried structure with associated fault-propagation folding, to a surface-breaking structure with associated surface faulting, has led to enhanced bedding-parallel slip at lower levels that is absent at higher levels. Strain is enhanced at breached relay ramps and bends inherited from pre-existing structures that were reactivated during rifting. Damage zone faults observed within the pre-rift show ramp-flat geometries associated with contrast in competency of the layers cut and commonly contain zones of scaly shale or clay smear. Damage zone faults within the syn-rift are commonly very straight, and may be discrete fault planes with no visible fault rock at the scale of observation, or contain relatively thin and simple zones of scaly shale or gouge. The geometric and architectural evolution of the fault array is interpreted to be the result of (i) the evolution from distributed trishear deformation during upward propagation of buried fault tips to surface faulting after faults breach the surface; (ii) differences in deformation response between lithified pre-rift units that display high competence contrasts during deformation, and unlithified syn-rift units that display low competence contrasts during deformation, and; (iii) the history of segmentation, growth and linkage of the faults that make up the fault array. This has important implications for fluid flow in fault zones.     

东喜马拉雅缺口的地质与地貌成因

东喜马拉雅缺口位于西藏东南部米林地区,平均海拔高度只有4500m,远远低于喜马拉雅山其它地段。我们的研究揭示,它的形成是由一条规模很大的,称之为米林韧性正断层的活动造成的。断层带的宽度至少有20km,大体倾向西,主要由眼球状糜棱岩组成,岩石中的拉伸线理以及眼球旋转的方式表明位于其东西两侧的高喜马拉雅深变质岩系和特提斯喜马拉雅中浅变质岩系之间发生过大规模的拆离运动,导致了东喜马拉雅构造结的最高峰——南迦巴瓦(7756m)的早期抬升以及特提斯喜马拉雅的重力垮塌。该断裂的南西端和藏南拆离系(STDS)相交,因此,它很可能是藏南拆离系的东翼断裂,同样形成于中新世。拆离构造的发生表明喜马拉雅山在中新世发生南北向构造缩短的同时还伴随着近东西向的拉伸。米林断裂的北东端和派区断裂相接。后者在中新世呈左旋剪切,构成东喜马拉雅挤入构造的西边界。米林断裂和上述两个断裂的衔接关系表明该断裂是一个协调高喜马拉雅和特提斯喜马拉雅之间斜向拆离运动的转换断层。