固体潮应变各向异性研究

钻孔应变仪的观测过程中发现潮汐应变响应存在方向各向异性, 推测是受到台站附近断层影响导致的。 我们对此展开数值模拟研究, 讨论软弱断层对潮汐变形传播的影响。 我们的研究结果证实了软弱断层的存在确实能够产生能够观测到的各向异性现象。 同时我们还发现其各向异性变化对断层弹性参数较为敏感。 观测到的部分地震震前反映固体潮应变各向异性的潮汐因子"玫瑰图"变化有可能是由于台站附近断层在震前的性质变化引起的。     

常用岩土本构模型的选择及对场地动力反应分析结果的影响

合理选择本构模型是土动力学问题数值模拟中的一项重要工作。利用PLAXIS 2D软件的土工实验模拟功能分别对4种常用的岩土本构模型——线弹性模型、摩尔库伦模型、土体硬化模型和小应变土体硬化模型在往复荷载下的理论滞回曲线进行了对比分析,并在此基础上研究了选择不同本构模型对自由场地震反应分析结果的影响以及不同本构模型中各参数的变化对场地动力计算结果的敏感性分析。研究结果为土动力学问题数值模拟中如何选择本构模型和合理判断数值分析结果提供了参考依据。     

共轭断层系统的非线性有限元模拟与震群模型讨论

采用断层摩擦接触的非线性有限元模拟方法,对单断层与交叉断层2种断层模型分别进行数值模拟计算对比,结合中国大陆双震或震群型地震孕育发生的构造条件对共轭断层系统的孕震与发震机理进行了讨论与分析。断面滑动摩擦机制较好地解释了共轭断层由闭锁状态进入发生地震的滑动状态的过程,共轭断层系统会交替地发生失稳事件,验证了2组共轭断层系统构成的地震模型的滑动习性。其数值模拟与讨论分析结果可为共轭断层发育区的地震监测预报提供科学依据。     

人工地震目录研究进展

基于地震目录的统计分析及由此衍生的地震复发周期与地震预测概率分析一直是地震活动性研究的重要部分,而人类有仪器记录的地震活动历史极其有限,因此采用其他方法建立人工地震目录进而研究地震活动特征与规律具有一定的理论意义.本文系统阐述了弹簧-滑块模型、细胞自动机模型、断层系统地震活动模型、有限元-滑块耦合模型、有限元模型等几种人工地震目录研究的理论模型与方法进展;归纳总结了不同模型在实现地震孕育、发生时不可忽视的关键问题:摩擦本构关系,并详细阐述了摩擦本构关系的进展及其区别;最后对有限元数值模拟人工地震目录研究时存在的问题及需要的进一步改进做了探讨.     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型(pulse-like)破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型(crack-like)破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型（pulse-like）破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型（crack-like）破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

断层自发破裂动力学过程的有限单元法模拟及其在地震研究中的应用

地震是断层的自发破裂动力学过程。数值模拟断层的自发破裂动力学过程对于认识地震的力学本质、减轻地震灾害等有着重要的科学意义及应用价值。本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后对断层的破裂过程进行动态数值模拟。模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型(pulse-like)破裂模式。断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,若初始应力场中的剪应力水平较低或滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,则容易产生脉冲型破裂;反之,则容易产生裂纹型(crack-like)破裂。另外,为了研究双材料(bimaterial)断层破裂对强地面运动的影响,我们采用正则化的速率-状态相关摩擦本构关系计算了破裂沿着双材料断层传播的二维有限元模型。模拟结果表明,双材料机制对地震破裂过程以及断层周边区域的强地面运动有显著影响。由断层破裂辐射出的地震波导致的强地面运动在整个空间上的分布是不对称的,其不对称性会随着断层两侧材料差异程度的增加而增加。断层破裂能否跨越断层阶区(stepover)继续传播,从而引发更大震级的地震,地震时断层是否发生超剪切破裂导致地震灾害加剧,都是震源动力学研究的重要内容。本文利用有限单元方法模拟断层阶区对地震破裂传播的控制作用以及对产生超剪切地震破裂的促进作用。研究结果表明:断层面上的摩擦系数减小、断层周边区域内初始剪应力增大以及较小的阶区间距等,都将增加断层破裂跳跃阶区传播的可能性;此外,这些物理因素都会对破裂的传播速度产生影响。在一定条件下,破裂传播速度会由在初始断层上的亚剪切波速度转为在次级断层上的超剪切波速度。结合以上在概念模型中对断层自发破裂过程的模拟研究结果,我们根据汶川地震和玉树地震发震断层的实际几何情况分别构建有限单元数值模型,研究了汶川地震单侧破裂过程的动力学机制以及玉树地震产生超剪切破裂过程的动力学机制。2008年汶川大地震的破裂过程极其复杂,向东北方向的破裂距离长达300 km,而向西南方向的破裂长度很小,呈现出单侧破裂的主要特征。文中模拟并分析了汶川地震的破裂过程,结果表明:龙门山断裂带两侧的物性差异是造成汶川大地震单侧传播的决定性因素。由于2010年玉树地震(Ms=7.1)产生了超剪切地震破裂,所以地震灾害特别严重。文中在模拟并分析玉树地震的破裂过程后认为:玉树地震发震断层走向与初始主应力方向之间的关系断层破裂是亚剪切转化为超剪切破裂的可能原因。     

多本构模型参数同步更新的在线数值模拟方法研究

在线数值模拟方法是一种基于模型更新的混合试验方法,其是不完整边界条件混合试验的通用解决方案。在该方法中：结构反应由结构整体数值模型计算得到,边界条件自然得以满足;物理子结构的恢复力不再参与运动方程的求解,而是用于估计数值模型的本构参数,提高了数值模型的可靠性。论文提出多本构模型参数同步更新的在线数值模拟方法,以提高多种本构模型参数不确定性同时存在时在线数值模拟方法的精度,并以Levenberg-Marquardt算法为参数估计方法,实现了采用恢复力对钢筋和混凝土材料本构模型参数的同步估计。研究表明：以恢复力来估计材料本构模型参数是可行的,且Levenberg-Marquardt算法具有较高的收敛速度和计算精度;在线数值模拟方法有效地提高了混合试验的模拟精度。     

基于纤维模型的CFT框架柱滞回性能模拟及模型灵敏度分析

研究了基于纤维模型的CFT框架柱滞回性能模拟的建模方法,建立了基于不同材料本构模型的CFT框架柱数值模型,并探讨了材料本构关系、纤维截面网格划分、积分点数量等因素对模拟精度的影响。以试验为依据,运用Opensees软件,通过计算结果与试验结果的对比,分析了影响滞回模型计算精度的主要因素。结果表明,受约束混凝土本构关系的下降段,钢材本构关系的强化段,是影响滞回模型准确性的主要因素,而网格划分和积分点数量的影响则主要体现在程序运行速率方面。研究将为基于纤维模型法的CFT框架柱滞回性能模拟分析提供理论依据。     

往复荷载作用下锈蚀钢筋混凝土柱黏结滑移模型及数值模拟研究

为实现地震作用下锈蚀钢筋混凝土柱精细化数值模拟分析,基于已有研究成果建立往复荷载作用下锈蚀钢筋与混凝土间的黏结滑移本构模型:结合课题组前期试验结果,采用ABAQUS有限元分析软件对建立的黏结滑移本构模型进行有效性验证,通过对数值计算结果与试验结果之间误差分析,进一步对黏结滑移模型中的摩擦黏结应力系数和退化系数进行修正,最终建立更为合理的锈蚀钢筋与混凝土间黏结滑移本构模型。通过数值计算结果与试验结果的再次比较,验证修正后黏结滑移本构模型的有效性。结果表明:修正后的锈蚀钢筋与混凝土间黏结滑移模型可更好地反映往复荷载作用下锈蚀钢筋混凝土柱的滞回性能。该成果可为地震作用下锈蚀钢筋混凝土结构的数值分析计算提供理论参考。     

岩石物性变化对区域应力场的影响

基于接触摩擦分析单元和弱化带两种断层处理模式,应用有限元数值模拟方法,分别探讨了弹性模量、泊松比、摩擦系数、内聚强度等物性参数的变化对区域应力场的影响.结果表明:在两种处理模式下,这些参数的变化对断层附近的应力场均有不同程度的影响,且在接触摩擦处理模式下影响相对较为复杂.     

大陆断层脆塑性转化带强度与孕震深度的定量研究

大陆断层脆塑性转化带的强度和滑动稳定性一直是断层力学中研究的重点。从20世纪末起,前人针对脆塑性转化带的摩擦和流变特性开展了大量实验和理论研究,探究脆塑性转化带的强度和变形机制随温度、压力、滑动速率等因素的变化规律。文中总结了描述断层脆塑性转化带强度和稳定性的半定量经验方程和定量本构方程,对比了各种模型的优缺点,发现通过数值拟合方法得到的经验模型高估了断层脆塑性转化带的强度,而基于微观物理机制的脆塑性转化带强度模型更符合自然条件下的断层摩擦行为。但现有的微观物理模型还需进一步考虑剪切带中纳米颗粒的动力学影响及不同类型的微观变形机制约束。     

高温高压条件下辉长岩的摩擦强度及其速率依赖性

在干燥条件下对辉长岩的摩擦本构参数进行了实验研究。结果表明 :1 )辉长岩模拟断层泥的摩擦速度依赖性参数 (a -b)基本为正或者接近于没有速度依赖性 ,表明在干燥条件下不具备不稳定滑动的成核条件 ,对下地壳地震成核的可能性有参考意义 ;2 )摩擦强度在干燥条件下与Byerlee定律高度一致 ,表明在下地壳的高温环境下Byerlee定律仍可给出适当的强度估计 ,至少在干燥条件下如此 ;3)Byerlee定律给出的剪应力强度与正应力的关系中有一个截距 ,但是本研究中关于模拟断层泥的结果却没有明显的截距 ,表明断层物质的有无在摩擦强度的表现上存在重要差异     

实验室尺度典型断层系统破坏、前兆及粘滑过程数值模拟

尽管实验室尺度典型断层模型的基本物理、力学参数已知,载荷、边界条件明确,但其变形、破坏、前兆及稳定性的综合数值模拟并不容易。实验室尺度模型的数值模拟可为大尺度模型的模拟积累经验,并提供某些必要的技术基础。文中主要从数值模型的角度,评述实验室尺度模型中引入非均质性和粘滑过程模拟的各种方法,着重介绍了2种模型:断层-岩石系统的非均质应变弱化模型和摩擦强化-摩擦弱化模型。在第1种模型中,提出利用事件的频次-能量释放关系的斜率绝对值的不同演变规律评价断层的不同应力状态。在挤压雁列区贯通过程中,剪切应变降对岩石破裂具有更为灵敏的指示作用,可能比声发射更为有效。在第2种模型中,通过控制内摩擦角在粘着和滑动两阶段不同的演变规律实现断层粘滑过程的模拟。尽管在提出的摩擦强化-摩擦弱化模型中未引入速度,但由于对节点的运动方程进行求解,所以节点速度在粘着和滑动两阶段将发生变化。指出以下需要进一步研究的问题:1)亟待发展适于地质体材料变形、破坏及运动整个过程模拟的计算力学模型;2)亟待发展复杂断层系统中断层稳定性的可靠判别方法;3)亟待发展动力学方程的高效求解方法。     

岩石的摩擦特性与地震断层运动论

本文评述了岩石摩擦研究及其在地震震源研究中的应用.当前的岩石摩擦研究已经认识到由静摩擦变成动摩擦时其摩擦阻力减少的比率是有限的.很多岩石的摩擦状况已用滑动距离和/或与滑动速率有关的本构关系进行了描述.许多研究工作已经表明,表面粗糙程度在摩擦规律中起重要作用,并已指出,断层粗糙度可能是诸如临界衰减滑动位移和剪切破裂的视破裂能量等与体积大小有关的物理参量的一个来源.地震断裂的数值模型是用一个摩擦本构定律来表达的.这些模型不仅可以模拟地震的强运动,而且也可以模拟地震的前兆清动.这些结果对滑动的不稳定性给出了一个较好的解释,也导致了对于地震发生过程的更深刻了解.     

不同摩擦本构关系对断层自发破裂动力学过程的影响

地震是断层的摩擦失稳过程.摩擦本构关系对断层的破裂成核、破裂传播、破裂速度、能量释放、破裂终止等起着至关重要的控制作用.为了比较不同摩擦关系在断层自发破裂动力学过程中的影响,文中引入目前应用最为广泛的4种典型摩擦本构关系,它们分别是：滑移弱化摩擦关系,速率弱化摩擦关系,以及速率-状态相依摩擦关系中的老化定律和滑动定律.研究中利用有限单元方法对上述4种摩擦关系控制的断层自发破裂过程分别进行模拟计算,模拟结果显示：当模型参数相同时,不同摩擦关系模拟的破裂行为总体上具有一致性,都可以产生亚剪切破裂或超剪切破裂,并且破裂传播速度的大小与摩擦本构关系的类型无关.此外,它们之间还存在着较大的差异：（1）速率弱化摩擦关系可以模拟脉冲型破裂;而其他3个摩擦关系只能模拟裂纹性破裂.（2）不同摩擦关系模拟的超剪切破裂转换长度不同,速率-状态相关摩擦关系的老化定律相比其他摩擦关系需要更大的转换长度才能实现亚剪切破裂转变为超剪切破裂;而速率弱化的摩擦关系的超剪切转换长度可以为0,即不需要转换距离就直接产生超剪切破裂.（3）速率弱化摩擦关系模拟的破裂速度自成核后很快就达到稳定值;而其他类型摩擦关系模拟的破裂传播则要经历由缓慢破裂到逐渐加速直至达到稳定破裂的过程.值得特别指出的是,本文所使用的4种摩擦关系都不能完整地反映实际大地震破裂过程的摩擦属性,需要进一步深入研究.     

基于断层运动和应力演化分析断层强震危险程度的研究进展

震间断层强震危险性研究是地震中长期预测中的基础科学问题, 其中断层运动及应力演化的研究对认识地震的孕育发生、 破裂过程具有重要意义, 为地震危险性分析提供科学依据。 本文首先回顾了震间断层运动模型的理论研究进展; 其次, 简略地回顾了断层不均匀性和断层摩擦定律的研究历程, 论述了确定摩擦参数、 圈定凹凸体的发展趋势与研究动态, 并阐述了基于断层不均匀性和断层摩擦定律的强震过程数值模拟的应用; 最后, 论述了基于断层运动和应力演化分析断层中长期强震危险程度的应用, 并叙述了与地震短期、 临震预测密切相关的断层运动成核过程。     

基于非结构化网格的边界积分方程方法的断层自发破裂模拟

地震自发破裂模拟是震源动力学研究的重要内容,了解复杂的断层动力学破裂过程对深入认识震源特征和解释运动学反演结果具有重要意义.基于边界积分方程方法的破裂模拟已经被广泛使用,大多采用的是平面断层模型的结构化网格划分.由于实际的断层往往具有较为复杂的几何特征,为了更为灵活地刻画断层几何复杂性,我们建立断层模型的三角形网格离散方案,通过精确的解析解形式来计算断层各个单元之间的应力格林函数,联立滑动弱化摩擦准则和非奇异边界积分方程,对断层的自发破裂过程进行了模拟.在简单的平面断层模型下,将计算结果与前人的结果进行了对比,验证了方法的正确性与有效性.对于几种常见的复杂断层模型,例如弯折、阶跃、含障碍体断层等,我们模拟了其破裂过程并对计算结果进行了比较与分析.模拟结果表明,非结构化网格划分的边界积分方程方法能够很好地模拟平面矩形断层或由其组成的规则断层,同时也能成功地模拟具有复杂几何形状的不规则断层上的动力学破裂过程.本研究的结果显示了边界积分方程方法在模拟复杂断层系统的动力学破裂问题上具有较广阔的应用前景.     

岩石膨胀的三维本构关系和1976年唐山地震前垂直形变的有限元模拟

本文研究了岩石在应力作用下的膨胀问题。依据实验资料和参考Nur的岩石膨胀二维本构关系,提出了岩石介质膨胀的三维非线性本构关系的一般表达式。並将这组非线性关系式推导成增量形式的有限元矩阵表达式。 考虑到导出的膨胀的本构关系矩阵是非对称矩阵,因此,本文编制了非对称全带宽存储及直接求解的三维非线性有限元程序。为了模拟实际断层的情况,考虑断层的蠕滑,在程序中还专门设计一种非线性空间断层单元,以便在研究真实地震问题或有关岩石膨胀的问题中作数值模拟。 用上述带有弹性-膨胀矩阵三维非线性有限单元法,假设不同模型,对唐山大震前出现的明显隆起进行三维数值模拟研究,並结合小震分布等震前现象,对1976年7月28日唐山地震的孕育过程提出看法。     

基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI介质中波场数值模拟

分数阶微分算子具有描述历史依赖性和全域相关性的特质,本文利用这种特质描述双相介质固体骨架的黏弹性特征.基于Kjartansson常Q理论将含有分数阶时间导数的黏弹固体骨架各向异性本构关系与双相介质理论有机地结合起来,并引入流变学本构关系描述孔隙流体的黏滞性力学行为,提出一种新的基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI模型.推导了相应的时间域波传播方程,然后对该方程进行了数值模拟.对整数阶导数采用高阶交错网格有限差分算法,对分数阶时间导数采用短时记忆中心差分算法,进行了不同相界、不同品质因子组及双层地质结构情况下该类介质中波场的数值模拟与特征分析.模拟结果表明：将含有分数阶时间导数的常Q黏弹固体骨架各向异性本构关系及孔隙流体的黏滞性本构关系引入双相介质理论是可行的,二者的结合能更好地反映地下介质的黏弹性特征,对于进一步认识波在黏弹各向异性孔隙介质中的传播机理具有重要意义,为反演和重构地下油气储层和结构奠定正演理论基础.