岩石细观破裂的实验观测研究及其对认识地震活动性的启示

对合一条预制中心割缝的大理岩六边形试件进行了对边均匀加压实验，在扫描电镜下实时观测了细观裂纹的起裂、扩展过程，研究了它们与外载大小和方向之间的关系．用实验过程中拍摄的显微照片测量与计算了裂端距（割缝周围次级裂纹开裂点至割缝端点的距离）与外载方向之间的关系，并分析了当加载方向变化时裂纹扩展的特征及变化规律．最后将实验结果与滇西北洱源－鹤庆断裂尾端张性盆地的发育过程做了对比，发现两者在受力方向改变时，次级断层的发育过程具有相似之处．     

大理岩试件中裂缝的逆向共轭剪破裂

本文介绍了以激光全息干涉法观测单轴压缩下,大理岩岩样表面的变形位移场。全息干涉图可以反映出由于岩石内部微裂隙丛集激增所导致的变形局部化,实验采用板状大理岩试件,在中心处预制了不同角度的裂缝,实验在MTS伺服压机中加载直至宏观破坏,观测了裂隙的发展过程。实验表明:当裂缝角小于45时,先在裂缝尖端处的张应力集中部位出现新裂纹,它的起裂角(与原裂缝的交角)90,裂纹弯向压力方向并趋于稳定。当>45时,在上述张裂纹稳定后,在裂缝尖端附近再次发生张裂,其起裂角60,同样弯向压力方向后稳定。在这些前期张破裂稳定后,在张裂的相反方向,也即裂缝的共轭方向上,出现内部微裂隙的丛集,并随后发生宏观的剪破坏,我们认为此逆向剪切破坏与大理岩的多晶组构有关,与应变弱化过程中变形和应力的调整有关。      

具有孔边裂纹的岩石厚壁筒试件的破裂特征

用五种应力途径对由五种岩石制备的孔边有予裂纹的厚壁筒试件进行实验,研究上述条件下岩石的破裂特征。结果表明:对含径向并贯穿轴向裂纹的试件,其破裂沿裂纹方向,为典型的张开型破裂;含与定直径成45°角并贯穿轴向裂纹的试件,破裂亦呈张开型,其裂面始于裂纹前缘,但却折转约45°角与定直径近于平行;中心含与轴向成45°角的椭圆裂纹试件的破裂,仍沿裂纹面方向,为张开型与滑开型的复合破裂。     

在围压条件下切口岩石破裂过程的实验研究

本文根据地震的断层说观点在室温、围压600—1,200巴条件下研究了具切口的花岗闪长岩、辉长岩和大理岩试件的破裂发展过程。在连续增加的差应力作用下观测到:切口内部充填的软弱夹层首先发生剪切变形和破裂,接着在切口端部一侧扩展张性裂纹,然后在切口前缘方向扩展剪切裂纹,最后发生贯通试件的剪切和张裂-剪切主破坏。张裂纹扩展长度受到围压的强烈抑制。岩石的切口结构和岩性变化对破裂迹线的空间展布和主破坏机制有重要影响。讨论了实验结果在断层扩展型地震的形成过程及其在预报预测方面的意义     

地震应力波的传播与岩石的动态响应

本文用 Split-Hopkinson 压力杆装置研究了应力波通过破裂岩石试件的衰减现象。给出了灰砂岩、石灰岩两种岩石动态的破裂强度与应力应变关系.结合受应力作用的岩样切片的微观观察,对应力裂纹、裂纹的动态分叉现象进行了分析讨论.      

非均匀性对岩石介质中裂纹扩展模式的影响

运用岩石破裂过程分析ＲＦＰＡ２Ｄ系统,通过对岩石试样中预置的倾斜裂纹扩展过程的数值模拟,研究了材料非均匀性对岩石介质中裂纹扩展模式的影响．数值模拟再现了受压试样在裂纹扩展过程中逐步演变的应力场和应变场,以及与岩石非均匀性有关的声发射和断裂扩展模式的“岩桥”现象．模拟结果说明,岩石的非均匀性对含裂纹试样的变形、破裂过程及其破坏模式有很大的影响．     

破裂带发展的扫描电镜实验研究及其对地震前兆的启示

在扫描电镜下对带割缝的大理岩试件进行了单轴压缩实验.在加载的全过程中,观察了试件表面裂纹的产生、扩展、平面分布以及断裂扩展前缘处的微裂纹在主断裂扩展前后的开、闭变化,并分析了它们与外载之间的关系.在显微照片上量测了主断裂的宽度随外载水平及测点所在部位的变化规律.在实验测定和结果分析的基础上,解释了脆性岩石材料在宏观裂纹扩展时的断裂能明显偏离线弹性断裂力学预测值的原因,提出了以标量作为岩石损伤力学中的损伤量的设想,探讨了实验结果对了解地震前兆（如大地形变和地下水位异常）可能起到的作用.将实验观察到的微破裂活动与1975年海城7.3级地震前地下水位异常做了对比分析,发现两者在时空分布方面有许多相似之处.     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

岩石试件尺寸对裂纹应力场影响的数值分析

用数值方法和岩石力学实验模拟地震断层的破裂过程时, 模型或试件的尺寸选取不合适将影响断层附近的应力场. 本文利用二维弹性有限元方法, 计算了一个含椭圆孔的岩石试件在不同尺寸下的应力场, 并与相应的无限域椭圆孔问题的解析解进行了比较. 数值分析结果表明, 含椭圆孔的岩石试件在单轴压缩情况下, 其边界效应对内部应力场的影响不容忽视; 试件的临界尺寸长宽比约为3:2, 孔的尖端到边界的距离与孔的长轴的比值约为7.3. 这种数值分析试件尺寸的方法, 不仅可以为岩石力学实验提供理论依据, 同时也为确定数值模拟断层错动等问题中几何模型的大小提供了参考价值.      

在围压条件下岩体模型应力应变关系的实验研究

含切口岩体模型在差应力作用下的应力应变关系表明:岩体不同部位的应力应变曲线按斜率变化特征可以划分为四个发展阶段。根据对切口岩石破裂过程的对比,各阶段的变形机制分别与岩体内原微裂纹闭合、孔隙和颗粒弹性变形、宏观张裂剪裂以及剪切、张-剪主破裂相对应,但各阶段的发展进程在时间、空间上却不一致,这一差异均与切口分布和岩性变化相关。最后讨论了应力应变特征与发震断层孕震过程的关系,对地震预报可能有实际意义     

岩石裂纹附近的变形局部化与破坏——激光全息干涉法的应用

本文介绍了应用激光全息干涉法观测单轴压缩条件下裂纹附近的离面位移场和岩石的变形破坏过程。着重指出了裂纹构造活动与微裂隙丛集发育的变形局部化前兆在这种破坏过程中的相互关联,并就其所反映的震源物理本质进行了讨论。     

基于能量耗散原理的非均质岩石损伤破坏元胞自动机模型研究

基于能量耗散理论建立非均质岩石的动态损伤破坏元胞自动机,分析单轴压缩试验中岩石破坏截面的损伤状态,得到该情况下的岩石裂隙微观动态发展过程、损伤演化关系以及全程应力应变曲线。研究发现：①加载过程中,均质度较低的岩样裂纹的萌生和扩展较为分散,损伤速率低;均质度较高的岩样裂纹的萌生和扩展非常集中,表现为脆性破坏。②损伤演化曲线呈3阶段S形发展。③随着岩石均质度参数的增加,岩石的峰值强度和峰值应变都有所提高,峰后曲线越来越陡。④给出的衡量岩石脆性破坏强弱程度的指标参数,能够较好地描述岩石破坏形式随着均值度参数m变化的规律。     

三向受压状态下地壳岩体的张性变形和张性破裂

本文叙述了处于三向受压状态的地壳岩体产生张性变形和张性破裂的原理,并以珠江三角洲地区为例说明:①岩体内应力集中点的浅部,可产生张性变形和张性破裂;②地质考察所观察到的张性或张剪性断裂,其断裂面上作用的正应力未必是拉应力,极有可能是压应力,但却一定是拉应变;③张性破裂引起的地震,震级较小,一般在4.5级以下,④地震引起的张性地裂缝的走向,就是震源应力场的主压应力方向。     

地质体材料剪切带内部的常剪切应变点及速度分布分析

对于峰后线性应变软化的地质体材料,剪切带内部的总剪切应变等于弹性剪切应变（由经典弹性理论描述）及由微结构效应而引起的局部塑性剪切应变（由非局部理论或梯度塑性理论描述）之和。若剪切应力-塑性剪切应变曲线的斜率的绝对值（称之为软化模董）小于剪切弹性模量的两倍,则在剪切带的任一剖面内存在两个总剪切应变不依赖于剪切应力的点,称之为常剪切应变点。在这两个点上,弹性剪切应变的降低和局部塑性剪切应变的增加处于平衡状态,总剪切速度达到它的最大值或最小值。在两个常剪切应变点之间,局部总速度随剪切应力率的降低而增加。剪切带内部的局部总速度分布是非线性的,这与通常采用的剪切带内部速度的线性分布假定（忽略微结构效应）不同。     

从断裂力学观点研究地震的破裂过程和地震预报

把断裂力学中的应变能释放率公式和裂纹错开位移公式运用到地震破裂中来,再用震级-能量公式logε_e=α₁M+α₂,对于走向滑动、倾向滑动和圆盘形剪切破裂找到了震源参数和地壳应力状态之间的内在联系,汇总在表2。对于走滑断层情形,关系式如下: （1） （2） （3） （4）应力降 （5）平均应力 （6）用M_o和L²W求区域应力公式式中,M为震级,L、W为断层长度和宽度,η为地震效率,τ₀为区域剪切应力,τ_y为剪切屈服强度,μ为刚性系数,v为泊松比,为平均位错,M₀为地震矩。 利用（6）式或（1）式,在实验室测出地壳状态下屈服强度τ_y,后,可用地震观测资料算出区域剪切应力τ₀。 上述关系式和目前流行的震源参数之间的关系式有很大的差别。原因是以往只考虑了破裂的初态和终态,没有考虑破裂过程。而断裂力学恰恰是考虑了破裂过程。     

滇西北地区现今构造应力状态及其与地震的关系

基于搜集到的2000—2018年滇西北地区MS≥3.0地震的震源机制解,运用线性叠加反演法进行应力场反演,分析了滇西北地区现今的构造应力状态,进一步探讨了应力张量方差的时空分布与地震活动的关系。结果显示：(1)滇西北地区地震的震源机制解类型复杂,主要以走滑型（46%）为主,正断型（27%）次之;(2)研究区的构造应力场具有整体的一致性和局部的非均匀性,呈现为NNW向挤压和ENE向拉张的走滑型应力结构,说明研究区受到来自NNW向的水平挤压作用,对该地区上地壳运动和断裂活动起主导作用;(3)滇西北地区的应力张量方差大都小于0.2,除北部一些地区外,应力场基本处于均匀状态。根据应力张量方差随时间的变化和后续地震可知,中强地震大都发生在应力张量方差值低于0.2的情形,且主要发生在应力张量方差减小即震源机制解趋于一致的过程中。空间上这些地震基本都发生在应力张量方差的低值分布区及其边缘,这一结果有助于判定发震地点和了解区域应力集中增强过程。     

孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响

对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样,利用FLAC研究了孔隙压力对岩样破坏过程、全部变形特征及前兆的影响。以前编写的若干FISH函数,被用于生成缺陷和计算轴向、侧向、体积应变及侧向应变与轴向应变比值的负值（计算得到的泊松比）。在峰值应力之后,密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为,而材料缺陷呈现理想塑性行为。当孔隙压力较高时,应力-侧向应变曲线具有一平台;破坏的前兆更明显;变形后岩样的体积总是大于原始体积;在初始加栽阶段、均匀变形阶段及峰后变形阶段,由于明显的侧向膨胀,计算得到的泊松比远大于0．5。当孔隙压力较低时,在峰值应力之前,变形后岩样的体积小于原始体积,体积扩容出现于峰值应力之后,引起了负的体积应变。利用广义虎克定律,解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带状区域扫描后,确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。     

华北地区中小地震应力场的优势方向

根据华北地区61次中、小地震（3.0≤M≤5.5）和10次M≥6.0大地震的震源机制结果的统计分析,得到地震释能应力场的优势方向,主压应力轴为70°-80°,主张应力轴为340°-350°,它们的仰角基本上小于45°。这表明,华北地区处于以北东东向水平压应力和北北西向水平张应力为主的现代构造应力场中。指出了这一地区6级以上地震和震源深度大于17公里的中、小地震应力场方向一致性较好,可能更接近构造应力场方向。华北地区一致性应力场的南缘,可能在秦岭、大别山及长江下游一带。