隐伏地裂缝破裂扩展研究综述

日益增多的地裂缝灾害受到人们的普遍关注,而隐伏地裂缝数量更加巨大,其破裂扩展的随机性及潜在的灾害效应是我们必须面临和解决的问题。隐伏地裂缝的破裂扩展方式受多种因素影响,包括地裂缝的位错量、倾角和活动速率,上覆土层的性质、厚度和地层结构,以及表水下渗、开采地下水、地震动和时间效应等,这些因素的组合和叠加,导致隐伏地裂缝的破裂力学机制复杂,破裂扩展过程难以再现。目前隐伏地裂缝的破裂扩展研究方法主要采用现场调查与勘探、模型试验、力学综合分析与解析和数值模拟等综合手段,研究内容包括地裂缝破裂扩展各种形成条件和诱发因素的影响效应。通过分析隐伏地裂缝破裂扩展在其形成的复杂环境地质条件、多期活动性、长期蠕动性和多种诱发因素共同作用下的综合效应与力学机制,研究其破裂扩展过程,追踪不同深度的破裂位置及影响带宽度,确定一定条件下隐伏地裂缝扩展引起的地表最大位错量和最小安全覆盖层厚度,制定统一的地裂缝影响带宽度确定方法和标准,可为解释实际地裂缝破裂现象和地裂缝灾害综合防治提供依据,也是今后的研究重点。     

隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验边界效应

物理模型试验是研究地质灾害变形破裂特征、动力学过程和成因机制的有效手段,受制于模型箱尺寸,试验过程中边界效应问题显著,如何减弱边界效应影响一直是研究者所关注的焦点问题。本文以隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验为研究对象,通过物理模型试验现象分析以及数值模拟验证等手段,对物理模型箱体边界效应进行了系统分析。结果表明,模型箱体边界效应的主要控制因素为箱体边壁阻尼与箱体尺寸比,其中：边壁阻尼与边界效应幅值呈正相关,边壁摩擦角小于土体内摩擦角时,黏聚力是边界效应影响的主要因素,边壁摩擦角大于土体内摩擦角时,摩擦力是边界效应影响的主要因素;箱体尺寸比影响边界效应幅值,长宽比与边界效应幅值呈正相关,并确定试验模型箱设计最优尺寸比为5∶3∶2.2。箱体边界效应对隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验结果存在显著影响。     

CSAMT在探测隐伏断裂构造与岩层划分中的应用

本文主要介绍CSAMT在矿产普查中探测隐伏断裂构造与划分岩层界面中的资料处理和成果解译等技术方法。该方法采用交流电,受地形影响小、可穿透高阻屏蔽层且对低阻带及不同电性带反应灵敏,并具有较大的勘探深度和较高的分辨率,对探测隐伏的断裂构造带、划分岩层效果明显。     

高密度电法探测基岩起伏和隐伏断裂中的应用

蓟县山前地带兴建高档住宅小区,勘察过程中发现基岩埋深变化较大,采用高密度电法进行探测,根据视电阻率等值线的变化规律较好地解决了这一问题,同时对测区内可能存在的隐伏断裂进行了分析判断。     

综合物探方法在城市隐伏断裂探测中的应用

成都市主城区存在多条隐伏断裂,而断裂的准确位置和分布情况尚不明确,这对成都市地下空间资源综合科学开发利用和城市建设规划布局优化造成极大安全隐患.为此,针对工区内的包江桥隐伏断裂采用了微动、高密度电阻率法、瞬变电磁法和土壤氡气测量这4种方法进行综合探测,不仅查明了测线位置的地层结构,而且还获得了包江桥隐伏断裂的位置、性质...     

正交各向异性岩体裂纹扩展的扩展有限元方法研究

石油开采和非常规天然气开采等领域经常遇到页岩、砂岩等沉积岩,这类岩石材料往往具有正交各向异性特征。采用扩展有限元方法研究了正交各向异性岩体裂纹扩展问题,并基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem2D。将由复变函数法得到的裂纹尖端渐进位移场作为裂尖位移增强函数,用相互作用积分法计算混合模式应力强度因子,采用修改后的最大周向拉应力扩展准则确定裂纹扩展方向。与传统有限元方法的对比表明,扩展有限元方法达到相同计算精度需要的自由度少,节省计算机时。分别采用扩展有限元程序和传统有限元程序模拟了岩石试件4点弯曲试验,二者所得结果一致。数值试验表明：随着正交材料坐标系与空间坐标系夹角α的增大,裂纹扩展方向角? 按照周期为? 的近似正弦函数的规律变化;保持剪切模量和泊松比不变时,正弦函数的值域随着弹性模量比值E1 /E2的减小而缩小,但相位基本保持不变;研究沉积岩断裂力学问题时,岩石的正交各向异性特征不可忽略。     

不同活动速率下隐伏地裂缝的模型试验研究

目前国内外已查明的地裂缝大都是在地表能直接看到的地裂缝,然而埋藏在地表之下不易被人类所察觉的隐伏地裂缝发育数量更为众多,并且隐伏地裂缝因活动速率的不同可能招致不同程度的地质灾害,进而不同程度地影响人类的工程建设活动。为了研究活动速率不一样的隐伏地裂缝之间有什么发育特征上的不同,进行一组物理模型对比试验。结果显示当隐伏地裂缝以不同速率活动时,其所形成的反倾裂缝和直立裂缝的形态特征、地表土体位错量以及土体对深部沉降的吸收作用均有明显的不同。并且当隐伏地裂缝慢速活动的一个活动周期内,其地表土体位错量随深部底板的的活动过程会出现典型的三次"稳定"阶段。     

断裂问题的扩展有限元法研究

扩展有限元（extended finite element method,XFEM）是近年来发展起来的、在常规有限元框架内求解不连续问题的有效数值计算方法,其基于单位分解的思想,在常规有限元位移模式中加入能够反映裂纹面不连续性的跳跃函数及裂尖渐进位移场函数,避免了采用常规有限元计算断裂问题时需要对裂纹尖端重新加密网格造成的不便。在推导扩展有限元算法的基础上,分析了应力强度因子的J积分计算方法及积分区域的选取。采用XFEM对I型裂纹进行了计算,有限元网格独立于裂纹面,无需在裂纹尖端加密网格;分析了积分区域、网格密度对应力强度因子计算精度的影响,指出了计算应力强度因子的合适参数,验证了此方法的可靠性和准确性。     

西藏加查地区某水电站坝址区隐伏断裂研究

该水电站坝址区位于Ⅱ、Ⅲ级阶地平台上,被第四系松散沉积物覆盖,为探明下面是否发育有隐伏断层,本文首先研究从区域构造变形规律和坝址区周边基岩断层发育特征出发,结合断层气(氡气和地气)测量技术发现13号测点氡气和地气均出现异常,因此判断该阶地下面发育有一条规模较小的隐伏断层,走向近东西向,倾角较陡,对该处工程稳定性影响不大。也为今后该地区的隐伏断裂研究提供借鉴意义。     

隐伏地裂缝扩展的大型原位浸水试验研究

隐伏构造地裂缝具有潜在的灾害效应和扩展的随机性,地表水是诱发隐伏地裂缝扩展的因素之一。文章基于野外调查资料,定性分析了地表水对隐伏地裂缝扩展效应的水压作用及黄土湿陷作用机理,在此基础上选取西安曲江新区隐伏地裂缝黄土场地开展了大型原位现场浸水模拟试验。通过沉降观测、数据分析和数值模拟,得出水压作用是诱发隐伏裂缝扩展的辅助因素,因黄土湿陷作用在裂缝两侧形成的差异沉降是主要诱因,靠近隐伏地裂缝的区域沉降量最大,距离裂缝越远沉降量越小,整体呈现抛物线形的沉降模式,验证了地表水诱发浅表层黄土隐伏裂缝扩展的作用机理。相关认识对于研究隐伏构造地裂缝的扩展机理以及防治工作具有重要的指导意义。      

岩石断裂的研究现状浅析

经典断裂力学理论的研究已经取得很大的进展,然而由于岩石材料的性质,该理论在岩石材料研究方面遇到了局限,岩石断裂研究具有其特殊性。在参考相关文献的基础上,简要介绍了常用的岩石断裂准则,以及岩石断裂研究新情况。     

龙首山成矿带芨岭北东向深大隐伏断裂构造存在的佐证

龙首山成矿带是我国著名的镍、铁、铜、铀等多金属矿产地,北西向断裂作为铀矿控矿构造特征明显。为了查清芨岭北东向隐伏深大断裂是否存在,综合分析研究区的磁场、重力场和遥感影像特征,识别出芨岭北东向的深大断裂,认为该断裂属于早期的深大断裂,晚期复活错断了北西向断裂,北东向与北西向深大断裂交汇处是铀成矿的有利靶区。这一结论可能为该区深部找矿提供参考。     

豫西北太行山奥陶系露头区裂缝发育特征及主控因素

在总结前人研究资料和实地观测豫西北太行山奥陶系5处露头区的基础上,运用地质统计学与构造应力场分析的方法,对豫西北太行山奥陶系露头区裂缝发育特征及其主控因素进行了研究。结果表明：研究区以高角度裂缝为主,可分为北北西、北西西、北北东和北东东向4组,裂缝切深变化较大,野外可见的切深多为0.15～1.4 m,裂缝线密度为1～10条/m,裂缝张开度一般介于0.1～3 cm之间;裂缝充填程度包括未充填、半充填和全充填3种,以未充填裂缝为主,半充填和全充填裂缝次之;裂缝充填物以方解石为主,灰泥质充填和铁质充填次之。通过对研究区裂缝主控因素和成因机制分析,认为其主要形成于古近纪、中新世、上新世至更新世早期、中更新世以来4个时期;构造作用、岩性和岩层厚度是影响其发育的最主要因素,其中构造作用对裂缝的倾向、倾角、张开度、切深、充填状况等影响较大,岩性及层厚与裂缝线密度关系密切,岩层内白云质含量愈高裂缝越发育,且裂缝线密度平均值与岩层厚度平均值具有良好线性关系。     

某电站地下厂房裂隙发育规律及其对围岩稳定性的影响

裂隙岩体内的洞室围岩块体稳定问题是抽水蓄能电站地下厂房建设中要解决的重要工程地质问题。为了在厂房开挖之前较准确地预测不稳定块体的发育位置,本文以某抽水蓄能电站为例,对厂房探洞内的裂隙进行统计分析,结合厂房区构造断层的发育情况,确定了裂隙发育规律;根据裂隙发育规律将厂房区岩体划分为A、B、C、D、E 5个构造分区;并利用Unwedge程序,以各分区裂隙组合为基础,确定可能形成的块体位置,评价了其稳定性状况。研究结果表明,裂隙受多期构造控制,在一定范围内具有方向性,A、E区优势裂隙与构造产状接近,B、C、D区优势裂隙与构造产状斜交;裂隙在厂房上、下游侧边墙各形成6处潜在不稳定块体,顶拱处形成10处潜在不稳定块体,右端墙处形成1处潜在不稳定块体。     

基岩裂隙渗透性的野外研究

本文着重探讨了基岩裂隙的野外测量及渗透张量的计算方法，并给出了作者在湖南辰溪煤矿的实测计算结果及在指导采煤中的应用。     

Micromechanical Model for Simulating the Fracture Process of Rock

Summary A micromechanical model is proposed to study the deformation and failure process of rock based on knowledge of heterogeneity of rock at the mesoscopic level. In this numerical model, the heterogeneity of rock at the mesoscopic level is considered by assuming the material properties in rock conform to the Weibull distribution. Elastic damage mechanics is used to describe the constitutive law of meso-level elements, the finite element method is employed as the basic stress analysis tool and the maximum tensile strain criterion as well as the Mohr-Coulomb criterion is utilized as the damage threshold. A simple method, similar to a smeared crack model, is used for tracing the crack propagation process and interaction of multiple cracks. Based on this model, a numerical simulation program named Rock Failure Process Analysis Code (RFPA) is developed. The influence of parameters that include the Weibull distribution parameters, constitutive parameters of meso-level elements and number of elements in the numerical model, are discussed in detail. It is shown that the homogeneity index is the most important factor to simulate material failure with this model. This model is able to capture the complete mechanical responses of rock, which includes the crack patterns associated with different loading stages and loading conditions, localization of deformation, stress redistribution and failure process. The numerical simulation of rock specimens under a variety of static loading conditions is presented, and the results compare well with experimental results.     

A New Method for In-situ Non-contact Roughness Measurement of Large Rock Fracture Surfaces

Summary This paper presents a new method for in-situ non-contact measurements of fracture roughness by using a total station (TS). The TS is a non-reflector geodetic instrument usually used for measuring control points in surveying and mapping. By using a special-developed program, the TS can be used as a point-sensor laser scanner to scan a defined area of the fracture surface automatically, in field or in laboratory, at a distance away from the target surface. A large fracture surface can be automatically scanned with a constant interval of the sampling points, both within a defined area or along a cross-section of the exposed rock face. To quantify fracture roughness at different scales and obtain different densities of the scanned points, the point interval can be selected with the minimum interval of 1 mm. A local Cartesian co-ordinate system needs to be established first by the TS in front of the target rock face to define the true North or link the measurements to a known spatial co-ordinate system for both quantitative and spatial analysis of fracture roughness. To validate the method, fracture roughness data recorded with a non-reflector TS was compared with the data captured by a high-accuracy 3D-laser scanner. Results of this study revealed that both primary roughness and waviness of fracture surfaces can be quantified by the TS in the same accuracy level as that of the high accuracy laser scanner. Roughness of a natural fracture surface can be sampled without physical contact in a maximum distance of tens of meters from the rock faces. Received May 24, 2001; accepted July 24, 2002; Published online November 19, 2002     

扬子陆块东南缘民乐-古丈一带钒、钼矿地质特征及找矿方向

民乐-古丈一带牛蹄塘组下段黑色岩系分布广泛,该岩系沿古丈复背斜成北东向展布,以富含钒钼矿为特征。钒钼矿形成受地层岩性岩相、构造多因素控制,具有正常海水沉积、热水沉积及生物化学沉积多重特点。本文通过该岩系地质特征研究,结合实地勘查成果,提出了大龙-西岐一带、凤鸣溪-丫角山一带以及天桥山-黄金寨一带三个重要的钒钼矿找矿地段。     

二维地震和高密度电阻率测深揭示雄安新区浅部三维地质结构特征

雄安新区位于冀中平原中部,地下结构具有新生界地层厚度大、成层性好、构造活动相对稳定的显著特点。为精细刻画浅层地质结构,查明断裂构造特征,提高浅部探测精度,本次研究采用二维地震和高密度电阻率测深结合的方法,取得了重要进展,主要包括:①精细刻画了工作区200 m以浅深度范围内地层结构和断裂构造空间展布特征;②构建了三维可视化地质结构模型,直观展示了调查区新生界地层起伏形态和主要断裂构造空间分布;③分析总结了城镇化高干扰背景环境下地球物理方法的探测深度、横纵向分辨率、目标体响应特征和适用性等。本次研究有效支撑和服务了雄安新区的规划、建设以及地下空间开发利用,对大厚度沉积盆地城市地下空间的地球物理探测具有借鉴意义。     

地下开采中优势面控灾机理分析

煤矿地下开采事故屡见不鲜。氨今为止,尚没有一种完善的理论能对灾害事故发生展布机理作出很好的解释。本文据诸多实例了优势面控水、控稳的两类机制,并建立了相应的优势指标和评价准则,为地下开采灾害控制研究提出一种新的思想和分析方法。