构造物理模拟和PIV有限应变分析对构造裂缝预测的启示

油气储层中构造裂缝发育与有限应变状态关系密切,为了探索有限应变分析与构造裂缝预测的新技术方法,此次研究设计完成了一组单侧挤压收敛模型的物理模拟实验,并引入粒子图像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)技术对实验过程进行了定量化分析。实验模型在垂向上为含粘性层的多层结构,实验结果形成了一个肉眼可见的箱状褶皱。通过PIV技术可以获取实验模型变形演化过程中各阶段的位移场数据,计算出各阶段的增量应变,实现从初始状态到褶皱形成之后整个变形过程的有限应变分析,探讨构造裂缝成因机制和分布规律,进行定量化裂缝预测。挤压变形过程初期,应变分布范围很广,有限应变较弱(约4%~8%),在挤压方向上的线应变表现为弱压应变,在垂向上的线应变表现为弱张应变,这种现象是褶皱和断层产生前平行层缩短和层增厚的纯剪变形结果,也是区域型张裂缝和剪裂缝形成的主要机制。褶皱和断层即将发育之时至发育之后,应变局限在断层发育的剪切带及附近区域,有限应变表现为较强(达20%)的剪切应变和剪切张应变,是断层面附近简单剪切变形作用的结果,也是局部型剪裂缝和张剪裂缝形成的主要机制。     

澜沧江某水电站近坝库岸岩体倾倒变形的成因机制

该倾倒变形的发育特征较复杂,其内部、底界和后缘深部的变形破坏类型分别为“倾倒蠕变”、“倾倒滑移”和“倾倒弯折”.岩体倾倒变形的形成与演变经历了4个阶段:卸荷回弹-倾倒蠕变,层内拉张-切层张剪破裂,弯曲-折断变形破裂和底部滑移-后缘深部折断面贯通破坏.     

鄂尔多斯盆地中东部三叠系、侏罗系露头区裂缝体系展布特征

通过对研究区内三叠系、侏罗系露头区裂缝(节理)的观察与统计,对鄂尔多斯中东部地区三叠系、侏罗系裂缝体系的展布特征进行了研究,并分析了裂缝体系形成的构造应力场背景。研究表明在中新生代不同时期构造应力场及其联合作用的控制下,研究区裂缝体系中一组通常为压剪性质,而另一组多为张剪性质,区内NE向和NNE向裂缝体系多具张剪性质。裂缝体系主要发育于脆性岩层当中,且以垂直裂缝(节理)最发育,在某一确定地区裂缝带成对出现,并相互交切,共同组成平面X型共轭剪节理。     

有载冻融作用对深部重塑黏土抗剪强度影响的试验研究北大核心CSCD

深厚表土层冻结法凿井工程中,深部土体由于经历了高压冻融作用,导致其工程性质变化,认识冻融作用对其强度与变形影响,对于冻融病害防治有一定意义。本文通过室内试验对深部重塑黏土进行了有载冻融,并对不同干密度、围压、冻结温度和融化温度条件下的深部冻融重塑黏土进行三轴剪切试验,探讨有载冻融作用下深土重塑土抗剪强度的变化规律。研究结果表明:冻融作用使深部重塑黏土的偏应力-应变关系由软化型转变成硬化型;同时,经冻融作用后其抗剪强度与割线模量都产生了一定的下降,在本试验条件下,抗剪强度最高下降了48.8%,割线模量E_()最大下降了72.0%。通过对各影响因素的显著性分析,发现初始干密度对抗剪强度和割线模量影响最为显著,围压对两者的影响最弱。     

页岩储层构造应力场模拟与裂缝分布预测方法及应用

裂缝是页岩气富集高产的关键因素。页岩储层相对于其他类储层,其塑性相对较强,非构造裂缝比较发育。构造裂缝除了高角度的张性裂缝以外,还发育有较多近水平的层理缝和低角度构造滑脱缝等。针对页岩储集层的特点和裂缝发育特征,从地质成因的角度,明确了页岩储层构造应力场模拟数值模拟与裂缝分布预测的方法,其核心在于建立模拟地区目的层的精确地质模型、力学模型和计算模型。利用页岩的单轴和三轴压缩变形试验和声发射古、今地应力测试结果进行应力场数值模拟,获得研究区构造应力场分布,将应力场模拟果与实际地质资料对比分析,进一步检验校正已建立地质模型的合理性;在此基础上,针对富有机质页岩主要发育张裂缝和剪裂缝的特殊性,分别采用格里菲斯、库伦摩尔破裂准则计算页岩储层张破裂率、剪破裂率,依据张裂缝与剪裂缝所占的比例关系,求取页岩储层的综合破裂率,据此分别定量表征页岩储层中张裂缝、剪裂缝和构造裂缝的发育程度及分布特征;并在全面考虑影响页岩储层裂缝发育程度的综合破裂率、脆性矿物含量、有机碳含量多种主控因素的基础上,进一步提出了页岩“裂缝发育系数”作为最终判别指标,综合定量表征页岩储层裂缝的发育程度和预测裂缝的分布,页岩裂缝发育系数越大,裂缝发育程度则越高。该方法在我国渝东南地区下志留统龙马溪组页岩储层裂缝分布预测中得到了有效应用。此不仅为页岩气甜点优选提供了一种新的技术方法,而且模拟成果对页岩气水平井和压裂改造方案的设计具有重要的参考价值。     

滑坡失稳阈值预报方法研究

结合前人对滑坡变形随时间变化关系研究结果,分析7个典型滑坡变形-时间曲线发展变化特点,划分为缓变型滑坡、突发型滑坡、趋稳型滑坡,据类型对比提出适宜的预测预报方法。研究发现：(1)改进切线角模型统一了横纵坐标量纲,以α=80°为缓变型滑坡进入临滑阶段的阈值具较强的普适性;(2)基于变形速率阈值和变形过程的综合预报判据,在一定程度上解决了突发型滑坡漏报和误报问题,提高了预报精度;(3)速率比值法适用于趋稳型滑坡的预测预报及边坡工程防治效果评价;(4)滑坡内外环境不断变化,在一定条件下缓变型、突发型、趋稳型滑坡间可发生形式转变。由此提出针对性防治对策：对需治理的缓变型滑坡,防治的重点应避免滑坡发生;对变形迅速、治理代价很高的突发型滑坡,应及时疏散撤离人员,减少损失。     

甘肃南部坪定-化马断裂带锁儿头滑坡成因机制

甘南坪定-化马断裂是现今仍在活动的断裂,具左旋走滑性质。锁儿头滑坡沿坪定-化马断裂带发育,属典型的蠕滑型断裂带滑坡。野外调查及监测资料表明,锁儿头滑坡规模大,为巨型滑坡,其上发育多个次级小滑坡。滑坡体由断层破碎带、碎石土和堆积黄土组成。该滑坡变形强烈,拉张裂缝、剪张裂缝多见,目前处于蠕滑变形状态,是在内外动力耦合条件下形成的。活动断裂对滑坡的形成、发展起控制作用,而降雨则是滑坡复活的主要诱发因素。因此,对锁儿头滑坡成因机制的深入研究可为蠕滑型断裂带滑坡的预测防治提供理论依据。     

裂缝性岩石裂缝扩展的光弹构造物理模拟——以南华北盆地户部寨沙河阶组为例

以南华北盆地户部寨第三系沙河阶组粉砂岩低渗透储层为例,总结了其中发育的5种类型构造裂缝组合,即:①南北向雁形张节理组成的共轭剪节理带;②东西向雁形张节理组成的共轭剪节理带;③缠结状多组剪切构造裂缝;④组合状交切的多组剪切构造裂缝及张裂缝;⑤散状无序排列的构造裂缝。在此基础上,建立光弹性试验构造物理模型,沿现应力场96°方向,均匀地对该模型逐步增加外载力。结果表明,沿各组合裂缝尖端分别形成对称于裂缝走向、且主轴垂直于裂缝的Ⅰ型等色线条纹;对称于裂缝走向、且主轴平行于裂缝走向的Ⅱ型条纹和斜交于裂缝走向的复合型(Ⅲ型)条纹。第①类组合裂缝尖端以Ⅰ型等色线条纹的拉张应力和张剪应力为主;第②类组合裂缝尖端以复合型(Ⅲ型)等色线条纹的挤压应力为主;第③、④和⑤类组合裂缝尖端的应力分布较为复杂。当模型外载荷接近1000kg时,裂缝尖端起裂,并开始发育显微裂缝,而当外载荷达1100-1200 kg时,沿裂缝尖端部位形成宏观裂缝,并开始扩展。5种类型的裂缝组合扩展发育程度由强至弱依次为:①,③,⑤,②,④。其中第①类共轭裂缝组合起裂最早,扩展最快,裂缝间的连通趋势最好,说明规则分布的构造裂缝组合,在垂直于外施加载衙时更易达到连通的目的。     

三峡库区水位变化与花园养鸡厂滑坡变形特征关系

2010年10月三峡库区蓄水至175m,花园养鸡厂滑坡发生了较为强烈的变形。在对新生裂缝详细调查研究、GPS观测及深部位移监测数据分析的基础上,对库水位变化所引起的滑坡变形特征及其成因进行了综合分析。研究结果表明:蓄水后,滑坡前缘因受到加载及库水侵蚀作用,在中前部产生9条NNW向横向张性裂缝,裂缝具有明显的分段性,表现为相似的发育模式。该滑坡属于典型的渐进后退式滑坡,由3个滑块组成,在裂缝SW段伴随拉张和剪切双重作用,反应滑块往SWW向滑动的同时伴随一定程度的右旋滑移,其失稳模式为有多重滑面的牵引破坏模式。在滑体的后缘及左侧变形较小。2007年以来滑坡经历了4次较大的变形,并与库区水位的变化周期相吻合,每次裂缝基本上都是在库区水位短时间内大幅度上升形成的。     

塔里木盆地巴楚凸起H气田奥陶系裂缝 主控因素及演化序列研究

塔里木盆地巴楚凸起H气田奥陶系储层是低孔低渗裂缝型碳酸盐岩储层,裂缝系统作为储层渗流通道,其空间分布和主要控制因素复杂,具有多期次叠加和演化的特征。文章采用岩心描述、镜下观察、成像解释等手段分析H气田奥陶系碳酸盐岩裂缝发育特征,明确裂缝主要控制因素,建立了裂缝演化序列。结果表明:巴楚凸起H气田奥陶系以剪切缝为主,张性缝次之,张剪缝最少,裂缝发育的主要控制因素为断层、褶皱及岩性等,与断层相关的裂缝主要发育在距断层460 m的范围内;地层变形程度越强,裂缝越发育;裂缝发育程度还受岩性的控制,灰岩的粒径或晶粒越大,构造裂缝越发育。根据已有碳氧同位素测试研究成果,并结合岩心观察发现:H气田奥陶系构造裂缝至少经历了三期演化活动,分别为加里东运动中期少量低角度北东东向和北北西向剪切缝发育期,海西运动晚期中-高角度北西西向张性缝和北东东向、北西向张剪缝以及南北向、北东向中-高角度剪切缝发育期,喜马拉雅运动早期大量高角度北东东向、北北东向剪切缝发育期,主要造缝期为喜马拉雅运动早期。      

基于物理模型试验的含多层软弱夹层顺层开挖高边坡变形破坏特征分析

含有多层软弱夹层的开挖边坡具有坡体结构复杂、稳定性评价及治理难度大的特点。以黔西地区现场开挖高边坡为研究对象,建立室内物理试验模型,通过不同的工况开挖,呈现变形破坏演化过程,分析变形破坏模型及形成机理,确定失稳破坏范围。结果显示:开挖边坡裂隙产生由表及里,由上及下,由最初的陡倾短小裂隙扩展延伸,最终贯通,形成近似平行岩层的长大裂缝;缓坡度开挖变形破坏为浅表层,整体稳定性较好,失稳范围及规模较小;陡坡度开挖变形破坏规模大,稳定性较差,以滑移-拉裂深层失稳为主;浅层滑坡滑面以层间泥化夹层剪切为主,基本呈直线状;深层滑坡滑面以层间泥化夹层剪切以及陡倾裂隙组合形成阶梯状。该研究成果对于黔西地区的顺层开挖高边坡设计、稳定性评价、治理措施选择等具有重要的指导意义。     

反倾岩坡倾倒变形结构面影响效应研究

为探究斜坡内赋存不同角度裂隙对反倾岩质斜坡倾倒变形影响效应,设计9组底摩擦试验,对比无裂隙、含一组陡裂隙和一陡一缓两组裂隙的3种类型试验,并研究不同裂隙角度对破裂面影响效应。研究发现:陡倾裂隙倾角的变化对岩坡变形及主破裂面形态有明显规律性影响,陡倾裂隙倾角越陡,发生倾倒破坏的初始破坏部位逐渐偏浅,破坏面积相对减小,破裂面从近直线型逐渐转变成近弧形;缓倾裂隙的赋存,使陡倾裂隙顺尖端开裂增长并且相互沟通形成贯通的破裂面过程更加快捷;主破裂面上覆层状岩体在倾倒变形时,会在其中部产生反向弯曲折断;通过定量分析,发现随着陡倾裂隙倾角增大,岩坡倾倒变形破坏幅度降低,而主破裂面无论是长度还是反映迹线复杂度的分维值亦随之降低。     

Analysis on mechanism of landslides under ground shaking: a typical landslide in the Wenchuan earthquake

A high steep rock hill with two-side slopes near National Road 213 is used as a prototype in this paper. The full process from initial deformation to sliding of the slope during ground shaking is simulated by a new discrete element method—continuum-based discrete element method. Then, the seismic responses of a high steep rock hill with two-side slopes are researched from the base of time, frequency and joint time–frequency domain using Hilbert–Huang transform and Fourier Transform. The findings are: first, the stress concentration phenomenon occurs at the top of the sliding mass, and then some tension and shear failure points appear, which expand from the top toward the toe of the sliding mass along the structural plane. At the same time, the number of tension failure points gradually increases. Then the toe of the sliding mass fails, and shears out from its toe which results in the landslide. If the material parameters are under the same conditions, the landslide in the middle of the slope occurs before that at the foot of slope, and the starting time of landslide and the arrival time of the peak ground acceleration are synchronous or the former slightly lags behind the latter. The difference of distribution and dissipation of earthquake energy in the sliding body and sliding bed is the major influence factor to induce the landslide. When the accelerations are small, the instantaneous frequency of accelerations between sliding bed and sliding body is generally consistent, the energy transmittance coefficients of the sliding structural plane and the controlled frequency band of the energy all range in a limitation; with the increase of the seismic intensity, the instantaneous frequency and the energy transmittance coefficients gradually decrease, and then they are steady within the lower limitation. At the same time, the controlled frequency band also shifts gradually from high frequency band to the lower one. Based on the input seismic wave, the peak acceleration amplifies as the increase of elevation, regardless of the monitoring points on the steep slope, gentle slope side or inside of the slope. Generally speaking, amplification of the vertical peak acceleration is stronger than that of the horizontal peak acceleration, and amplification of the peak acceleration on a steep slope is stronger than that on a gentle slope, and that of inside of the slope is the weakest amplification.     

中等倾角岩层顺向坡滑坡发育特征及形成机制分析

中等倾角岩层顺向坡,受坡体结构和岩体物理力学性质控制,多存在变形、崩塌、滑坡等工程地质问题,常常会诱发大规模的地质灾害。该类斜坡潜在滑动面不直接出露地表,一般具有变形机制复杂、隐蔽性强和危害大的特点,是滑坡领域关注与研究的重点。拖担水库大坝左岸为一古滑坡,在水库扩建开挖过程中,诱发古滑坡体复活。在分析古滑坡工程地质条件的基础上,结合地质勘察和变形监测结果,研究了其变形特征及形成机制。研究结果表明:①左岸古滑坡具有岩层倾角“上陡下缓”、滑体底部存在反倾坡内的剪切破碎带、滑床岩体产生弧状弯曲的特点;②古滑坡体为一基岩顺层滑坡,滑动模式为“滑移（弯曲）—剪断”型,其变形破坏过程包括三个阶段:弯曲隆起阶段、滑移剪出阶段和扰动变形阶段;③该类斜坡变形破坏后,坡体易沿“上陡下缓”的椅型软弱层面发生二次滑动,滑坡控制关键是对下部变形区的保护。     

湖相碳酸盐岩高精度层序地层学探析

目前湖相碳酸盐岩是国内外沉积学研究的薄弱环节。应用层序地层学方法,以济阳坳陷沾化凹陷埕东地区沙一段的湖相碳酸盐岩为例,详细探讨湖相碳酸盐岩的层序地层学发育模式、层序地层单元划分级次以及控制因素等问题,重点对湖相碳酸盐岩准层序的类型、识别标志、形成机理以及对比模式进行了研究。研究表明,湖相碳酸盐岩可总结为陡坡和缓坡2种层序地层学发育模式;其高精度层序地层单元可划分为层序、体系域、准层序组、准层序、微层序5级;准层序类型可划分为陡坡型、缓坡型和深洼型3大类和L-M型、滩坝型、滑塌型、深水蒸发型4小类,不同类型的准层序形成的主控因素各不相同;准层序的对比模式可总结为陡坡突变和缓坡第变2种模式,在不同模式中准层序发生有规律的变化。     

加筋陡坡临界高度的影响因素敏感性研究

基于塑性极限分析的上限定理,利用自编程序,分别计算了不同坡脚、顶面倾角、内摩擦角、黏聚力、筋带抗拉强度、加筋间距、格栅布置方式、填土重度、地震烈度、顶部荷载共10种影响因素作用下加筋陡坡的临界极限高度。根据正交分析方法给出了各个因素的敏感性顺序。结果显示,土的内摩擦角和地震作用对陡坡临界高度的影响最为显著,黏聚力敏感性则较缓坡有所下降。因此,对陡坡应重视对土的内摩擦角的选取,并在设计中对地震作用予以重视。     

似层状岩质边坡倾倒变形破坏过程数值模拟

在构造裂隙组合切割下形成的反倾向"似层状"结构边坡在工程中普遍存在。文章以浙江某梯级电站厂房后边坡为例,通过运用二维离散元和三维有限差分法,对"似层状"岩质边坡倾倒变形特征及破坏演化历程进行模拟,结果表明这类边坡变形破坏主要经历三个时期:初期为块体间的相互剪切错动和局部缓倾节理的剪切蠕变;中期岩体加剧倾倒后推动坡体前缘滑动,在坡体表面形成倾倒台阶后地表拉裂;后期倾倒变形剪切错动向坡体内部扩展,剪切带相互连通并逐步追踪缓倾结构面或强弱风化分界面,在空间形态上形成具有"台梯状分布"的滑动带,为深层蠕滑创造条件。     

岩石拉伸剪切破裂试验研究

岩石拉伸剪切破裂是一类特殊应力状态条件下的破裂形式,属于同时受垂直于破裂面的法向拉应力和平行于破裂面的剪应力作用的复合破裂模式。在研制的DSC-800电液伺服测控岩石拉伸剪切试验仪的基础上,进行了大量花岗闪长岩和砂岩的拉伸剪切试验,开展了配套的破裂断口三维激光扫描、扫描电子显微镜（SEM）、岩石物理力学性质试验、颗粒流离散元（PFC）数值模拟等相关试验,利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结论如下:（1）岩石拉剪破裂面的宏观与微观分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大;（2）岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时,岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏,并且随着拉应力的增加,岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显;（3）岩石在拉伸剪切区的破裂拉应力与剪应力成线性负相关关系,在拉伸剪切应力区的岩石破裂线斜率比压缩剪切区大,岩石在拉伸剪切应力条件下比压缩剪切应力条件下容易破裂;（4）在岩石拉伸剪切条件下,剪切速率与剪切强度成非线性反相关关系,随着剪切速率的增加,岩石拉剪破裂面粗糙度增加;（5）建立了岩石拉伸剪切PFC数值试验模型,模拟了岩石拉伸剪切破裂过程中的力链演化以及剪切速率对拉剪破裂面粗糙度的影响,获得了与实验室试验一致的结果。     

平缓反倾红砂岩高陡切坡的稳定性分析

以沪渝高速公路湖北段平缓反倾红砂岩为研究对象,在平缓反倾红砂岩高陡边坡中岩体易软化崩解。自然冲侵蚀形成的高陡山体卸荷变形可达几十毫米至近百毫米,卸荷变形破裂方向与构造节理重叠,使节理裂隙变宽,贯通性提高,为高陡坡体提供了顺坡向陡直破裂面。加之公路切坡卸荷变形和坡体软化变形,岩体软化后的变形模量下降约80%,卸荷变形和软化变形各有数毫米的变形量,与自然坡体卸荷重叠,使坡体变形进一步加大,使红砂岩坡体潜在不稳定性增大。同时地下水作用使卸荷裂隙充填一定高度的静水压力,还使岩体产生软化,岩块软化系数一般在0.3~0.7,导致岩体强度显著下降,30～40 m高的静水压力可使边坡的稳定性系数从开挖前的5.56降至1.96,开挖后从2.77降至1.07,这两方面的作用可使切坡后较稳定的反倾坡体变化到极限平衡状态,甚至失稳状态。因此,施工中要特别注意切坡后的即时加固,并采取措施防止卸荷裂隙中地下水聚积,减少地下水对坡体的软化。     

断拗型盆地构造-沉积模式与隐蔽性油藏——以西藏伦坡拉盆地古近系为例

伦坡拉盆地为西藏地区唯一发现工业油流的古近系断拗型陆相残留盆地。勘探实践表明,早期对该盆地构造-沉积模式与油气成藏关系认识不够一定程度上制约了勘探,为理清二者关系并落实有利勘探方向,本文对该盆地的构造、沉积特征及成藏条件进行分析。盆地南北向可划分为缓坡带、深凹带、陡岸带3个构造带;识别出河流-冲积扇、扇三角洲、湖泊、水下扇4种沉积体系,其中在缓坡带发育河流-冲积扇、扇三角洲沉积体系,深凹带发育湖相沉积体系,陡岸带发育水下扇沉积体系;盆地存在2种沉积体系组合:缓坡带(河流)冲积扇-扇三角洲-滨浅湖相沉积体系组合,陡岸带水下扇-半深湖(深湖)-滨浅湖相沉积体系组合;可用"双向物源、缓坡扇三角洲、陡坡水下扇"构造-沉积模式解释。在缓坡带,应寻找扇三角洲前缘岩性隐蔽性油藏;在陡岸带,有可能发现构造-岩性复合型隐蔽性油藏。盆地具有多种潜在有利勘探目标类型,展现出较好的勘探前景。