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。     

西安城区地裂缝破裂扩展的数值模拟

西安城区由于其复杂、特殊的地质条件,成为世界上地裂缝发育最典型的城市,这给建设中的西安地铁带来了全新的课题。隐伏地裂缝在黄土中的扩展机理,影响范围,影响程度等问题,都是西安地铁建设中所广泛关注和亟待解决的问题。为研究黄土中地裂缝的扩展机理和扩展特征,笔者结合大型物理模型试验结果,利用数值模拟的方法,建立了三维数值分析模型,进行了不同工况的对比分析研究。研究表明,采用数值模拟的结果与模型试验以及调查所见地裂缝带上建筑物的破裂形式基本一致,这说明用数值模拟进行地裂缝扩展分析是有效的。     

用数值模拟研究西安地裂缝

本文在分析总结西安地缝基本特征的基础上,采用二维有限元法,对西安地裂缝进行了数值模拟。     

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。     

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。     

临汾地面沉降数值模拟及其与地裂缝灾害关系研究

临汾市区是继西安、大同等地区之后又一地裂缝灾害比较严重的地区, 已经严重影响着临汾市经济的可持续性发展。经研究表明, 地下水超采为影响该区地裂缝灾害的第二大因子, 它是通过地面沉降来促使地裂缝的形成和发展。本文通过对临汾市区地面沉降进行数值模拟, 总结出了地面沉降的变化规律。分析认为, 地裂缝灾害的易出现部位为沉降梯度陡变带, 即沉降梯度最大处。     

活动断层作用下地裂缝开裂机理研究

地裂缝的成因机理争论不断,笔者认为活动断层与全新世浅表层开裂两者之间的联动机制为主要原因之一。文章以华北平原典型地裂缝为例,通过详尽地面调查、资料分析总结,结合地球物理勘察、槽探揭露和钻探等多种技术方法,得到以下几点认识:（1）依据全新世浅表层开裂形态特征,可将华北平原地裂缝划分为全新世节理裂隙型地裂缝和全新世活动断层型地裂缝。（2）节理裂隙型地裂缝开裂的外部条件是华北平原地下水位下降,疏干的松散含水层是地表水沿节理裂缝下渗后的储存场所,是产生渗透压力的原因;而活动断层是产生该类地裂缝的内部因素,两者缺一不可;活动断层型地裂缝实质是全新世活动断层。（3）节理裂隙型地裂缝主要特征是地表局部塌陷、间断性、地表无高差等;活动断层型地裂缝主要特征是连续性强,地表断距明显;地表断距是两种类型地裂缝的最主要区别特征。本文首次以构造活动断层与全新世浅表层开裂两者之间的联动机制为研究线索,阐述了构造活动断层在地裂缝形成过程中的具体作用,厘清了地下水位下降所扮演的“角色”,为城市规划建设提供了地质依据和建议。     

采动影响下逆断层活化规律的数值模拟

煤矿开采过程中断层活化时有发生,是矿井灾害防治研究的热点问题。为了揭示不同断层倾角条件下煤层开采对断层活化的影响,以淮南新集二矿地质采矿条件为例,采用FLAC^3D进行数值模拟,系统研究逆断层下煤层开采过程中断层的动态活化规律,阐明了断层活化位置与工作面推进距离、断层倾角之间的关系。研究表明,断层活化可分为累积期、形成期、破坏期3个发育阶段;当工作面回采至工作面推进距离的一半时,断层开始活化,至开采结束,断层滑移量最大;倾角越小的断层面越早开始活化,倾角越大的断层面滑移量越大。研究成果为断层发育区煤炭资源安全开采提供了理论依据和技术参考。     

抽水作用下先期断裂对地裂缝的影响研究

过度抽取地下水和先期存在的断裂构造是西安市地裂缝地质灾害发生的主要原因。作者首先从理论上分析了抽水情况下地裂缝形成的张拉破裂机制、剪切破裂机制和张剪复合破裂机制,并从结构面控制理论分析了先期断裂在地裂缝形成中的控制作用;然后依据比奥三维固结理论,采用FLAC软件建立了西安地裂缝的计算模型,比较了抽水作用时没有先期断裂和地层差异、有先期断裂而没有地层差异、有地层差异而无先期断裂等情况时的地面变形特征,得出抽水作用下,先期断裂对地裂缝的形成及发展具有诱导、隔离和放大的耦合作用,从而得出先期断裂不仅仅只是地裂缝形成的构造基础的结论。     

构造重力扩展机制的地质力学模拟研究

本文采用相似材料的地质力学机制模拟试验,再现并验证了西安地裂缝的构造重力扩展机制,得出了构造重力扩展机制是西安地裂缝形成的根本成因,同时还得出了工程建筑物只要避开地裂缝一定距离就可以安全布置,以及地裂缝最大可能延深为老第三系地层的中上部等重要结论,初步揭示了现今西安市异常地面沉降的成因,具有一定的理论价值和社会效益。     

地震液化条件下地面的大变形三维数值分析

地基液化条件下地面大变形是造成工程结构破坏的主要原因之一。考虑地形、地震、土层、地下水等影响因素,针对典型的岸坡场地3层土地基模型,利用有限差分法FLAC3D,对可液化场地在地震作用下发生地面大变形的过程进行了数值模拟。结果表明,临空面坡比愈大、地表坡度越陡,地基液化地表侧向位移值愈大;变坡度的场地在地震作用下发生的侧移要比单一倾斜率的场地大;地震最大加速度越大、地震持续时间越长,地基液化侧向位移、地表沉陷和隆起现象越严重;液化层的埋深、厚度以及地下水位都对地面大变形的产生有着不同程度的影响,应选择合理的地基处理方案进行处理。     

先存断裂对抽水沉降及地裂缝活动影响的数值模拟

过度抽取地下水对断层构造型地裂缝的加剧作用是很明显的,但具体的作用机制却很复杂,过去的研究多是简单的定性分析,数值模拟和定量计算少有报道。笔者采用比奥(Biot)固结渗流理论和基于A、B面接触判断的库仑滑动和张裂的接触面单元,对抽水作用下地裂缝的活动进行了数值模拟,初步探讨了抽水活动引发和加剧地裂缝活动的机制。结果表明:抽水作用下抽水井周围水平应力场发生近井区挤压、远井区拉张的变化,当拉张区内的拉应力超过土体抗拉强度时将会出现自上而下的张裂缝;先存断裂的存在将影响应力变化的模式,同时由于断裂的软弱性,使得地层容易沿其发生滑动或拉裂,从而加剧地裂缝的活动;先存断裂对地面沉降和地裂缝具有诱导、隔离和放大的作用。     

CO2地质封存力学问题的数值模拟方法综述

随着社会的发展,人类对化石能源的依赖导致大量的CO2排入大气层,从而引起全球变暖、海平面上升等一系列全球性气候问题。CO2地质封存是当前CO2减排最有前景的技术,但大量的CO2注入地层易诱发相应的力学问题：地表隆起变形、盖层完整性受损、断层活化等。因此,为了降低CO2地质封存带来的安全风险,理论分析、数值模拟和响应面方法等手段被应用于此类力学问题的分析中。由于数值模拟方法能够解决大尺度范围内复杂几何模型的多场耦合问题,数值模拟成为当前在CO2地质封存力学领域中应用最广泛的方法。因此,对CO2地质封存若干力学问题的数值模拟方法进行了全面的综述。首先,简要介绍了多孔介质的温度-渗流-力学-化学（THMC）多场耦合原理,并对数值模拟解决多场耦合问题的方法进行了归类。然后,详细总结了数值模拟在解决CO2地质封存力学问题方面的国内研究进展。最后,讨论了数值模拟方法在此类力学问题方面的应用缺陷,并提出了若干建议。     

基岩裂隙水渗流数值模拟研究综述

裂隙岩体中的渗流规律与传统多孔介质渗流规律存在本质的区别,裂隙岩体渗流具有不均匀性、各向异性和非连续性等特点,如何更好地刻画裂隙水渗流的这种特点是当前裂隙水数值模拟的热点与难点。介绍了裂隙岩体地下水渗流特性,对目前裂隙水渗流模型及其优缺点进行比较、分析,同时对主流数值计算方法和数值模拟软件进行概括介绍。     

砂土的渐进破坏及其数值模拟

紧密砂土在排水剪切过程中由于材料的应变软化特性,会出现变形局部化并伴随剪切带的产生。对此类问题进行数值模拟时会遇到很多困难,比如如何模拟紧砂的应变软化特性,如何处理有限元数值分析过程中刚度矩阵的非正定导致计算结果发散问题,以及如何处理应力不连续的问题,拟针对以上问题进行了探讨。     

A numerical simulation of debris flow and its application

Debris flow is the flow of solid-fluid mixture and was treated as the flow of a continuum in routing in this study. A mathematical model was proposed to describe debris flow including deposition process and then solved numerically with suitable boundary conditions. Laboratory experiments were also conducted for comparison and calibration of the numerical results as well as for investigation of debris flow phenomena. The numerical model was also applied to simulate the debris flow caused by heavy rainfall in Tungman village of Hualien County located in the east of Taiwan on 23 June 1990. The simulated bed topographies in alluvial fan were in good agreement with those obtained from laboratory experiments and field observations.     

基于GP RMax的隧道衬砌检测数值模拟及应用

利用基于时间域有限差分法( FDTD)的GPRMax,针对常用的400、900、1500 MHz三种不同中心频率的天线,数值模拟了隧道衬砌不同钢筋网密度、不同钢筋直径及其下方的钢拱架、空气界面等目标体的探地雷达反射及干扰信号图像特征;在混凝土试件上开展实验研究,并运用克希霍夫积分偏移处理了数值模拟和实验数据,压制了钢筋的绕射波和多次波,提高了钢筋网下方弱反射信号的成像效果;通过对比分析数值模拟、实验测量和工程实测结果,为探地雷达在隧道衬砌检测中取得更好的探测效果提供了借鉴。     

预应力锚索锚固效应的仿真试验与数值模拟研究

预应力锚固技术在岩土工程中已得到广泛应用,对其进行的研究工作也取得了许多成果,为论证已有成果并揭示其深层次的普适的工作机理,开展了室内大型仿真试验,并以仿真试验的结果为依据,验证有限元数值分析的力学模型,之后利用数值分析进一步延伸仿真试验结果,得出了有重要实用意义的结论.     

地下水数值计算中断层处理的"切割-导通法"

从对断层导水性能的分析出发 ,提出了地下水数值计算中断层处理的“切割—导通法” ,既考虑断层侧向导水性 ,又考虑了其垂向导水性 ,更符合断层导水的实际情况 ,也易于描述较大断裂在走向上的导水性差异。