俯冲带地震循环的数值模拟——以日本Tohoku MW9.0地震为例

基于滑移弱化摩擦准则,以日本2011年Tohoku MW9.0地震为例,建立一个以物理规律控制地震循环过程的二维有限元数值模型。结果显示,参考模型在1 000 a间的6次大地震表现出特征地震的规律,地震重复周期约161 a,单位破裂长度地震矩为1.13×1020 Nm/km,在两次大地震中间会发生一次5.62×1018 Nm/km的小地震。参考模型的数值结果与地表同震GPS位移、震间GPS速度分布具有较好的一致性。模型弹性参数的不确定性对同震以及震间形变的影响有限,模型粘性参数主要影响震间形变场。数值计算也显示,假设震间形变仅由断层运动规律所决定,那么在一个地震周期内,模型空间重力异常基本上随时间均匀变化,在大陆一侧距海沟100 km处可达-370 μGal;速度场的变化主要发生在震后约5 a的时间内,此后基本保持稳定增加。     

通风路基通风管管内空气流动特性研究

基于青藏高速公路试验工程的实测资料,利用数值模拟系统分析了通风路基通风管内的空气流动特性和变化规律.研究表明,当外界环境风速一定时,通风管内不同区域流动特征显著不同,表现为较为明显的三段性：在入口扰动区段,管内空气紊流强度最大;中部为完全湍流区,紊流强度最弱;出口射流影响区的紊流强度介于入口扰动区和完全湍流区之间.随着外界环境风速的增加,管内空气流速相对环境风速增加的量值随之增加,总体呈现非线性快速增加的趋势;入口扰动响应的长度和紊流强度增加最显著;尾部射流影响区由于受到空气流动惯性等因素影响,其长度以非线性加速减小,其空气运动轨迹的振动幅度以非线性加速提高.管内各区域空气流动特性的不同是造成通风管不同部位局部换热量差异的根本原因,这些流动特性的存在进一步叠加,或是导致通风管路基阴阳坡效应的重要因素之一.     

正应力扰动对断层滑动失稳影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置,采用三块花岗闪长岩标本组成的含有两个滑动面的直剪结构,开展了摩擦滑动实验.实验中通过在垂直滑动面的载荷上叠加正弦波状和方波状的扰动,研究了正应力扰动对断层黏滑失稳的影响.研究表明,在恒定的正应力和位移速率下,标本表现为规则的黏滑,叠加正应力扰动后,随扰动振幅的增加黏滑发生时间与扰动的相关性增大,黏滑应力降和时间间隔的分布趋于离散.黏滑应力降和时间间隔的平均值随平均正应力的增加呈线性增长,扰动叠加后黏滑应力降的离散度随平均正应力的增加而增大;黏滑应力降和时间间隔主要受应力变化幅度的影响,而与应力变化的速率关系不大.剪应力和正应力扰动都会对断层黏滑失稳产生影响,而正应力扰动的影响更明显.这两种扰动对断层黏滑失稳影响的机制存在差异,剪应力扰动只是改变断层滑动的推动力,而正应力扰动则改变了断层面上凹凸体的接触状态.     

基于边界积分方程方法的弯折断层破裂传播过程控制因素分析

本文利用边界积分方程方法,以基于三角形网格的全空间格林函数及离散积分核计算为基础,进行了最常见的弯折断层的破裂传播过程模拟.为了去除边界积分方程方法中格林函数计算存在的高度奇异性,研究采用分部积分等方法对动力学方程进行了重整化和离散化处理.地震力学过程可以被视为断层由静摩擦转为动摩擦的过程,对于震源破裂过程的动力学模拟,摩擦准则起着重要作用,本研究采用常用的滑动弱化摩擦准则.计算引入Courant-Friedrich-Lewy比值来表达场点的影响,并控制计算的收敛性和稳定性.通过与典型算例的比对,检验了方法的正确性和有效性.地震破裂能否穿越断层弯折部位继续传播是震源动力学研究的重要内容,基于此,本文建立了多种理论弯折断层模型,模拟了断层弯折对地震破裂传播的控制作用,并通过改变断层周边初始应力场、断层弯折角度大小以及滑动弱化距离大小等来分析各个因素对破裂传播的影响.模拟结果表明:断层面上初始破裂区域内外的应力越高,破裂越容易越过断层弯折部位继续传播;初始破裂区域半径越大,或滑动弱化距离越小,破裂也越容易发生,并越过弯折部位继续传播.同样的初始条件,断层弯折角度越大,断层弯折作为障碍体,对破裂传播的阻碍作用越显著.小的弯折角,其破裂传播过程与平面断层差别不明显,基本仍以椭圆方式对称向两侧传播.     

新型组合隔震支座设计与性能研究

在已有研究基础上,为提高摩擦型组合隔震支座变形能力、改进各摩擦组件位移协调性,建立实体化和参数化计算模型,对新型三段两级摩擦组合隔震支座进行构造及内力分析研究,使用ABAQUS软件对摩擦阻尼器和组合隔震支座进行实体有限元模拟。针对设置常规隔震支座和新型组合隔震支座的某隔震结构案例进行建模及非线性时程地震响应分析,推导组合隔震支座出力和构造参数的关系。研究结果表明,文章所采用的摩擦阻尼器参数化建模方法是准确的,新型组合支座可明显降低支座拉应力,减小隔震层位移,提高结构抗倾覆能力。文章提出的针对摩擦阻尼器的简化单元可大幅提高有限元模型的计算效率。     

陡峻河谷高面板坝坝体与坝基接触效应

以新疆大石峡250 m级特高面板砂砾石坝为依托工程,采用大型接触面直剪试验确定了筑坝料与基岩的摩擦接触参数,建立了考虑坝体与坝基相互接触作用的面板坝三维数值模型,研究了摩擦接触效应对坝体、混凝土面板应力变形以及止水接缝三向变位的影响。结果表明：双曲线模型符合筑坝料与基岩之间剪应力与位移的非线性关系;若不考虑坝体与基岩的接触效应,坝体边界处变形梯度和主应力值计算值均偏小,导致判断该区域坝体开裂区范围偏小而拱效应被高估;蓄水期面板挠度和顺坡向应力受接触效应影响相对较小,而轴向位移和轴向应力受接触效应影响较大;周边缝变位受接触效应影响非常强烈,在高水头压力作用下,坝体局部可能出现相对基岩的滑移导致周边止水变形和坝肩竖缝张开量大幅增加。陡峻河谷筑坝若不考虑接触效应,计算结果是偏危险的。计算结果和Anchicaya 坝实测渗漏位置结果均表明,周边缝变位控制是陡峻河谷面板坝建设的关键。     

赤道大洋定常风生环流的理论模型

为了模拟以南、北赤道流、赤道逆流和赤道潜流为特征的赤道流系,从长时间平均的线性化的海水运动方程出发,考虑海水层化、保留经向摩擦作用,利用赤道太平洋中部海区经向流通量不随纬度变化的量阶估计,得到海水密度跃层对赤道风场的响应,即跃层深度的分布规律,然后应用我们已构建的改进Fourier方法求解(由于地转口效应所引入的)变系数的海水运动方程,得到适用于中部赤道太平洋的级数形式的三维流场解。     

岩盐断层带摩擦滑动的速度依赖性转换及其地震学意义

为了深入理解断层带摩擦滑动速度依赖性转换及其机制,利用双轴摩擦实验对干燥及含水条件下岩盐断层带摩擦的速度依赖性进行了实验研究,并观测了摩擦滑动过程中的声发射,分析了断层带的微观结构.实验结果表明,干燥岩盐断层带在0.1~100 μm/s的速度范围内表现为速度弱化,增大σ₂会使断层带向速度强化转变;含水条件下岩盐断层带在1~100 μm/s的速度范围内表现为速度弱化,而在0.1~0.01 μm/s的速度范围内表现为速度强化,速度依赖性转换出现在0.1~1 μm/s,其中断层表现为振荡或应力释放时间较长的黏滑事件;岩盐断层带在干燥条件下表现出很强的声发射活动,每个黏滑均对应一丛声发射事件,而在含水条件下一次黏滑只对应一个声发射事件.显微观察表明,局部化的脆性破裂是速度弱化域的主要变形机制,分布式的碎裂流动是干燥岩盐断层带在速度强化域的变形机制,颗粒边界迁移以及压溶作用的塑性变形是含水条件下岩盐断层带在速度强化域的主要变形机制,而脆性破裂和塑性变形共同控制着速度依赖性转换域断层带的变形.水的存在促进岩盐发生塑性变形,进而导致断层带从速度弱化向速度强化转换.上述结果有助于理解断层带上地震活动的特征和慢地震的机制.     

乌鲁木齐市断层附近地应力特征与断层活动性

为了查明乌鲁木齐西山—碗窑沟断裂带地应力分布特征, 在研究区20 km×20 km的范围内布置12个基岩应力钻孔,采用水压致裂地应力测量技术进行了基岩原地应力测量;共布置了2条观测剖面,第一剖面是沿断层走向布置了7个钻孔,第二剖面在垂直断层走向布置了6个钻孔(与第一剖面共用1个钻孔).根据实测的地应力资料,断层附近最大水平主压应力方向为NE—NEE向,与区域构造应力SN—NNE向主压方向有一些差异,说明受断层活动影响,断层附近的应力状态与区域应力场明显不同.利用地应力实测资料,研究了断层的活动性,在测量深度域内水平和垂直应力的关系为σ_H＞σ_h＞σ_v,该应力状态有利于逆断层活动,与地质资料反映的以逆断层活动为主基本一致.利用库仑摩擦滑动准则,摩擦系数取0.6~1.0分析,断层附近的现今地应力状态达到或超过产生逆断层摩擦滑动的临界值,表明测区现今构造应力有利于逆断层活动.     

摩擦型岩土材料土拱效应微观机制颗粒流模拟分析

利用离散单元计算软件模拟太沙基活动门试验,从散粒体和微观角度研究在摩擦型岩土材料中产生土拱效应时颗粒位移、荷载传递的特点,并进一步研究了颗粒粒径、土体孔隙率、颗粒摩擦系数、活动门宽度以及活动门位移对土拱效应的影响。结果表明：由于土拱的作用,从拱脚往上一定范围内会将拱顶上方的竖向荷载转化成水平荷载并向两侧传递,同时伴随着两侧土体的侧向挤出。伴随活动门的下移,土拱效应在不断调整,增大颗粒粒径、减小孔隙率、增大颗粒摩擦系数、减小活动门宽度,不但可加强土拱效应,而且还能减小土拱效应的影响范围。