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.     

岩石塑性变形条件下的Mohr-Coulomb屈服准则

传统的Mohr-Coulomb强度准则仅描述了峰值强度状态下正应力和剪应力之间的关系,作为岩石破坏的判据.本文拓展概念,提出Mohr-Coulomb屈服准则表述岩石发生塑性变形后不同应力状态下屈服面的应力应变关系.在总结实验研究的基础上建立了使用三轴压缩试验数据确定塑性参数c和φ随内变量κ变化的实验技术方法,给出了评价各向同性模型精度的参量表达以及某些测试结果.采用具有各向同性强(软)化规律的Mohr-Coulomb屈服准则,利用岩石的初始屈服、峰值屈服和残余屈服三组参数可以将全过程应力应变曲线简化表征为四直线模型,它比三线性模型有更广泛的适用性.本文的结果为工程地质数值模拟提供了理论和实验基础,具有指导意义.     

不同应变率下砂岩动态强度准则的试验研究

分别利用RMT－150C和多功能分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统对砂岩进行了不同应变率下的单轴压缩、三轴压缩和拉伸试验。结果表明,在围压为0或围压一定的情况下,应变率低于102 s-1时,抗压强度的增加与应变率的量级呈正比;在应变率高于102 s-1时,岩石的抗压强度增加趋势与应变率的1/3次方呈正比。拉伸强度也存在类似规律。针对101～102 s-1应变率范围内缺少岩石动态强度准则这一现状,根据上述试验规律,结合Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则和Griffith准则的原理,给出了不同应变率范围内动态Mohr-Coulomb准则和动态Hoek-Brown准则的具体表达形式。研究结果表明,在低应变率情况下,动态Mohr-Coulomb准则和动态Hoek-Brown准则均适用,但Griffith准则判别结果误差很大。在高应变率情况下,动态Mohr-Coulomb准则比较适用,Griffith准则仅适用于评估高应变率单轴抗压强度和抗拉强度之间的关系。     

基于GH-B准则的节理边坡模糊破坏概率研究

广义Hoek-Brown (GH-B)强度准则作为估计完整岩石或节理岩体剪切强度的半经验准则,已成为岩体强度预测及数值计算领域中应用最广的准则之一.经验公式中涉及3个与岩体特性有关的材料参数mb、s和a,实际应用中还不能直接对这3个参数进行精确取值,只能通过中间变量推导或结合地质经验来确定.为尽可能大地消除因用H-B经验公式的中间变量推导带来的累积误差,消除边坡稳定性评价结果的偏差,本文提出了从基本随机变量着手,考虑基本变量的模糊性和随机性,通过模糊随机可靠性理论来综合分析评价边坡潜在破坏概率和风险程度的方法.首先从决定GH-B经验公式的4个基本参数GSI、σci、mi和D出发,采用模糊数对随机变量进行模糊化处理,然后引入到H-B经验公式中去,利用修正的模糊点估计方法将节理边坡的稳定极限方程由模糊集向普通随机集转化,求解边坡的模糊破坏概率.     

基于“投资—效益”准则的结构全寿命总费用模型

作为基于结构性能抗震设计的重要原则,“投资—效益”准则反映了抗震设计思想由只注重结构安全到综合考虑技术、经济、社会等诸多因素影响的转变,而结构性能水平和抗震性能目标是实现这一准则的前提和基础.采用五级结构性能水平细化现行规范给出的三水准设防,以层间位移角为定量指标,建立了结构性能水平与层间位移角限值之间一一对应的关系.提出抗震性能目标优化决策,根据最优设防烈度并引入地震危险性分析,建立了基于“投资—效益”准则的结构全寿命总费用模型.该模型规避了直接求解体系可靠度的复杂过程,将问题转化为求解结构的失效概率.其优点在于既能考虑结构的初始造价,又充分根据结构性能失效的特点考虑结构在各级性能水平下的损失期望,全面注重了结构性能、安全及经济等条件,体现了基于性能的抗震设计理念.     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用＂先加载,后挖洞＂的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

考虑循环载荷下饱和黏土软化的损伤边界面模型研究

研究表明,循环载荷作用下饱和黏土将发生软化,其机制主要有两个：一是孔压的积累;二是土体原有结构的不断损伤和新结构的不断重塑。针对上述机制,基于广义各向同性硬化准则建立了考虑饱和黏土循环软化的损伤单面模型。该模型在有效应力空间中引入损伤变量,表征土体结构的损伤和重塑程度,在连续的循环加载下,损伤不断累积,边界面则随着损伤的累积不断收缩,以模拟饱和黏土刚度和强度的软化;以应力反向点作为边界面的广义各向同性硬化中心和映射法则的映射中心,灵活地选择塑性模量的插值公式以模拟塑性变形和孔压的累积以及应力-应变的滞回特性。应用该模型对不排水循环三轴试验进行模拟,并且考查了循环周次、循环应力水平和固结历史对饱和黏土循环软化特性的影响,并与相关试验比较,验证了模型的有效性。     

低渗透岩芯水驱油试验相似理论

以相似理论为基础,考虑低渗透多孔介质非达西渗流特性,研究了油水两相渗流模拟试验理论。应用方程分析法,推导出油水两相渗流控制方程的无量纲形式,获得了低渗透岩芯水驱油模拟试验的相似准则。采用隐式求解压力、显式求解饱和度的方法（IMPES）对无量纲控制方程进行求解,得到包含相似准数的数值模拟器。通过敏感性分析,得到了每个相似准数对试验结果的影响程度,并通过实际低渗透岩芯的水驱油试验结果进行了验证。结果表明,敏感因子大的相似准数对试验结果影响较大,反之影响则较小。因此,在设计物理模拟试验时,当无法满足模型和原型所有相似准数相等时,应该优先满足敏感因子较大的相似准数相等。     

上拱力背景下正断裂剖面形态及极限应力状态研究

上拱力构造背景下形成的正断裂及断裂极限应力状态研究在构造解释和油气运移成藏中具有重要的意义。在抛物线型莫尔包络线理论的基础上,通过合理的假设和数学推导以及理论模拟,进一步探讨上拱力构造背景影响下形成的正断裂剖面形态和断裂的极限应力状态,并定量给出函数表达式。研究结果表明,断裂在均质岩体中由浅到深,倾角从竖直开始由大变小,呈铲状断裂,而变化的速率只与地层物性有关,泥岩比砂岩变化快。断裂分布的深度与上拱力的大小成一次线性关系,上拱力越大,断裂分布越浅。砂泥岩互层地层中发育有典型的坡坪式正断裂。研究结果不仅与普遍认识相一致,而且可以进一步在实际应用中预测断裂的存在,定量解释断裂形态,求取上拱力和断裂极限应力状态。      

基于Hoek-Brown非线性破坏准则的软岩地基极限承载力数值模拟

基于有限差分分析（FLAC）的软质岩石地基承载力数值计算模型,分析中将软质岩石地基视为均质、各向同性的连续介质,采用理想线性弹塑性本构关系模拟和Hoek-Brown非线性破坏准则及非关联流动法则。为便于数值模拟,采用切线法,把Hoek-Brown非线性破坏准则转换成Mohr-Coulomb线性破坏准则,并依据等量原则推导了瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力的计算公式,编制了基于FLAC内置FISH语言的子程序。通过施加竖向速度向量,分别获得了圆形基础下考虑和忽略岩体自重的极限承载力。与理论值和现场载荷板承载力试验结果进行的对比分析表明,Hoek-Brown解结果比Bell解结果更接近实测值,但都偏于保守,而数值计算结果与实测值非常接近,特别是在考虑自重的情况下,误差仅为2%。说明对于软质岩石地基的极限承载力,采用基于Hoek-Brown非线性破坏准则的FLAC数值模型进行分析是合适的。