断层自发破裂传播的数值模拟:速率状态摩擦定律本构参数的影响

地震往往受控于滑动面的摩擦性质,这种摩擦性质可以由速率状态摩擦定律较好地描述.速率状态摩擦定律中的本构参数a和b与动态摩擦系数相关,从而影响着同震位移与剪切应力的时空演化.本文在前人工作的基础上,采用三维边界积分方程法模拟速率状态摩擦定律控制下均匀全空间中平面断层的自发破裂传播过程,并详细讨论了a和b对滑动速率、剪切应力和破裂传播速度的影响.数值结果表明a和b的不同取值将导致不同的破裂行为,b－a的值越大,断层越不稳定,这种不稳定性有利于裂纹的产生与扩展.但滑动速率的时空分布不只依赖b－a,而且还与a和b的具体取值有关,断层面上滑动速率峰值与剪切破裂强度均随着a的减小而增大,随着b的增大而增大.相关结果有助于加深对断层自发破裂传播的认识.     

弹性回跳模型:从经典走向未来

弹性回跳模型包含3个基本要点:1)地震来自于断层的运动;2)断层运动导致其两侧的岩石发生不均匀的弹性变形,积累巨大的能量,地震中部分弹性能得以释放;3)在断层带的各个点上积累能量的过程是缓慢而不均匀的。Brace(1966)提出弹性回跳的物理机制应当用摩擦滑动过程中出现的不平稳滑动(jerky sliding motion或stick-slip)来解释。Byerlee定律以量化形式表达了地壳摩擦规律,但是没有给出变差的范围。用弹簧滑块模型比拟粘滑,摩擦单元被抽象为刚性滑块,变形被归结于实验加载机的机械框架。后人在此基础上发展了所谓的速度依赖性模型。实验结果表明,速度扰动所带来的摩擦系数变化远远小于材料本身摩擦系数波动,其影响几乎可以忽略不计。而刚性摩擦滑块的假定与实验观测不符,本质上违反了弹性回跳模型所描述的地震现场考察结果。回到经典就是回归对地震现场问题的研究,这是正确的未来之路。     

塔克拉玛干沙漠腹地一次风蚀起沙观测试验

风蚀起沙对生态环境、人类健康及社会经济等具有很大的负面效应。利用美国Sensit公司生产的H11-LIN型风蚀传感器及贴地层风速梯度探测仪,对塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区一次风蚀起沙过程进行了监测。结果表明：（1）风蚀起沙与微气象是一个互相影响互相制约的变化过程;（2）在此次观测试验过程中,我们观测到的最小起沙风速为6.0 m/s左右,同时发现起沙风速是一个变化的值,随着时间的延续呈现逐步增大的趋势,最小的起沙风速出现在风蚀开始发生的时候;（3）近地表风速廓线受沙粒运动影响明显,随着起沙量的增加,风速随高度变化的幅度增大,此时的风速廓线已不再遵循对数分布规律;（4）利用风蚀传感器测得塔中地区沙粒的临界起动摩擦速度为0.25 m/s,该值与经验公式估算的0.24 m/s非常接近,表明风蚀传感器在塔中地区具有较好的适用性;夏季塔中地区地表土壤湿度对风蚀起沙的阻碍作用可以忽略不计。 ?     

地形和边界层摩擦对登陆热带气旋路径和强度影响的研究

采用准地转的正压模式, 研究了无非绝热加热时地形和边界层摩擦对登陆热带气旋路径和强度的影响.结果表明: 地形作用对登陆热带气旋西北移动路径的影响比较明显, 而对登陆热带气旋强度的影响不明显; 边界层摩擦可以通过改变热带气旋X方向上和Y方向上的移动速度以及改变热带气旋水平环流结构对登陆热带气旋西北移动路径产生一定的影响, 边界层摩擦对登陆热带气旋强度的影响非常明显, 其中摩擦是造成登陆热带气旋强度迅速减弱的一个重要因素.     

大面积填土场地中摩擦型桩负摩阻力分布特性研究

中国大面积场地形成工程日益增多,在缓解土地供求矛盾的同时也带来了诸多工程问题,如场地大面积沉降会造成桩基负摩阻力增加,影响桩基安全性,但针对大面积填土场地中桩基负摩阻力研究成果较少。结合某现场试验,建立了单桩有限元分析模型,与实测数据对比验证模型的合理性。基于验证后的数值分析模型,研究了大面积填土场地工程中填土天然重度及厚度、桩顶和地表荷载及场地形成时间对摩擦型桩下拉荷载和中性点的影响。结果表明,填土厚度和桩顶荷载的变化显著影响中性点的位置;填土的天然重度和厚度越大,下拉荷载越大;场地固结时间越长,下拉荷载越小;减小桩顶荷载和增加地表堆载会增大下拉荷载。敏感度分析表明,相比荷载因素,场地形成因素对下拉荷载及桩顶沉降影响更为显著。最后,结合国内外规范讨论了考虑大面积填土场地中摩擦型桩负摩阻力计算方法的适用性。研究结果对大面积填土场地摩擦型桩设计具有参考价值。     

基于磁悬浮理论的自适应抗拔摩擦摆隔震支座力学性能研究

为解决摩擦摆隔震支座抗拔能力不足的问题并优化其隔震性能,将传统的摩擦摆支座(FPB)和半主动控制思想相结合,提出一种自适应磁悬浮抗拔摩擦摆隔震支座(AMFPB)。基于磁路理论进行理论分析,推导出U型电磁铁的电磁力公式,以及AMFPB刚度、周期和等效阻尼比计算公式;对U型电磁铁进行位移-电磁力试验分析,建立AMFPB有限元模型,并对不同位移幅值、不同电磁铁匝数和输入电流下支座的滞回特性和抗拔性能进行分析。研究结果表明：U型电磁铁的位移-电磁力试验结果与理论结果吻合度较好,计算得到的AMFPB滞回曲线与数值模拟结果基本相同。AMFPB随滑动位移的增加可调节自身的刚度及耗能,有利于支座位移的控制。     

兰州富水砂卵石层土压平衡盾构渣土改良研究

兰州地铁1号线穿越(2)~(-10)和(3)~(-11)地层,主要为砂卵石层,大部分处于地下水位以下,渗透性极强。采用土压平衡(EPB)盾构施工时,除了容易出现刀盘、螺旋输送机扭矩过高,磨损严重等现象外,还极易造成螺旋输送机喷涌,酿成工程事故,因此,需要对砂卵石层进行改良以保证盾构施工的安全。采用膨润土泥浆和泡沫对砂卵石进行改良试验,得到不同改良方案渣土的塌落度、渗透系数和钢桶侧壁的摩擦系数。在塌落度满足15~20 cm要求的前提下,通过理论计算,得到了既能满足盾构和易性要求,又能使螺旋输送机保持土压平衡、防止喷涌的改良配比方案。工程实践表明,泥浆和泡沫混合掺入比分别为7%和8%的配比方案改良效果最佳,可为土压平衡盾构在兰州市富水砂卵石层施工中渣土改良和螺旋输送机防喷涌提供参考。     

速率-状态依赖摩擦定律引入连续-非连续方法的检验及断层倾角的影响

断层黏滑是一种摩擦失稳,能够诱发地震、矿震等诸多地质灾害.目前,断层黏滑(包括断层亚失稳)研究,主要集中在实验方面和基于连续方法或非连续方法的数值模拟方面.为了弥补连续方法和非连续方法各自的不足,一些兼具二者优势的连续-非连续方法应运而生.为了检验引入速率-状态依赖摩擦定律的自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的正确性并探究断层倾角对断层黏滑的影响,首先,模拟了滑块-底板模型的滑动-保持-滑动实验;然后,模拟了双轴压缩岩样的断层倾角的影响,重点考察了断层黏滑过程中亚失稳阶段摩擦系数的演化规律.研究发现,随着断层倾角的增大,岩样上表面平均差应力的绝对值-时步数目曲线的锯齿形由规则向不规则变化;初次黏滑发生时的时步数目、平均应力降、平均黏滑周期和平均峰值应力均减小.当断层处于黏滑前阶段时,断层面各处的摩擦系数和剪应力相差较小.当断层进入亚失稳阶段后,断层面上摩擦系数的平均值下降速度加快,这可作为断层进入亚失稳阶段的特征之一.引入速率-状态依赖摩擦定律后的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的断层黏滑结果能与现有结果（例如,断层黏滑实验结果）基本吻合,但更加丰富,这在一定程度上...     

2008年和2014年于田地震对周边断层发震概率的影响

大震后区域静态库仑应力变化直接影响地震活动性速率的变化、主震断层外余震和即将失稳断层的发震概率的变化.利用滑移速率和状态相依赖的摩擦定律,结合2008年3月21日于田地震前后的地震活动性水平,定量计算了2008年于田地震后该地区周边断层发震概率的变化,着重解释了2014年于田地震发震的可能根源.此外,本文还对库仑应力明显变化的周边三条断层进行了发震概率的定量计算.贡嘎错断裂中段、贡嘎错断裂西南段和康西瓦断裂中段分别经历了发震概率先降后升、先升后升和先降后降两个阶段,充分显示了库仑应力的细微变化造成的周边断层的危险性的变化.这三条断裂发生7.0级以上地震的发震概率超越95%均需要500年左右;贡嘎错断裂西南段发生中强地震的可能性较大,而康西瓦断裂中段活跃度较低.     

静压桩桩-土界面滑动摩擦机制研究

静压桩侧阻力的实质是桩-土之间的摩擦,但其机制研究并未使用目前成熟的摩擦学理论。系统地介绍了摩擦学中黏着摩擦机制和变形摩擦机制,进而利用其分析解释静压桩桩-土界面的滑动摩擦机制,并得到较好的效果,为桩侧摩阻力的研究提供了新的思路。研究结果表明,桩-土之间的干摩擦是外摩擦;沉桩过程中桩-土之间的滑动摩擦是泥浆润滑下的湿摩擦,从而使桩侧阻力远小于载荷试验时的桩侧阻力;沉桩停顿使压桩力急剧增大的主要原因是：泥浆润滑膜的消失使桩-土之间的摩擦从湿摩擦变为干摩擦;载荷试验在桩破坏前桩-土之间的摩擦是干摩擦;桩端附近桩侧阻力强化的主要原因是：桩端土的强度提高引起桩端附近切向力的增大,从而导致桩-土之间摩擦系数提高。