含断裂地层中抽水致地裂缝扩展的数值模拟

基于Biot固结理论,以隆尧地裂缝的地层结构为原型,考虑了先期断裂带的物理力学性质与周围土体的差异,建立了应力场—渗流场耦合的三维数值模型,对抽水情况下地表裂缝的扩展过程和特征进行了分析。结果表明:地裂缝产生开裂和扩展,需要具备一定的水位降深条件,并存在极限开裂深度。在断裂的上盘一侧抽水时,垂直位错率先出现,随后开裂向上盘一侧水平扩展;在下盘一侧抽水时,开裂由地表向深部扩展并向下盘一侧水平扩展;当在两盘同时抽水时,开裂由地表向深部扩展的同时,从先期断裂的边缘向两侧扩展。抽水井距先期断裂的远近对地裂缝的水平扩展具有重要影响,存在最有利于地裂缝水平扩展的间距。

隐伏正断层错动引发上覆土体破裂过程的三维数值模拟

通过建立三维数值模型,对隐伏正断层在均匀错动和倾斜错动方式下土体的破裂过程进行研究。利用应力罗德参数和等效塑性应变分别对断层错动过程中上覆土体的应力状态和破坏形式进行分析,并提出土体破裂的判别方法。通过对数值模拟结果的分析得到以下结论:(1)在断层错动过程中,下盘一侧受断层错动影响的上覆土体的应力状态经压剪→纯剪→拉剪逐渐变化,而上盘一侧上覆土体的应力状态变化较为复杂,经压剪→纯剪→拉剪→纯剪→压剪重复变化;(2)在断层均匀错动过程中,断层下盘一侧土体的破裂率先出现在地表拉剪区内,随错动量的增大,破裂带向两侧、向深部扩展;同时,下盘一侧土体的底部产生破坏,并斜向上扩展,逐渐与顶部破裂相连;(3)在断层倾斜错动过程中,地表破裂出现的位置和上覆土体的厚度有关。对于厚度较大的土体,正断层倾斜错动能够在地表形成与断层走向有一定夹角、且与断层长度相比长度很短的地表破裂或地裂缝,而数值模拟可对正断层错动导致的地表破裂的模式加以补充,为研究地裂缝的形成机理和分布形式提供依据。

隐伏正断层错动致地表破裂变形特征的研究

通过建立三维计算模型,对隐伏正断层在均匀错动、倾斜错动和翘倾错动方式下地表土体的应力路径、破裂和变形特征进行了研究。根据地表破裂临界值,分析了工程建设"避让带"的宽度和起始位置的变化特征。根据行业规范,提出工程建设"关注带"的确定方法,分析了"关注带"的宽度和起始位置的变化特征,得到以下主要结论:①在断层错动过程中,位于两侧的地表土体应力路径变化明显不同,下盘一侧和上盘一侧分别以三轴拉伸和三轴压缩为主;②地表强变形带与地表破裂带的分布并不一致,需要综合考虑等效塑性应变和总位移比2个指标来评价同震地表错动对建筑物的影响;③当隐伏断层错动的垂直位移达到3m时,工程建设"避让带"的宽度在10-90m范围内变化,受上覆土体厚度和断层倾角的影响最大,而工程建设"关注带"的宽度在150-400m范围内变化,受上覆土体的性质影响最大。

隐伏走滑断层错动致上覆土体破裂过程的研究

通过建立三维数值模型,对隐伏走滑断层错动引发上覆土体的破裂过程进行了研究。利用应力Lode参数和等效塑性应变分别对断层错动过程中上覆土体的应力状态和破裂过程进行了分析,得到以下结论:在走滑断层错动过程中,地表土体应力状态从压缩→压剪→纯剪→拉剪→拉伸→拉剪→纯剪发生变化,随上覆土体埋深的增大,从压剪过度到拉剪应力状态,需要更大的断层位错量。对于相同的断层位错量,地表土体比埋深较大的土体产生更大等效塑性应变,因而地表土体先出现破坏变形。走滑断层的错动诱发地表土体出现“雁列式”破裂带,该破裂带与断层走向有一定夹角且向深部发展有限。