基于离散元数值模拟的构造变形机制分析方法——以准噶尔盆地南缘为例

受多期构造运动影响,准噶尔盆地南缘前陆冲断褶皱带具横向东西分段、南北分带,纵向构造叠置的变形特征。但该区构造变形机制及样式的不同认识在一定程度上制约了油气勘探的深入。为探究准南缘新生代以来构造变形机制及其变形过程,本文利用高精度地震、钻井和岩石力学等资料,根据实际地质条件,重点考虑滑脱层的数量、强度及厚度变化,结合滑脱层纵向组合、横向分布范围及同沉积作用、先存构造等因素,共设计了10组模型,并采用离散元数值模拟方法开展了对比实验。实验结果表明,滑脱层强度、厚度及其组合主要控制冲断褶皱带构造纵向叠置关系及构造样式,滑脱层分布及同沉积作用主要控制其横向变形范围,先存构造主要影响后期构造的继承性发育。在此基础上,分段开展了多因素组合模拟实验并与实际地震剖面进行对比,重构了准南缘构造变形过程,揭示了新生代以来其构造变形机制,即先存断裂、古凸起、三套不同性质滑脱层纵向叠置关系和同沉积作用共同控制了西段构造的形成与演化,“下强上弱”“下薄上厚”两套纵向叠置滑脱层控制了中段构造的形成与演化,先存断裂及单套较弱滑脱层控制了东段构造的形成与演化。该方法可为类似的复杂构造变形区提供参考。

混凝土劈裂抗拉试验的离散元数值模拟细观参数研究

基于颗粒流软件PFC^(3D)研究细观参数对混凝土劈裂抗拉试验应力-应变曲线的影响,为离散元数值模拟的细观参数标定提供理论依据。通过控制变量法,研究摩擦系数μ、平行黏结模型的有效模量E~*、黏聚力c、拉应力σ_c、摩擦角φ和法向阻尼率β_(n)等细观参数对混凝土劈拉试验的影响。研究结果表明:平行黏结模型的有效模量E~*对宏观弹性模量的影响显著。随着有效模量的增加,宏观弹性模量逐渐增大,有显著的线性关系;平行黏结模型的黏聚力c、拉应力σ_c和摩擦角φ决定了宏观材料的峰值强度。其中拉应力σ_c和摩擦角φ的影响较小,黏聚力c对峰值强度具有决定性作用。随着黏聚力c增大,峰值强度线性增加;摩擦系数μ和法向阻尼率β_(n)对应力-应变曲线的影响可忽略不计。研究成果对快速、合理的确定混凝土数值模拟中平行黏结模型细观参数标定具有参考价值。

关于疆锋铁矿矿体开采离散元数值模拟研究

在矿体回采过程中,不同的回采方案及开采深度对上部围岩、周边矿岩体和地表的影响程度如何,是一项重要的研究工作。因此,利用离散元软件对疆锋铁矿Ⅱ号矿段崩落法的采矿条件下,不同采矿深度上盘围岩的冒落现象以及对周边岩层的影响进行数值模拟研究,结果表明离散元数值模拟方法切实可行,符合岩石力学基本规律,在空场条件下,II号矿段的开采会引发上部围岩的大范围冒落。

黄土崩塌破坏模式及离散元数值模拟分析

黄土崩塌是黄土高原区最常见、致灾最为严重的一种地质灾害。首先,从黄土地形地貌、黄土类型及结构、黄土垂直节理、坡脚侵蚀、降雨、人类工程活动等方面分析了黄土崩塌的成因,认为黄土中的垂直节理和坡脚侵蚀作用是造成黄土崩塌的主要原因;其次,通过野外黄土崩塌变形破坏特征及地质现象分析,将黄土崩塌归纳为拉裂-坠落式、拉裂-倾倒式、拉裂-下挫式和拉裂-滑移式4种主要破坏机制,并概化出了各类破坏示意图;通过离散元数值模拟,对黑龙沟黄土崩塌的形成破坏过程进行了再现和分析,其破坏过程为侵蚀剥落-坡脚局部凹进-垂直节理张开-下挫解体-堆积坡脚。

用离散元数值模拟法研究克拉苏构造带盐构造变形机理

为研究库车坳陷克拉苏构造带盐构造挤压变形演化过程及其主控因素,采用离散元数值模拟方法,模拟了阿瓦特段、大北段和克深段3条主干地震剖面的盐构造变形演化过程。离散元数值模拟结果表明,挤压背景下盐岩层表现为塑性变形特征,具有较强的流动性,盐上层、盐岩层和盐下层为整体挤压、分层变形的构造特征;盐下层发育一系列由北向南的冲断构造,盐上层发育断层传播褶皱和滑脱变形构造;先存断裂主要控制盐下层构造变形和应力的传播范围;先存盐底辟主要影响盐上层构造的隆升范围,盐岩展布形态和基底古隆起主要影响盐上层构造变形。研究结果揭示了克拉苏构造带盐构造的动力学演化过程,有利于提高对盐构造变形机理和演化过程的认识。

库车前陆冲断带克拉苏构造带变形影响因素分析--基于离散元数值模拟研究

在解释库车前陆冲断带克拉苏构造带三维地震剖面的基础上,采用离散元数值模拟手段、单因素变量控制方法,通过六组模拟对比实验,探讨挤压背景下应变速率大小和作用时间、盐岩展布形态、先存盐底辟、基底先存断裂以及基底古隆起等因素,对库车前陆冲断带克拉苏构造带变形的影响。离散元数值模拟结果表明:相比于应变速率大小,应力作用时间对冲断带变形的影响更为显著,变形缩短率相同时导致挤压隆升幅度更大,可达70.25%,向前传播距离均更远,横向上变形范围可达73.82%,盐下层叠瓦状逆冲断裂倾角更小。先存底辟主要影响挤压端垂向变形规模,使得隆升幅度更大。先存断裂主要影响挤压端水平方向变形范围,挤压变形水平传播更远。基底古隆起和盐岩展布形态对克拉苏构造带变形也具有重要影响,基底隆起前沿形成应力集中带,盐岩在此聚集形成构造三角带。由于盐岩的分隔作用,盐上层变形相对较弱,靠近挤压端发育背斜和冲断构造,向盆地方向逐渐变为宽缓的向斜构造。

竖向受荷螺杆桩承载特性离散元数值模拟

螺杆桩技术已经在多种类型工程中得到了应用,然而由于认识条件的局限和研究对象的复杂,其理论分析仍然落后于工程实践.采用基于离散单元法的颗粒流程序,建立了竖向受荷螺杆桩的数值分析模型,并利用已有试验结果对模型细观参数进行了标定,在此基础上分析了螺距、螺纹段长度和桩径等设计参数对螺杆桩承载特性的影响.研究结果表明:随着螺距的增加,螺杆桩极限承载力呈先增加后减小的发展特征,螺距为(1.0-1.33)D时,螺杆桩具有最佳的承载表现,不同螺距螺杆桩的螺纹段荷载分担比例最高而直杆段最小.螺杆桩极限承载力随着螺纹段长度的增加先线性增长,而后基本保持不变,建议合理的螺纹段长度一般不超过2/3L.桩径增加时,螺杆桩极限承载力呈近似线性快速增长.数值模拟结果可以为螺杆桩设计参数优化和承载力估算方法确定提供理论依据.

库车前陆冲断带西部古近系盐构造三维离散元数值模拟

以库车前陆冲断带西部古近系盐岩层系为重点,研究盐构造主应力方向和垂直挤压方向的变形特征,探讨库车前陆冲断带西部盐构造形成的控制因素及其形成机理。通过三维离散元数值模拟方法,以克深和大北工区为例,对库车前陆冲断带西部典型盐构造的形成机制进行分析。研究得出:克深和大北工区的盐构造变形是前展式的,且变形主要集中在山前位置;靠近挤压端基底的早期隆起、先存断裂、同沉积作用以及盐岩层的初始沉积中心,影响了盐构造的形成;垂直挤压方向上,靠近挤压端的盐岩具有较强的侧向流动性,盐岩有向中部运动的速度分量,且越靠近中部运动速率越大,导致盐岩向中部聚集并强烈变形,发育复杂的褶皱样式并出现盐构造与源盐分离的构造组合,局部随逆冲断层冲破地表。相较于二维模拟研究,三维模拟能够完成盐构造主应力方向及其垂直方向的多角度分析,完整认识盐构造形成机制,为盐构造相关油气藏的勘探提供指导。

大型地震滑坡高速滑动堵江机制的离散元数值模拟

汶川大地震触发了大量的大型滑坡,这些滑坡体在峡谷河流地带堵塞河道形成了堰塞湖.本文以唐家山滑坡形成的堰塞湖为例,通过离散元数值方法对地震作用下唐家山滑坡的滑动堵江机制进行了模拟,结论如下:唐家山滑坡确实为一高速滑坡,滑坡从启动到停止,其速度变化曲线具有显著的非线性特征,滑坡的最大滑速达27 m/s;直观地再现了唐家山滑坡的滑动以及形成堰塞体的全过程运动特征和滑坡堵江机制,并把其划分为5个阶段,即滑动启动阶段、加速滑动阶段、减速滑动阶段、遇阻堆积阶段和自稳成坝阶段.

带承台单桩工作机理模型试验及三维离散元数值模拟

以数字化摄影测量技术为基础,利用可视化室内模型试验及三维离散元数值模拟方法,对不同承台尺寸的带承台单桩荷载传递特性、桩周土变形分布模式及细观结构参数变化规律进行研究。研究结果表明:基桩在加载初期首先达到极限承载力,带台单桩的后期承载力主要由承台下土体来承担,随着承台尺寸的增加,承台对基桩承载力的削弱作用以及对土体侧向变形的约束效应逐渐增强。对于较大承台带台单桩,其竖向变形影响范围将扩展到桩端附近,桩端土体仍然呈现单桩的孔穴扩张变形模式,小承台带台单桩随桩端土体的刺入呈冲剪破坏模式,而大承台带台单桩最终呈现一定的整体剪切破坏模式。研究成果对于其他桩型工作机理研究具有重要参考价值。

综采覆岩破坏离散元数值模拟分析

采用离散元数值模拟的方法研究煤层综放开采覆岩破坏规律,对数值模型的计算结果分析得出:通过提高综采支架支护阻力,可抑制工作面控顶区附近顶板采动裂隙发育高度,使其不波及松散含水层,从而实现高承压松散含水层下,提高上限安全开采目的,为高承压松散含水体下缩小安全煤岩柱开采,合理解放和回收防水煤柱内所呆滞的煤炭资源提供了理论基础。

西北某坝肩变形体成因机制的离散元数值模拟

通过对西北某坝肩边坡勘探平硐的现场调查,综合分析边坡的基本特征、岩体结构特征、坡体结构特征、变形破坏特征,认为坡体为形成年代比较久远的变形体,在自重的作用下坡体发生缓慢的变形,地震的作用加速了坡体的变形,从而形成了现今的变形体,但坡体未发生整体的失稳。由于坡体变形年代比较久远,故采用离散元数值模拟对其成因机制进行研究。研究结果表明:自重作用下坡体有沿缓倾坡外层面缓慢滑移变形的趋势,在地震荷载的作用下最终诱发边坡发生比较大的变形。坡体在变形过程中经历了启动、高速变形和自稳3个阶段,在启动阶段坡肩位置首先出现拉张裂缝,然后坡体中部出现变形,最后坡脚位置剪出。通过坡体中监测点加速度、速度的研究发现随着高程的增加坡体的加速度、速度放大系数明显增加。

某滑坡体变形演化过程的离散元数值模拟

以材料力学、断裂力学的基本原理为基础 ,以黑河水库右坝肩的平面旋转式滑坡为实例 ,从力学的观点出发 ,用离散元数值模拟技术对所得结论加以验证 ,为该类滑坡的治理方案提供了设计依据。

基于离散元数值模拟的四川薛城南沟滑坡形成机制分析

根据南沟滑坡的地质背景及堆积体工程地质特征,结合离散元数值模拟技术,分析南沟滑坡的失稳类型及其成因机制。研究得出如下结论:(1)地震波在经过地形效应放大后,斜坡滑源区竖直峰值加速度PGA最大放大5.1倍,水平峰值加速度PGA最大放大3.97倍。(2)运用离散元数值模拟技术,验证了该斜坡体在地震力作用下的滑坡类型为拉裂—溃滑型。(3)在强震作用下,地震波在坡体内不连续结构面处会发生透射和反射现象,从而导致岩体沿层面发生震动溃裂破坏,形成潜在统一滑面,并伴随有坡体的松弛、甚至解体;在强震持续作用下,坡体沿滑面产生整体的溃滑,形成滑坡。

砂土应力-应变特性离散元数值模拟

本文基于二维颗粒流数值分析程序,建立双轴试验的数值计算模型,模拟承德中密砂的应力-应变特性,并总结不同细观力学参数条件下承德中密砂应力-应变规律,为合理确定砂土细观力学参数提供依据。

离散元数值模拟在公路隧道围岩变形破坏机制研究中的应用

本文运用离散元数值模拟研究隧道围岩变形破坏机制,在地质跟踪调查的基础上,找出围岩变形破坏规律,将水平岩层隧道围岩破坏过程分成三个阶段,为隧道支护措施优化提供设计依据.

软弱基座型滑坡形成机制离散元数值模拟研究

软弱基座型斜坡具有“上硬下软”的双层坡体结构,其变形破坏方式和失稳模式也较为复杂。为了详细分析该类型边坡的变形破坏机制,以具有此类坡体结构特征的一库区古滑坡为例,在现场调查的基础上,采用地质分析法和离散元数值模拟方法研究天然、降雨和地震条件下边坡的变形破坏过程。结果表明:活跃的地质时期、陡峭的地形、复杂的地质构造和双层的坡体结构特征构成了该滑坡形成的必要条件,降雨和地震是诱发滑坡的主要外界因素;滑坡表现为倾倒变形和滑移-压制拉裂的复合型失稳模式;利用离散元数值模拟研究了坡体在天然重力、降雨和地震等不同条件下的变形破坏过程,计算结果显示降雨和地震均会导致滑坡发生,其中地震型滑坡具有持续时间更短、发生规模更大、运动距离更远的特点。

双滑脱层强度对博格达山北缘构造变形的影响:基于离散元数值模拟

博格达山北缘褶皱冲断带以横向分段、纵向分层、多期构造变形叠加、先存构造发育为主要特征,发育有中侏罗统西山窑组和下侏罗统八道湾组两套滑脱层,为探究这两套滑脱层内聚力强度差异及先存构造对冲断带新生代构造变形的影响,研究采用离散元数值模拟方法,在布设先存构造的基础上设计了无滑脱层模型和不同内聚力强度组合的双滑脱层模型共5组数值模拟实验.实验结果表明:双滑脱层内聚力强度相同时,上滑脱层在应力传播中占据优势;双滑脱层内聚力强度不同时,应力会优先沿弱内聚力滑脱层传递,且当下滑脱层内聚力较弱时,上滑脱层可能不发挥作用.通过对比实验结果与实际地质剖面,认为先存构造控制了冲断带构造变形的总体样式,而两套滑脱层共同控制了冲断带纵向上的变形解耦,上部滑脱层内聚力弱于下部滑脱层是影响研究区新生代构造变形的关键性因素.

库车坳陷西部阿瓦特—博孜地区构造变形差异及数值模拟分析

库车坳陷西部的阿瓦特-博孜地区位于构造挤压转换区,沿走向构造变形差异显著。本文基于最新的三维地震资料和离散元数值模拟方法,对该区域进行了精细的地质建模,模拟了其形成演化过程,讨论了差异变形的控制因素。阿瓦特地区盐下沿克深断裂远距离逆冲推覆,形成上下叠置的两套沿侏罗系煤层滑脱的逆冲体系;盐上发育厚度较小的阿瓦特凹陷;盐构造以不整合型为主。博孜地区盐下在克深断裂以北为高角度基底卷入变形,以南为沿煤层的滑脱,整体为楔形叠瓦冲断构造;盐上发育厚度巨大的拜城凹陷;盐构造以整合型为主。模拟结果表明,温宿古隆起限制了中生界至古近系的沉积范围,阻碍了变形的向前传递,是造成阿瓦特-博孜地区变形差异性的最主要原因。先存盐底辟构造和南天山的差异挤压作用对该区域的差异变形也具有一定的控制作用。综合地震剖面解释和数值模拟结果的演化过程表明,该区域构造活动具有由弱到强的变化趋势,构造变形开始于早中新世吉迪克组沉积时期,在上新世早期康村组沉积之后发生显著的构造加速事件。

藏式毛石砌体受压力学性能试验与数值模拟研究

通过试验和PFC2D二维数值计算对2组共计8个典型藏式毛石棱柱体试件进行单轴压缩性能分析,获得了棱柱体压缩破坏全过程、应力-应变全曲线和弹性模量等基本力学参数。发现藏式毛石砌体受压过程呈现出阶段性和明显的非线性行为,得到了PFC2D二维数值模拟能较好地再现毛石砌体的压缩破坏形态和裂缝开展情况,黏土中增添碎石能提高约23%的承载力,且能有效改善试件失稳破坏形态,石材抗拉强度和黏土弹性模量是影响试件初裂强度和峰值强度的关键。为工程中评估藏式毛石砌体抗压承载力提供了一种新方法。