龙门山断层脆-塑性转化带流变结构与汶川地震孕震机制

汶川地震发震断层为高角度逆断层,这种断层滑动和发生强震需要断层深部具备特殊的力学条件.发震断层地区地表出露若干韧性剪切带,其中不同类型石英变形具有不同的变形温度.细粒糜棱岩中的石英表现为高温位错蠕变,变形温度为500～ 700℃;含残斑初糜棱岩中的石英表现为中温位错蠕变,其变形温度为400 ～ 500℃;早期石英脉中的石英表现为低温位错蠕变,变形温度为280～ 400℃;晚期石英脉以碎裂变形为主,其变形温度为150～ 250℃.石英的这些变形特征显示出断层带经历了多期脆-塑性转化.根据糜棱岩中的重结晶石英的粒度估计的断层塑性流动应力为15 ～ 80MPa.石英和长石内的微量水以晶体缺陷水、颗粒边界水和流体包裹体水的形式存在,水含量随岩石的应变增加而升高,变化范围为0.01～0.15wt％.断层脆-塑性转化带内石英含有大量与裂隙愈合相关的次生流体包裹体,其捕获温度为330～350℃,流体压力为70～405MPa,估计的流体压力系数为0.16～0.9,代表强震发生后,断层带内产生的大量微裂隙逐渐愈合过程中的流体特征.在考虑断层带流体压力和应变速率变化条件下,利用石英流变参数建立了从间震期到地震成核阶段断层脆-塑性转化带流变结构和震后快速蠕滑阶段断层脆-塑性转化带流变结构.结果表明,在间震期、地震成核阶段、震后快速滑动阶段,断层强度和脆-塑性转化深度随应变速率和流体压力变化而变化,且脆-塑性转化特征与石英的变形机制、断层速度弱化和强化转化深度、汶川地震震源深度等吻合,显示映秀-北川断层具备摩擦滑动速度弱化和地震成核的基础,而断层带内存在高压流体可能是触发高角度逆断层滑动和汶川地震发生的主要机制.

辉长岩脆-塑性转化及其影响因素的高温高压实验研究

本文利用高温高压多功能三轴实验装置 ,以NaCl为固体围压传压介质 ,在围压为 45 0MPa～ 80 0MPa ,温度区间为 6 0 0℃～ 1 1 5 0℃和应变速率为 1× 1 0 - 4～3 1 2 5× 1 0 - 6 s条件下 ,对攀枝花辉长岩进行了流变学实验研究。实验结果表明 ,辉长岩围压在 45 0MPa～ 80 0MPa条件下 ,温度在 6 0 0℃时为脆性变形 ,70 0℃～ 85 0℃时为半塑性流动 ,含微破裂 ,大于 90 0℃时为塑性流动。辉长岩的脆 塑性转化温度为 70 0℃～ 90 0℃ ,主要影响因素为温度、围压和应变速率 ,同时存在双相流变学问题。

隧道围岩弹-脆-塑性应力的三剪统一解

基于三剪统一强度准则,采用更符合脆性岩石峰后强度特性的弹-脆-塑性模型,推导了考虑第二主应力和脆性软化共同影响的隧道围岩应力解,并与广义Hoek-Brown强度准则解进行了比较。研究结果表明:第二主应力、围岩材料模型、脆性软化均对围岩应力大小及分布具有显著影响。本文准则参数b=0时的应力解析解与广义Hoek-Brown强度准则应力解的峰值和分布规律均有较好的一致性,说明了本文应力解的合理性;当岩体强度具有明显的第二主应力效应时,广义Hoek-Brown强度准则已不再适用,但本文准则参数b>0时的应力解则具有很好的适用性。同时,理想弹-塑性模型低估了围岩塑性区范围,在准则参数b分别为0、0.05、0.1的情况下,弹-脆-塑性模型的围岩塑性区半径R相比理想弹-塑性模型平均可以增大45.5%;考虑第二主应力效应可以更加充分发挥岩石材料的强度潜能,随着准则参数b的增大,即第二主应力σ2效应的增大,围岩塑性区半径R和临界支护力py均不断减小,相比准则参数b=0时最大值分别减小了18.9%和10.8%。峰后粘聚力cr对围岩应力的影响也很显著,随着峰后粘聚力cr的增加,塑性区半径R不断减小,cr=0.11 MPa时的塑性区厚度比cr=0.055 MPa时减小43.3%。

辉绿岩脆-塑性变形转化的高温高压实验研究

以天然叶腊石为传压介质 ,在温度 80 0～ 10 0 0℃、围压 0 .6～ 1.0GPa和应变速率 10 -4～ 10 -5s-1条件下 ,对Maryland辉绿岩的脆性 -塑性转化进行了实验研究 .实验结果表明 ,在10 -4 ～ 10 -5s-1应变速率和固定围压 1.0GPa条件下 ,当温度低于 80 0℃时 ,岩石变形为典型脆性破裂 ;温度高于 10 0 0℃时岩石变形以准稳态蠕变为主 ;温度在 80 0～ 95 0℃之间 ,岩石变形从脆性破裂向准塑性流动转化 .温度变化对岩石脆 -塑性转化影响敏感度高于压力变化对变形的敏感度 .显微构造观察显示 ,辉绿岩脆 -塑性转化以稀疏弥漫状共轭塑性流动网络为特征 .

物理细胞自动机与岩石弹-脆-塑性性质的细观机制研究

基于能量守恒定律和岩石的基本力学性质,进一步发展了由作者提出的一种用于模拟岩石非线性破坏演化的新方法—物理细胞自动机(PCA)模型。该模型通过岩石内部(或细观)基元(或细胞)间简单的随机相互作用的综合结果来反映岩石系统整体的稳定宏观力学现象。利用PCA模型,研究了形成不同岩石本构关系的本质影响因素,揭示了岩石弹-脆-塑性性质的细观机制,为进一步认知岩石等非均质材料的力学性质提供了一种新的理论方法。同时,其研究思路和结论也可为微观和细观力学的数值模拟方法及新型复合材料的设计提供重要的借鉴。

高温高压条件下角闪岩脆-塑性转化实验研究

在高温高压条件下开展了天然角闪岩样品的变形实验研究,并且利用偏光显微镜和扫描电镜对实验样品进行微观结构观察,研究了在不同的温压和应变速率条件下角闪石的变形机制。实验结果表明,随着温度升高,样品的应力-应变曲线由强化逐渐转化为屈服,并且出现弱化,样品强度显著降低,随着围压增加,样品强度增大,随着应变速率降低,样品强度降低,压缩方向与样品面理斜交的实验样品强度显著降低。实验变形样品在500℃时,角闪石表现为晶内破裂和碎裂变形,其变形以脆性为主导;在600℃时,样品中发育由角闪石残斑和碎裂基质构成的碎裂组构,部分角闪石晶体出现了波状消光,角闪石以碎裂变形为主,局部具有塑性变形的特征;在700℃时,样品以晶体扭折变形为主,局部出现脱水和细粒微晶,并且含有微破裂,显示了样品以晶体扭折变形为主,含有微破裂,样品变形处于脆-塑性转换域;在800℃时,样品中基本没有发现明显的脆性变形,样品以动态重结晶作用为主,角闪石出现脱水。因此,在实验温压范围内,在500℃→600℃→700℃→800℃条件下,角闪石变形机制表现为脆性破裂→碎裂流动→晶体扭折→动态重结晶和脱水作用,显示了角闪石经历了脆性—脆-塑转化—塑性变形的变形机制。

Ni 基高温合金 Al-Si 涂层脆-塑性转变温度及其疲劳行为研究

利用高温金相显微镜改进加载装置，在动态下测定了Ａｌ－Ｓｉ高温涂层的脆－塑性转变温度及其影响因素。研究结果表明，Ａｌ－Ｓｉ涂层的脆－塑性转变温度随着Ａｌ，Ｓｉ浓度的减少而降低，通过热处理的方法使涂层的Ａｌ，Ｓｉ浓度降低，可有效地降低涂层的显微硬度和脆－塑性转变温度。另处，还系统研究了涂层与基体在不同温度下断裂失效的模式及其机制。

震后松弛阶段脆-塑性转化带的变形——以红河断裂为例

脆-塑性转化带被认为是确定大陆地壳地震深度下限的关键层位。脆-塑性转化带的深度和变形机制除受温度控制外,应变速率和流体压力对其也具有显著影响,而应变速率与流体压力变化通常被认为与地震周期中不同的变形阶段相关。文中对采集自红河断裂的碎裂岩样品开展了显微结构观察与分析。利用偏光显微镜、扫描电镜和能谱仪,系统观测了样品中主要矿物的形态、微观变形特征、矿物组合、矿物水-岩反应、压溶、出溶、裂隙充填与变形特征;利用电子背散射衍射(EBSD)实验数据对样品中主要矿物的组构进行了研究与分析。基于此,研究了震后松弛阶段断层脆-塑性转化带的变形特征。根据红河断裂碎裂岩的变形机制分析,并结合前人研究,将断层脆-塑性转化带在震后松弛阶段的变形特征概括为脆性碎裂与裂隙愈合。高应力和高应变速率导致岩石中长石等高强度矿物继续发生脆性碎裂,石英、云母等低强度的矿物发生塑性变形。在流体作用下,裂隙由石英或方解石充填而被愈合。随着应力逐渐积累,裂隙中石英和方解石等矿物由静态重结晶向动态重结晶转化。随着裂隙愈合和应力积累,断层强度逐渐增加,为下一次地震孕育积累能量。

脆-塑性充填裂隙差异的渗流应力模型

为了研究不同属性介质(脆-塑性)非完全充填裂隙的渗流应力特性,采用花岗岩作为裂隙壁,利用自制渗流应力装置,通过轴向压缩、侧向约束的实验方式,进行了渗流应力实验,得出了相应的渗流应力曲线。结果表明:充填物的脆-塑性变化对裂隙渗流应力特性产生显著影响。脆性充填裂隙渗流应力曲线表现出平衡、失稳和稳定三个阶段;弹塑性充填裂隙表现为失稳和稳定两个阶段;塑性充填裂隙表现出急剧下降一个阶段。根据实验数据的整理与分析,得到差异充填(脆-塑性)裂隙的渗流规律;并建立了相应的数学模型。

基于统一强度理论的扰损围岩巷道脆塑性解答

钻爆法施工常造成岩质巷道扰损区围岩性能劣化。针对扰损围岩、扰损外围岩的弹塑性状态下不同的扰损围岩巷道力学模型,采用统一强度理论、弹-脆-塑性模型和非关联流动法则,建立扰损围岩巷道有关应力、位移和塑性区半径的脆塑性解答,探讨巷道力学模型的转换路径及判定方法,并将结果进行对比、验证,获得各因素的影响规律。研究表明:提出的巷道脆塑性解答合理反映了中间主应力、围岩扰损范围和峰后强度、剪胀特性的综合影响,通过参数组合变换可退化为多种解答并得到正确性验证,具有重要的理论意义和应用前景;巷道力学模型判定与中间主应力、围岩扰损范围密切相关,显著影响巷道应力-位移分布和围岩特征曲线;支护压力和巷道稳定变形随着围岩峰后强度下降、剪胀特性参数增加而明显增大。

脆-塑性充填裂隙渗流应力特性

采用花岗岩作为裂隙壁,脆-塑性材料(砂岩、不同配比水泥砂浆、橡皮和陶泥)为充填介质,利用自制渗流应力装置,在侧限约束条件下,开展了脆-塑性充填裂隙的渗流应力特性实验。研究结果表明,充填物脆-塑性的变化对裂隙渗流应力特性产生显著影响。对于脆性充填裂隙,加载初期,高流量较长时间保持稳定,当应力增大到充填介质的峰值应力后,渗流量呈现近直角突降,随着应力继续增大,流量缓慢下降并最终保持较低水平。随应力逐渐增大,弹塑性充填裂隙初始段高流量持续较短,随后迅速降低直至最低水平。塑性充填裂隙渗流量持续快速降低至较低水平,基本未见高流量持续现象。最后,根据脆-塑性充填裂隙渗流应力的典型特点,建立了脆-塑性充填裂隙渗流应力特性的数学模型和概化模型。

脆性材料超精密车削中脆—塑性转变的研究

以脆性材料的印压和刻划理论为基础，研究了在垂直载荷和切向载荷共同作用下脆性裂纹的产生和扩展机理，提出用切向载荷当量系数和裂纹生成角两个参数来研究切向载荷对裂纹的影响。根据超精密金刚石车削脆性材料的切削模型，提出了满足镜面车削的条件，推导出了临界切削深度和最大进给量的计算公式。

温-压耦合作用下深层盐岩盖层封闭能力演化特征

为了研究温-压耦合作用对盐岩盖层封闭能力演化的影响,选择中国金坛盐洞的盐岩样品,利用高温-高压三轴岩石力学测试系统实验装置,设计开展恒温变压、恒压变温以及温-压耦合3组实验,模拟温度、压力条件对盐岩盖层封闭能力演化的影响。研究结果表明:①温-压耦合作用导致盐岩短期强度大幅减弱,塑性大幅增强,缩短了脆-塑性转化时间,其中,由温度引起的盐岩短期强度降低百分比(T_(i))大于35.06%;压力引起的盐岩短期强度降低百分比(p_(i))最大只有38.25%,表明埋藏过程中,盐岩力学性质主要受控于温度。②单一压力作用下,盐岩裂缝具有逐渐减少、愈合的趋势;而温-压耦合作用下,盐岩会出现“裂缝再次发育”现象,其中,低温阶段(温度<90℃),压力占主导地位,高温阶段(温度≥90℃),温度占主导地位,盐岩出现蠕变损伤。③建立“深层盐岩”“脆性—脆-塑性—塑性—蠕变损伤—损伤愈合”演化模式,其中,蠕变损伤阶段对于盐下油气藏的保存极为不利。因此,准确厘定盐岩封闭能力的演化特征可为深层盐下油气藏的富集规律分析提供理论依据。

考虑轴向力和渗透力时圆形隧道广义Hoek-Brown解

为了研究渗透水压力和轴向应力共同作用时隧道围岩的应力和位移变化趋势,将圆形隧道简化为轴对称模型,假定渗透场以渗透体积力作用在原应力场,以围岩开挖断面为假定平面,引入垂直于该平面的轴向应力。基于广义Hoek-Brown强度准则和非关联流动法则,推导出考虑轴向应力和渗透场共同作用时弹-脆-塑性围岩的应力和位移非线性解,采用数值算例分析了轴向应力和渗透力共同作用时隧道围岩塑性区应力场和位移场的分布规律。计算结果表明:与无渗透水压力作用下的模型相比,渗透力作用使得围岩塑性区各点位移增大,并且内外水头差越大,位移增大越明显。当轴向应力为中主应力时,围岩塑性区半径和塑性区各点应力增大,轴向应力为大主应力和小主应力时,围岩塑性区半径和塑性区应力变化较小。因此,渗透力的存在不利于隧道围岩的稳定性,并且轴向应力的大小对于富水地区隧道围岩的应力和位移分布具有较大影响。在施工设计时考虑渗透力以及轴向应力的共同影响对于保证隧道围岩稳定性具有重要意义。

泥岩分层的脆性对底板比压的影响特征研究

实验测定了豫西义络公司二1煤层底板泥岩的力学参数,得到了泥岩试件单轴压缩全程应力-应变曲线,发现了豫西矿区泥岩试样脆性破坏特征;对义络公司二1煤层泥岩底板比压进行了现场测试,得出了垂直于分层弱面加载时,泥岩体的脆-塑性变形特征。对比分析了尺度效应影响下具有脆性分层泥岩底板的塑脆性变形机理:泥岩底板包含的分层弱面随其尺度增加而增加,分层弱面主导着底板的塑性变形;加载方向和分层弱面的关系影响着泥岩体的强度表现,垂直于分层弱面加载,泥岩逐层受压缩,产生脆性破坏,其分层强度决定了底板在峰后塑性变形过程中的恒阻承载能力;塑性弱面和脆性分层共同作用,形成了泥岩底板的塑脆性宏观力学行为。

围压状态下的混凝土本构模型

利用已有不同围压下的混凝土三向压缩试验,分析研究不同围压条件对混凝土强度和应力-应变关系的影响。试验表明,把混凝土简单视为脆性材料的观点并不符合实际情况,塑性特征也是混凝土材料主要力学特征。由热力学定律出发,本文提出了多次方形式的屈服函数和与围压状态相关联的损伤标准化函数,提出了考虑围压状态的混凝土本构模型。试验结果与数值计算比较表明,该本构关系可以很好地描述混凝土在不同围压状态下的力学损伤发展和脆-塑性转换力学特征,也可以描述拉伸作用下的应力-应变关系,具有一定的普遍意义。

高地应力下硬岩的本构模型研究

传统的本构模型在模拟高地应力下硬岩破坏的范围和深度方面并不理想。针对高应力下的拉西瓦花岗岩,通过真三轴压缩试验模拟了开挖时应力路径的演化。在摩尔-库仑强度准则、格里菲斯强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论和霍克-布朗强度准则的基础上,考虑十二面单元体主剪面上主剪应力、正应力和静水压力的共同作用,提出了一个有关高应力下硬岩的三剪强度准则。根据试验结果,利用遗传算法全局寻优的功能,搜索出了三剪强度准则的参数。预测样本和与摩尔-库仑强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论的比较表明,该三剪强度准则与试验结果吻合,适用于高地应力下的硬岩。根据试验得到的应力-应变关系曲线,建立了基于三剪强度准则和应变软化的弹-脆-塑性本构模型,并用FLAC3D提供的基于C++的用户自定义模型工具UDM,创建了用户自定义模型的动态链接库,嵌入了FLAC3D软件。采用遗传算法-FLAC方法,搜索得到了基于岩石试样和岩体的本构模型参数。计算结果与实测情况吻合,表明建立的本构模型适用于高地应力下的硬岩,为高地应力下硬岩地下工程的安全性和稳定性分析奠定了基础。

基于环向应力岩爆判据的不同级别岩爆区分布的数值模拟研究

为了避免莫尔-库仑和虎克-布朗屈服准则各自的缺陷,采用C++语言对FLAC进行了二次开发,将它们复合在一起,提出了一种弹-脆-塑性的本构模型。采用徐林生及Russense判据(环向应力与单轴抗压强度之比)作为岩爆判据,研究了在不同围压条件下,圆形洞室开挖之后围岩再次平衡时已发生的各种级别岩爆区的分布规律,对严重、中等及轻微岩爆区的关系进行了讨论。将数值计算结果与现场观测结果之间的差异及共同点进行了定性分析。研究发现,随着围压的增加,围岩中发生各种级别岩爆的单元数不仅增多,而且向围岩深部迁移。

膏盐岩盖层封闭性动态演化特征与油气成藏——以库车前陆盆地冲断带为例

受岩石力学特征及区域构造应力的影响,膏盐岩层也会产生断裂和裂缝,大规模油气可穿盐盖层运移。膏盐岩三轴加温加压应力应变实验表明,膏盐岩具有"浅埋低温脆变、深埋高温塑变、强挤压破坏形变"的岩石力学特征,膏盐岩脆-塑转换的关键地层温度约为100℃。结合库车前陆冲断带成藏期古地温参数,确定3 000 m是库车坳陷前陆冲断带膏盐岩脆-塑转换的关键埋深,塑性膏盐岩盖层挤压流动不易破裂,已有断层因岩盐的流动而弥合、焊接,野外盐构造特征及盐岩流体包裹体显微特征提供了有力的佐证。库车前陆冲断带膏盐岩盖层封闭性地质历史时期是演化的、且空间上具有一定分布规律,从而控制着冲断带油气成藏过程及差异。

残余强度特性对岩石宏观破坏的影响

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统 ,数值模拟了单轴压缩试验下试样破裂失稳的过程 ,主要研究了残余强度特性对岩石类非均质材料弹 脆 塑性的影响。对大量不同残余强度岩石试样的数值模拟结果显示 :残余强度是影响岩石弹 脆 塑性的重要方面 ,残余强度越高 ,岩石越容易表现为塑性 。