基于离散元模拟的断层粘滑机理研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lqh2012
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断层是一种足以影响工程建设安全的地质构造,尤其是活断层。著名的旧金山大地震,震级7.8,诱发原因是圣安德列斯活断层的挤压错动。然而,断层滑移不仅仅会引发地震。在采矿中,断层滑移会引发矿柱坍塌和临近采矿工作面的冲击地压;在页岩气开采中,会引发套管变形,严重影响开采过程;隧道开挖过程中,会引起隧道的变形甚至坍塌。可见断层滑移严重影响了工程的安全性。断层滑移的不稳定滑动(粘滑)机理被公认为是这些工程灾害的内在产生机理,因而研究断层滑移中的粘滑机理意义重大。断层粘滑会产生急剧的能量释放,产生较大危害。由于目前的实验室设备限制,粘滑现象研究的主要内容是探索裂纹动态扩展过程的规律,对粘滑过程中准静态成核过程的研究不够细致且难以精确捕捉该过程,但是该阶段被普遍认为是地震的前兆现象,是能成功预测地震的关键,故而亟待对粘滑过程的机理进行细致讨论。本文研究了断层滑移失稳过程中的粘滑机制,基于离散元软件UDEC建立双剪断层模型,分析法向应力水平和水平加载速度对粘滑应力跌落、周期、滑移行为以及能量的影响,并得出如下结论:(1)在粘滑过程中,随着法向应力的增大,剪切应力跌落值增大、周期延长,且滑动速度受到抑制呈衰减趋势。(2)在粘滑过程中,随着水平加载速度的增大,剪切应力跌落值显著降低。粘滑周期与水平加载速度之间存在幂指数函数关系。相应地,在不同水平速度影响下发现应力跌落与周期之间同样存在幂指数函数关系。(3)整体粘滑由断层面上接触点的粘滑行为共同促成。断层面上首先产生粘滑的接触点到下一个未发生粘滑的接触点之间的距离即为粘滑的成核长度,数值模拟中的成核长度为1.01 cm。在粘滑成核过程中,成核区没有贯穿整个断层面,而是局部成核,即部分接触点发生粘滑,这也是目前室内实验难以捕捉静态成核阶段的关键原因。(4)粘滑过程的能量变化受到法向应力与水平加载速度的影响,具体表现为:随着法向应力和水平加载速度的增大,粘滑过程中的能量释放呈现整体增大的趋势。外力做功除了以能量释放形式耗散外,还不断转化为摩擦做功以及材料应变能的积累。在该过程中没有产生塑性功,即粘滑过程中没有产生不可逆转的变形。(5)考虑材料的非均质性,影响粘滑行为的主要因素为断层面的剪切刚度的非均质性,即断层面接触点在承受相同法向应力水平下的剪切变形不一致,这直接影响块体的剪切应力和粘滑阶段的应力跌落值。将此时的应力跌落值应用于真实断层尺度,分析得出当断层尺度超过10~4 m时可产生震级Mw>5的地震事件。
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