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断裂构造对地应力场的影响及其工程意义

作　者: 苏生瑞
导　师: 王士天
学　校: 成都理工学院
专　业: 地质工程
关键词: 地应力应力场断裂构造应力变化边界条件丽江地区岷江上游地区离散单元法数值模拟可变形块体
分类号: P553
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

地应力是地质环境和地壳稳定性评价、地质工程设计和施工的重要基础资料之一。本文通过对大量实测地应力资料的深入分析和对云南丽江地区、川西北岷江上游地区等地区的现场地质调查,结合系统的数值模拟分析,进行了断裂构造对地应力场的影响及其工程意义的研究:(1)以相关领域的最新研究成果,系统研究了地应力的形成因素和影响因素,阐明了断裂在地应力场形成中的作用;(2)通过对国内外大量实测地应力资料的分析,分别研究了活动断裂和非活动断裂对地应力场的影响;(3)通过深入的现场调查和综合分析,研究了云南丽江地区和川西北岷江上游地区的断裂构造格架、主要断裂的现今活动性及其对应力场的影响;(4)通过应用离散元方法进行系统的数值模拟分析,研究了断裂引起附近应力场变化的规律及其机理;(5)通过工程实例的研究阐明了断裂构造对地应力场影响的工程意义。通过上述研究,本文取得了如下进展和新认识: (1)重力作用和地质构造运动是形成地应力的两个最基本的因素,地质构造、地形、岩性等则是影响地应力重要因素,而断裂构造是造成地壳岩体中应力发生复杂变化的主要因素之一。(2)不论是单一活动断裂还是复合活动断裂,均对岩体中的应力场有明显的影响。活动断裂附近的主应力方位和量值均不同程度地发生变化,而这种变化主要限于断裂附近一定距离内,远离断裂,逐渐趋于与区域应力场一致。同一条断裂不同段具有不同的应力状态,表现在最大主应力方向和量值都不同。活动断裂附近的应力是随时间而变化的,特别是在地震活动区。复合活动断裂能造成在断裂复合部位的局部应力集中,产生地震和其它高地应力现象。(3)非活动断裂对其附近的应力场也有明显的影响。在断裂附近,应力方位发生转向,旋转角度可从十几度到近90°度。断裂组成地应力局部分区的界面,断层的上盘与下盘应力大小和方向都有差别。断裂发育的复杂程度与地应力的变化的幅度密切相关。(4)本文首次用离散元方法对断裂构造对地应力场的影响进行了全面系统的模拟分析,揭示了断裂构造对地应力场的影响的规律及其机理。通过模拟分析可知,断层附近应力方位变化的幅度和发生变化的范围因断层的力学性质、围岩的物理力学性质及边界条件等的不同而不同。断层的内摩擦角(φ)和边界应力比值(K_b)及断层方向与边界最大主应力方向之间的夹角(α)对断层附近应力方位发生变化的范围和幅度影响最大。发生变化的范围随着断层的内摩擦角的增大而减小,随着边界应力比值的增大而增大。在影响断层附近应力方位的因素中,断层的内摩擦角是最重要的因素。(5)通过使用Kulatilake 等提出的起到完整岩石作用的假节理(或断裂)(fictitious joints)的方法成功地模拟分析了断层端部的应力状态。(6)现场调查和数值模拟分析结果表明,云南丽江地区和四川岷江上游地区的地应力场以及地震活动等受断裂的复合的影响。

全文目录

1 前言  12-20
  1.1 选题依据及研究意义  12-13
  1.2 研究历史及现状  13-17
    1.2.1 研究历史  13-14
    1.2.2 研究现状  14-16
    1.2.3 存在的主要问题  16-17
  1.3 研究思路、方法及主要内容  17-18
    1.3.1 研究思路  17-18
    1.3.2 研究方法  18
  1.4 论文主体框架  18-20
2 形成和影响地应力的因素  20-43
  2.1 概述  20
  2.2 形成地应力的因素  20-28
    2.2.1 重力作用  21
    2.2.2 地质构造运动  21-28
  2.3 影响因素  28-43
    2.3.1 地质构造的影响  29-32
    2.3.2 地形的影响  32-38
    2.3.3 岩性的影响  38-41
    2.3.4 其它因素的影响  41-43
3 活动断裂对地应力场的影响的研究  43-68
  3.1 单一活动断裂的影响  44-51
    3.1.1 断层附近的应力方向  44-48
    3.1.2 断层附近应力的大小  48-50
    3.1.3 活动断裂附近应力随深度的变化  50
    3.1.4 活动断裂附近应力随时间的变化  50-51
    3.1.5 活动断裂影响断裂附近应力的范围  51
    3.1.6 活动断裂带附近的应力状态  51
  3.2 复合活动断裂的影响  51-66
    3.2.1 丽江地区复合断裂对地应力场的影响  51-59
      3.2.1.1 区域地质构造  51-53
      3.2.1.2 主要断裂的基本特征及其现代活动性  53-57
      3.2.1.3 新生代区域构造应力场演化  57-58
      3.2.1.4 断裂构造的复合对地应力场的影响  58-59
    3.2.2 岷江上游地区复合断裂对地应力场的影响  59-66
      3.2.2.1 大地构造环境  59-60
      3.2.2.2 区域构造格架  60-61
      3.2.2.3 主要断裂的基本特征及其新活动性  61-62
      3.2.2.4 岷江上游地松潘—漳腊地区断裂活动性及构造应力场演化历史  62-65
      3.2.2.5 断裂构造对岷江上游地区地应力场的影响  65-66
    3.2.3 雅砻江二滩坝区断裂构造的复合对地应力场的影响  66
  3.3 主要认识  66-68
4 非活动断裂对地应力场的影响的研究  68-78
  4.1 断裂附近的应力方位  68-72
  4.2 断裂附近的应力量值  72-75
  4.3 高度裂隙化岩体中的地应力  75-77
  4.4 主要认识  77-78
5 断裂构造对地应力场的影响的数值模拟分析  78-121
  5.1 岩体力学中的数值模拟方法概述  78-87
    5.1.1 基于连续介质的数值模拟  78-80
      5.1.1.1 有限单元法模拟  78-79
      5.1.1.2 边界单元法模拟  79
      5.1.1.3 有限差分法模拟  79-80
    5.1.2 离散单元法模拟  80-81
      5.1.2.1 基于连续介质的方法与离散单元法的对比  80
      5.1.2.2 离散元程序  80-81
    5.1.3 可变形块体离散元模拟的原理  81-87
      5.1.3.1 块体的表示  81-83
      5.1.3.2 块体运动方程  83-85
      5.1.3.3 块体的接触问题  85-87
  5.2 单一断裂对地应力场的影响  87-103
    5.2.1 基本假设  87
    5.2.2 模型的几何形状和边界条件  87
    5.2.3 模拟方案  87-88
    5.2.4 断层附近的应力方位  88
    5.2.5 断层附近的应力量值  88-90
    5.2.6 断层端部应力  90-93
    5.2.7 影响断裂附近应力变化的因素分析  93-103
      5.2.7.1 岩石物理力学性质的影响  94-96
      5.2.7.2 断裂的物理力学性质的影响  96-100
      5.2.7.3 断裂几何形态的影响  100-102
      5.2.7.4 边界条件的影响  102-103
  5.3 复合断裂对地应力场的影响  103-118
    5.3.1 计算模型  103
    5.3.2 相互平行的断裂  103-110
      5.3.2.1 由两条断裂组成的断裂组  104-108
      5.3.2.2 由多条平行断裂组成的断裂组  108-110
    5.3.3 相交的断裂的影响  110-112
    5.3.4 丽江地区复合断裂对地应力场的影响的模拟  112-115
      5.3.4.1 计算模型和边界条件  112-113
      5.3.4.2 介质力学参数  113
      5.3.4.3 模拟结果分析  113-115
    5.3.5 岷江上游地区复合断裂对地应力场的影响的模拟  115-118
      5.3.5.1 计算模型和边界条件  116
      5.3.5.2 介质力学参数  116
      5.3.5.3 模拟结果分析  116-118
  5.4 主要认识  118-121
6 复杂断裂构造条件下的地应力场特征—以瑞典?sp? 实验场为例  121-133
  6.1 工程概况及研究目的  121-122
  6.2 地质构造特征  122
  6.3 现代地壳动力学特征  122-124
    6.3.1 地壳结构的基本特征  122-123
    6.3.2 新构造与地震活动  123-124
  6.4 岩性  124
  6.5 地应力场研究  124-132
    6.5.1 地应力测量  124-127
    6.5.2 地应力场的二维离散元模拟分析  127-132
      6.5.2.1 模型的几何形状和边界条件  127-128
      6.5.2.2 材料的物理力学性质  128-130
      6.5.2.3 模拟结果分析  130-132
  6.6 主要认识  132-133
7 断裂构造对地应力场的影响的工程意义  133-139
  7.1 大桥水电站的区域稳定性和岩体稳定性问题  133-137
    7.1.1 区域构造格架和地震活动性  133
    7.1.2 安宁河断裂带的基本特征及其活动性  133-135
      7.1.2.1 断裂带的基本特征  133-134
      7.1.2.2 断裂带的主要活动特征  134-135
    7.1.3 区域稳定性问题  135-136
    7.1.4 岩体稳定性问题  136-137
  7.2 四川的地震活动性  137-139
8 结论  139-141
致谢  141-142
参考文献  142-152
作者简介  152-153
  1.攻读博士学位期间参加和主持完成的科研项目  152
  2.攻读博士学位期间发表的主要论文  152-153

断裂构造对地应力场的影响及其工程意义

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