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水作用下地裂缝成因机制及数值模拟

作　者: 蒋臻蔚
导　师: 彭建兵
学　校: 长安大学
专　业: 地质工程
关键词: 地裂缝水土作用随机介质理论弱面控制理论渗流固结耦合模型数值模拟抽水作用反复开裂
分类号: P642
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

水是地裂缝形成及加剧发展的重要因素,这是大家所公认的,但是关于其具体的作用机制问题,一直以来却争议颇多。究其原因,一方面是水土相互作用的机理很复杂,二是各个地区地质环境条件各异。开展水作用下的地裂缝综合成因机制的研究,具有重要的科学意义和社会价值。本文所作的主要工作,一是对水土相互作用的类型及模式进行了分析,总结了水作用下土体物质流动、物理力学性质和地质环境场变化的成因机制；二是分别采用理论分析、数值模拟等方法对水作用下地裂缝的成因机理进行了研究；三是结合西安地裂缝、三原双槐树村地裂缝的实例分析,验证了理论模型的正确性,并对一些传统的认识进行了科学的解释。主要的工作及创新性成果如下：(1)基于随机介质理论对抽水沉降致裂机理进行了研究,结果表明由于抽水作用将在沉降中心区形成挤压区、在沉降边缘区形成张拉区,张拉区的应变在地面沉降漏斗的曲率变化最大处达到最大值,从而引起自上而下发展的张性地裂缝。(2)采用考虑偶应力的Mohr-Coulomb理论对抽水致裂机理进行了分析,结果表明抽水作用下产生的差异沉降,将会在土体单元中产生附加偶应力的作用,该作用使得单元应力呈现非对称的特点,从而使得强度曲线中的摩尔圆偏转,加大了土体剪切破坏的可能,从而在土体中形成剪切地裂缝。(3)首次采用基于弱面破坏和塑性滑动的理论对地裂缝活动进行了研究,结果表明具有先期断裂存在的地裂缝在抽水等扰动力的作用下,由于弱面抵抗变形和破坏的能力差,断裂容易再次破坏并沿破裂面发生滑移,该效应是西安这类具有先期隐伏断裂的地裂缝形成及发展的最主要因素。(4)通过建立考虑水土耦合作用并考虑先期断裂的数值计算模型,作者模拟计算了单裂隙抽水作用下的发展过程,并对其影响因素进行了敏感性分析计算,结果表明先期断裂对地面沉降具有诱导,隔离和放大的作用；地裂缝的强度参数内摩擦角和几何参数倾角对地裂缝活动的敏感性强。(5)通过对西安祭台村地裂缝段水文、地质、地貌等条件的分析,建立了考虑两条地裂缝的精细计算模型,计算结果与实际吻合较好。模型计算验证了很多问题,并取得了一些新认识：①西安地裂缝与抽水作用直接相关,但其活动的主要因素是下伏断层控制作用下的弱面破坏和滑移效应,抽水沉降漏斗和地层差异导致的差异沉降只是次要的因素；②西安的梁洼地貌对地裂缝的发展有一定的影响,梁洼相对高差大的先期发展要快一些,但总的量值相差不大。(6)浅表水作用下地裂缝的形成机制包括黄土湿陷致裂机制、冲蚀溶蚀致裂机制、水压致裂机制、失水收缩开裂机制等,三原双槐树村地裂缝暴雨开裂的分析表明,该地裂缝是在隐伏地裂缝的优势控水作用(包括阻水、截水作用,导水与强渗水作用)下,暴雨时引起的劈裂效应,冲刷效应和拖曳牵引效应的综合作用而造成的。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-27
  1.1 问题的提出  12-14
  1.2 地裂缝成因机制研究综述  14-24
    1.2.1 国外地裂缝成因机制研究  14-17
    1.2.2 国内地裂缝成因机制研究  17-20
    1.2.3 水作用下的地裂缝成因机制研究  20-24
    1.2.4 目前尚需解决的关键科学技术问题  24
  1.3 本文研究内容及创新点  24-26
  1.4 技术路线  26-27
第二章水作用下土体物质流失、性质变化及环境场变分析  27-42
  2.1 水土作用类型  27-32
    2.1.1 水土物理作用  28-30
    2.1.2 水土化学作用  30-32
  2.2 水作用下土体物理力学性质的变化  32-37
    2.2.1 水对土体张拉性质的影响  32-34
    2.2.2 水对土体抗剪强度的影响  34-35
    2.2.3 水对土体蠕变特性的影响  35-37
  2.3 水头变动时的应力场、渗流场变化  37-39
  2.4 水作用下土体物质流动  39-41
  2.5 本章小结  41-42
第三章抽水作用下地裂缝形成机制分析  42-65
  3.1 抽水作用下地裂缝形成机制概述  42-43
  3.2 基于随机介质理论的抽水地面沉降和致裂分析  43-48
    3.2.1 单元开采引起的地层变形  43-44
    3.2.2 抽水引起的地表变形分析  44-47
    3.2.3 张应变控制的致裂机理分析  47-48
  3.3 基于MOHR-COULOMB准则的抽水致裂机制分析  48-51
    3.3.1 抽水时水位降落带内土体受力分析  48-49
    3.3.2 考虑力偶作用的土体剪切破坏分析  49-51
  3.4 抽水作用下先期断裂存在的弱面破坏及滑移机制  51-59
    3.4.1 先期断裂活动的最小耗能原理解释  51
    3.4.2 先期断裂再破坏的弱面控制机制  51-54
    3.4.3 弱面破坏后的塑性滑移机制  54-59
  3.5 弱面滑移扰动因素及抽水致裂综合模式分析  59-64
    3.5.1 弱面滑移扰动因素分析  59-63
    3.5.2 西安地裂成因及加剧活动的弱面控制模式分析  63-64
  3.6 本章小结  64-65
第四章抽水沉降及地裂缝活动数值模拟  65-80
  4.1 计算软件及原理  65-67
  4.2 均质土体单裂缝抽水沉降及地裂缝活动模拟  67-73
    4.2.1 计算模型与材料参数  67-68
    4.2.2 计算结果与分析  68-73
  4.3 影响因素及敏感性分析  73-79
    4.3.1 地裂缝倾角及倾向的影响  73-75
    4.3.2 抽水井距离地裂缝远近的影响  75-76
    4.3.3 地裂缝参数敏感性分析  76-78
    4.3.4 抽水井深度对地裂缝活动的影响  78-79
  4.4 本章小结  79-80
第五章西安地裂缝地面沉降特征及数值模拟  80-100
  5.1 西安地裂缝概述  80-82
    5.1.1 西安地裂缝特征  80-81
    5.1.2 西安地裂缝成因  81-82
  5.2 西安地下水开采、地面沉降和地裂缝的历史与现状  82-88
    5.2.1 西安地下水开采历史及水位的动态特征  82-85
    5.2.2 西安地面沉降和地裂缝发展历史  85-88
  5.3 西安地裂缝数值计算模型的建立  88-91
    5.3.1 计算剖面的选取与概化处理  88-91
    5.3.2 计算参数  91
    5.3.3 计算工况  91
  5.4 数值计算结果与分析  91-99
    5.4.1 工况1(原型)计算结果与分析  91-95
    5.4.2 影响因素探讨与分析  95-99
  5.5 本章小结  99-100
第六章降雨和灌溉引发、加剧地裂缝的机制分析  100-125
  6.1 黄土湿陷机理及土体开裂模式  101-104
    6.1.1 黄土湿陷机理及与地裂缝关系  101-102
    6.1.2 黄土湿陷土层开裂的模式  102-104
  6.2 溶蚀潜蚀致裂作用机理  104-108
    6.2.1 水平孔洞无水开裂判断  104-106
    6.2.2 水平孔洞有水开裂判断  106-108
  6.3 水压致裂机理  108-112
    6.3.1 隐伏裂隙水力劈裂分析  108-110
    6.3.2 出露裂隙垂向劈裂及水平扩展分析  110-112
  6.4 失水收缩开裂机理  112-113
  6.5 其它致裂机理及综合模式  113-116
  6.6 咸阳三原暴雨地裂缝开启机理实例分析  116-124
    6.6.1 三原县双槐树村地裂缝简介  116-117
    6.6.2 地裂缝地质环境特征  117-119
    6.6.3 地裂缝的发育特征  119
    6.6.4 地裂缝形成及发展机制分析  119-124
  6.7 本章小结  124-125
第七章结论与展望  125-128
  7.1 主要结论  125-126
  7.2 进一步研究构想  126-128
参考文献  128-135
攻读学位期间取得的研究成果  135-136
致谢  136

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