地震地质 ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (6): 1357-1373.DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.06.008
赵乾百1)(), 赵永1),*(), 杨天鸿1), 滕龙2), 王述红1), 刘一龙1)
收稿日期:
2023-11-01
修回日期:
2023-12-27
出版日期:
2024-12-20
发布日期:
2025-01-22
通讯作者:
*赵永, 男, 1991年生, 副教授, 主要从事岩体孕灾机理和灾变预警、 微震监测理论与应用等方面的研究, E-mail: 作者简介:
赵乾百, 男, 1997年生, 现为东北大学资源与土木工程学院矿业工程专业在读博士研究生, 主要从事断层黏滑失稳破坏机理以及破坏模式和岩体力学空间参数非均匀性分布表征等方面研究, E-mail: 2538440998@qq.com。
基金资助:
ZHAO Qian-bai1)(), ZHAO Yong1),*(), YANG Tian-hong1), TENG Long2), WANG Shu-hong1), LIU Yi-long1)
Received:
2023-11-01
Revised:
2023-12-27
Online:
2024-12-20
Published:
2025-01-22
摘要:
在原岩应力及开采扰动作用下, 断层上、 下盘的岩体内部为微裂隙赋存状态, 改变了岩体的受力构架体系, 对断层上、 下盘滑动行为模型产生影响, 继而形成了不同的破坏模式。因此, 对不同微观裂隙密度下断层黏滑失稳运动过程的力学行为和损伤规律亟待开展进一步研究。声发射监测是研究断层黏滑破坏模型的重要手段, 可用来获取断层活化过程中的有效信息。然而, 断层结构面对岩体破裂声发射波的传播路径和强度造成了一定的阻碍, 从而在研究断层上、 下盘与岩体结构面的响应机制方面存在一定的局限性。文中采用离散元数值模拟方法构建了不同微观裂隙密度条件下的数值模型, 以模拟断层的黏滑失稳破坏过程。此外, 通过记录颗粒间接触的力学行为变化, 更深入地研究了断层黏滑的声发射特性和演化规律。研究结果详细地阐明了不同微观裂隙密度对黏滑失稳运动过程的影响, 包括应力-应变关系(如黏滑次数、 启滑应力、 启滑应力降和最大应力降)及声发射信号特征的演化规律。文中成果为深入理解岩体微观裂隙密度对黏滑失稳过程的影响提供了重要见解, 并为断层活化的力学行为研究提供了一种新的数值模拟方法。此外, 文中研究可作为室内断层黏滑声发射实验和现场微震监测研究的重要参考。
赵乾百, 赵永, 杨天鸿, 滕龙, 王述红, 刘一龙. 不同微观裂隙密度下断层黏滑失稳规律离散元模拟[J]. 地震地质, 2024, 46(6): 1357-1373.
ZHAO Qian-bai, ZHAO Yong, YANG Tian-hong, TENG Long, WANG Shu-hong, LIU Yi-long. DISCRETE ELEMENT SIMULATION STUDY OF FAULT STICK-SLIP INSTABILITY PATTERNS AT DIFFERENT MICROCRACK DENSITIES[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2024, 46(6): 1357-1373.
参数类型 | 微观参数 | 数值 |
---|---|---|
光滑节理模型微观参数 | 法向刚度/N·m-1 | 30×109 |
切向刚度/N·m-1 | 30×109 | |
摩擦系数 | 0.55 |
表1 光滑黏结模型微观参数
Table1 Micro parameters of the SJ model
参数类型 | 微观参数 | 数值 |
---|---|---|
光滑节理模型微观参数 | 法向刚度/N·m-1 | 30×109 |
切向刚度/N·m-1 | 30×109 | |
摩擦系数 | 0.55 |
参数类型 | 微观参数 | 数值 |
---|---|---|
颗粒基本物理参数 | 密度/kg·m-3 | 2661 |
最小颗粒半径/mm | 0.45 | |
最大颗粒半径/mm | 0.585 | |
孔隙率 | 0.15 | |
线性部分模量/GPa | 23.5 | |
线性部分刚度比 | 1.5 | |
线性平行黏结微观参数 | 摩擦系数 | 0.5 |
黏结部分模量/GPa | 23.5 | |
黏结部分刚度比 | 1.5 | |
法向强度均值/MPa | 98 | |
法向强度方差/MPa | 19.6 | |
切向强度均值/MPa | 98 | |
切向强度方差/MPa | 19.6 | |
内摩擦角/(°) | 45 |
表2 平行黏结模型微观参数
Table2 Micro parameters of the PB model
参数类型 | 微观参数 | 数值 |
---|---|---|
颗粒基本物理参数 | 密度/kg·m-3 | 2661 |
最小颗粒半径/mm | 0.45 | |
最大颗粒半径/mm | 0.585 | |
孔隙率 | 0.15 | |
线性部分模量/GPa | 23.5 | |
线性部分刚度比 | 1.5 | |
线性平行黏结微观参数 | 摩擦系数 | 0.5 |
黏结部分模量/GPa | 23.5 | |
黏结部分刚度比 | 1.5 | |
法向强度均值/MPa | 98 | |
法向强度方差/MPa | 19.6 | |
切向强度均值/MPa | 98 | |
切向强度方差/MPa | 19.6 | |
内摩擦角/(°) | 45 |
工况 | 倾角分布方式 | 位置分布方式 | 尺寸分布方式 | 尺寸分布范围 | 密度 |
---|---|---|---|---|---|
工况一 | 高斯分布 均值135°;方差90° | 均匀分布 | 负幂律分布 指数3 | 1×10-3~2×10-3m | 0个/m2 |
工况二 | 高斯分布 均值135°;方差90° | 均匀分布 | 负幂律分布 指数3 | 1×10-3~2×10-3m | 10个/m2 |
工况三 | 高斯分布 均值135°;方差90° | 均匀分布 | 负幂律分布 指数3 | 1×10-3~2×10-3m | 20个/m2 |
工况四 | 高斯分布 均值135°;方差90° | 均匀分布 | 负幂律分布 指数3 | 1×10-3~2×10-3m | 30个/m2 |
工况五 | 高斯分布 均值135°;方差90° | 均匀分布 | 负幂律分布 指数3 | 1×10-3~2×10-3m | 40个/m2 |
表3 微观裂隙密度几何参数
Table3 Geometric parameters of microscopic fracture density
工况 | 倾角分布方式 | 位置分布方式 | 尺寸分布方式 | 尺寸分布范围 | 密度 |
---|---|---|---|---|---|
工况一 | 高斯分布 均值135°;方差90° | 均匀分布 | 负幂律分布 指数3 | 1×10-3~2×10-3m | 0个/m2 |
工况二 | 高斯分布 均值135°;方差90° | 均匀分布 | 负幂律分布 指数3 | 1×10-3~2×10-3m | 10个/m2 |
工况三 | 高斯分布 均值135°;方差90° | 均匀分布 | 负幂律分布 指数3 | 1×10-3~2×10-3m | 20个/m2 |
工况四 | 高斯分布 均值135°;方差90° | 均匀分布 | 负幂律分布 指数3 | 1×10-3~2×10-3m | 30个/m2 |
工况五 | 高斯分布 均值135°;方差90° | 均匀分布 | 负幂律分布 指数3 | 1×10-3~2×10-3m | 40个/m2 |
图5 不同微观裂隙密度下的应力-应变曲线(局部) a 微观裂隙密度为0; b 微观裂隙密度为10; c 微观裂隙密度为20; d 微观裂隙密度为30; e 微观裂隙密度为40
Fig. 5 Stress-Strain curves(local)at various microcrack densities.
图7 不同微观裂隙密度下声发射震级的空间分布 a 微观裂隙密度为0; b 微观裂隙密度为10; c 微观裂隙密度为20; d 微观裂隙密度为30; e 微观裂隙密度为40
Fig. 7 Spatial distribution of acoustic emission magnitudes at various microcrack densities.
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