吴勇[1]2003年在《软弱层带的动力特性及其在工程中的应用》文中研究指明随着国民经济的发展，许多大型基础性设施建设，如水电、路桥、建筑等能源、交通方面的建设工程，其中很多拟建和在建工程的规模和难度都是空前的，这些大型工程的建设往往由于软弱层带的存在而产生严重的工程问题，甚至直接关系到这些大型工程的成败。因此，研究软弱层带的动力特性及其在工程中的应用不仅具有理论价值，而且具有重要的工程意义。首先，本文主要研究了软弱层带对正弦剪切波传播的影响,对于厚度较小的夹层以交界面模拟软弱层带，主要讨论粘聚力和内摩擦角两个参数对波传播的影响；对于厚度较大的夹层，主要研究夹层厚度、粘聚力、摩擦角、弹性模量和泊松比五个参数对波传播的影响，并对所有的组合情况进行了数值模拟和分析，得到了一些有用的结论。其次，本文以某个具有破碎带软弱层的岩质边坡实际工程为例进行了数值模拟，详细分析了边坡在自重应力下静力稳定性和地震波作用下的动力稳定性，认为在地震动力作用下的位移远远大于自重应力下的静力位移，自重应力下稳定的边坡变得不稳定了，地震对边坡的稳定性有显着影响。最后，本论文对研究成果进行了总结，并对下一步的研究进行了展望
宋林[2]2012年在《节理岩体中应力波传播的动力特性研究》文中指出岩体中应力波的传播和衰减是地下岩体工程领域一个十分复杂且非常重要的的课题，大型地下结构工程都与应力波或冲击荷载作用下的岩体失稳和应力波在节理岩体中的传播息息相关，该课题已成为岩土工程界热门的前沿课题之一。众所周知，节理广泛存在于地下岩体中，同时影响或控制着岩体的力学性能和动力特性，在大多数地下工程问题中居支配控制地位，考虑节理等结构面的影响是有效解决岩体工程问题的必要途径。首先，本文探讨FLAC3D数值软件模拟一维波在节理岩体中传播规律的方法，并论证其可行性；进而，由于节理岩体中二维波的传播复杂性，基于结合波前动量守恒理论和位移不连续方法的时域分析新方法，分析扩展应用于应力波在单个非线性节理、张开节理和多个非线性节理中传播的研究中，运用数学、力学理论推导方法和数值模拟，系统地研究单个节理、多个节理、张开节理和非线性因素对应力波传播的影响规律，获得了一些新的理论方法和研究成果。基于现有文献总结出节理的非线性主要表现为：闭合节理变形的非线性特性、剪切滑移特性以及张开节理的动力特性等，研究内容主要包括：（1）基于FLAC3D软件，首次系统全面分析一维应力波在单个和多个平行节理岩体中的传播规律。首先，分析了建模参数对数值模拟结果的影响，为选取合理的参数应用于动力学问题方面的研究提供了依据。通过FLAC3D模型选取了模拟实际节理的叁种模型：抗拉粘结模型、胶合模型和粘结滑移模型，进而建立一维应力波在节理岩体中的传播模型，考虑了节理不同刚度、非线性滑移和两个线性节理对波传播规律的影响，并结合理论结果，探讨数值模拟的可行性，使FLAC3D更好地应用于地下工程问题的研究。（2）考虑闭合节理变形的非线性特性，引入节理非线性法向变形本构模型（BB模型），建立了节理的非线性位移不连续模型。依据所建立的非线性模型，利用波前和节理界面之间的应力变形关系，时域内理论推导了二维纵波在非线性变形节理中传播的波动方程。理论研究综合考虑应力波入射角、节理变形非线性等因素的影响。（3）结合节理面摩擦滑移的条件，选取线性化剪切滑移模型，建立考虑剪切滑移效应时二维纵波和横波在岩体节理中的传播理论模型，时域范围内推导了纵波和横波斜入射岩体节理面时的波动传播方程。理论研究能同时考虑入射角、剪切滑移等因素的影响，能有效分析剪切滑移效应对应力波能量衰减规律的影响。（4）通过修正已有的张开节理中波传播的解析模型，使之能更好反映张开节理实际的力学性能。基于已有的解析模型，引入节理的弹簧刚度模型考虑应力波和张开节理的相互作用，时域内推导了二维应力波在张开节理中传播的波动方程。所建立的方程能方便分析短持时应力波在张开节理处的能量传播规律，所建立的修正模型能更真实的反映张开节理在工程实际中的受力状态。（5）考虑到多条节理岩体中波动问题的多样性和复杂性，探索性地建立了二维应力波在两个节理岩体中传播的数值差分模型。同时考虑节理变形的非线性特征，理论推导了应力波在两个平行非线性变形节理岩体中的传播方程。建立的方程能方便分析不同因素对波传播规律的影响特征，包括节理变形的非线性、入射角和节理间间距等。本文运用叁维数值差分FLAC3D软件和时域理论方法，深入研究了应力波在单个和两个平行节理中的传播规律，同时考虑了节理的各种非线性因素，研究成果是对岩石动力学理论更进一步的补充，为更好地服务于地下岩体、结构工程有一定的理论意义、指导意义和实践意义。
范云冲[3]2003年在《锦屏一级水电站坝基岩体质量分类及建基面开挖深度研究》文中研究说明本文在阐明锦屏一级水电站普斯罗沟坝址工程地质条件的基础上，得出了影响坝基岩体质量的主要因素为：岩性、岩体结构、岩体紧密程度、风化卸荷、结构面性状及深拉裂缝发育状况，且深拉裂缝对岩体质量的影响是锦屏一级坝基岩体质量分级有别于其它水电工程的独特之处。本文接着运用单因素分级法和多因素分级法对坝基岩体质量进行了详细的分级研究。单因素分级包括岩石质量分级、风化卸荷程度划分、岩体结构分级、岩体纵波波速分级等；多因素分级法包括MZ分级(修正的Z系统)、RMR及Q系统分级。MZ分级法是本文提出的一个新的岩体质量分级方法，它通过对影响锦屏坝基岩体质量的四项主要指标：岩石湿抗压强度R_c、岩石质量指标RQD、结构面性状系数(节理面粗糙度系数J_r与节理面蚀变度系数J_a之比)及岩体完整性系数K_v求乘积来综合确定坝基岩体质量等级。 在坝基岩体质量分级结果的基础上，本文重点研究了MZ分级结果与野外分级、RMR分级及Q分级结果间的相关关系，分析表明MZ分级结果与野外分级结果接近，与RMR分级及Q分级结果相关性显着。 作为成勘院科研项目“锦屏一级水电站坝区岩体质量分级及其物理力学参数取值研究”的一部分，本文在完成上述分级后，重点对各级岩体的变形及剪切强度参数进行了统计分析，得出了各级岩体变形和剪切强度参数建议值。分析表明岩体变形模量E_0与MZ、K_v相关性较好，同时MZ分级法还具简单、直观、参数易于获取等优点，所以MZ分级法是一种非常实用的岩体质量分级方法。 为进一步研究坝基岩体的工程力学特性，本文根据Ⅱ线及Ⅱ_1线平硐岩体质量分级结果，同时按照“混凝土拱坝设计规范”(SD_(145-85))对坝基岩体的要求初步确定了大坝建基面的开挖深度。最后运用平面有限元方法，以Ⅱ_1剖面为例，按上述建基面开挖深度及各级岩体力学参数取值结果，对坝基开挖前后坝基开挖边坡的应力及应变场进行了数值模拟，对边坡岩体可能的变形破坏特征作了评价，分析表明按岩体质量分类所确定的建基面开挖深度是合理的。
肖有才[4]2013年在《煤层底板突水的“破裂致突、渗流致突”机理与工程实践》文中研究指明煤层底板隔水层在承压水作用下的破坏和突水事故是构成我国华北型煤矿安全生产的主要威胁，因此，研究其突水机理对于有效防治水患威胁、保证煤矿生产安全具有极其重要的现实意义。本文研究的核心内容有二个，其一是研究煤层底板承压水作用下隔水层的突水机理，即科学问题；其二是用突水机理理论来解决煤矿防治水害的工程实践问题，即技术问题。本研究认为：煤层底板突水问题集中表现为承压水与隔水层之间的相互作用，在这个作用过程中，承压水突破隔水层的阻隔形成突水通道而突水，这个突水通道既不同于隔水层的渗透通道，也不同于含水层的渗透通道，而是一种新型的、与“管道”性质类似的水流通道，因此，煤层底板突水机理就是突水通道在底板隔水层中的形成机理。在研究突水机理问题时，首先得出：所有的突水事故都与隔水层的非完整性有关，从而在“岩体结构”及“不连续介质模型”的前提下，提出了突水机理就是（承压水作用下）隔水层的原有结构面扩张而转化为突水通道的作用机理；其次是通过典型现场试验成果的发现和应用对“原始导升高度”进行溯源追踪，指出原始导升高度是承压水在隔水层的渗透高度，是隔水层渗透性的表现，不是突水通道的发育高度；第叁，通过对典型突水案例的系统分析，根据突水通道的形成方式把煤层底板突水模式归结为“破裂致突”和“渗流致突”两种类型，并提出渗流致突的临突判据；第四，设计并完成了渗流致突的两个模拟试验。一方面，为揭示出渗流致突的发生机理，设计了微管阻水试验和微管流量试验；另一方面，为验证前面的机理，设计了相似材料的突水通道试验，通过突水通道的断面形态来完整地呈现突水通道形成的过程。第五，专门研究了“突水系数”的问题，提出突水系数是表示突水“征兆”的一个警示性参数，评价矿井生产安全的最终指标是涌水量或突水量，以及据此配备的防排水设施，而非突水系数。通过以上的研究，完整准确地展示出渗流致突的突水机理。把突水机理理论应用于煤矿的防治水工程实践的关键是研究“疏水降压”和“含水层改造”技术。研究指出：它们的共同特点和核心内容都是研究煤层底板隔水层的阻水能力，把隔水层的阻水能力作为设计防治水工作的依据。比较并研究了我国煤矿目前广泛应用的“疏水降压”和“含水层改造”技术，最后，以平顶山矿区疏水降压的成果展现了该技术的巨大优势。
孙红月[5]2005年在《含碎石粘性土滑坡的成因机理与防治对策》文中指出边坡是山地丘陵区工程建设的基本地质环境，确保边坡安全是人类生活与工程活动的基本要求。但由于大量工程建设地处复杂的地质环境条件区，边坡失稳时有发生，滑坡灾害成为山地丘陵区工程建设所面临的主要问题之一。在我国南方地区，含碎石粘性土滑坡是最主要的滑坡类型，如浙江省1991~2000年间调查过的979处滑坡中有80％就是此类滑坡。本论文基于大量滑坡实例的调查分析和监测试验，围绕含碎石粘性土滑坡的成因机理与防治对策展开系统的研究工作。 本文以大量含碎石粘性土滑坡的现场调查和变形破坏过程监测为基础，分别对坡面堆载诱发型滑坡、坡脚开挖诱发型滑坡和自然斜坡型滑坡的成因机制、影响因素和变形破坏特征进行了系统研究。在此基础上，通过数值模拟和物理模拟，对滑坡形成和发展过程中的力学作用机制进行了深入分析，并对滑坡治理工程的作用方式和效果进行了全面评价。 通过深入的现场调查和室内模型试验，揭示了含碎石粘性土边坡中的地下水渗流管道系统。我国南方地区雨水充沛，在地下水渗流的长期作用下，含碎石粘性土边坡中往往形成管道状地下水排泄系统。通过对含碎石粘性土滑坡的地质调查、地下水位监测和抽水试验，揭示了松散堆积土边坡中地下水管道系统的发育特征，并在此基础上通过室内模型试验再现了地下水渗流管道系统的形成过程。 通过对大量含碎石粘性土滑坡的深入研究，揭示工程活动引起的边坡水文地质条件的改变是此类滑坡发生的主要原因。边坡坡面堆载一方面直接使边坡沿潜在滑面的下滑力增大，另一方面又使路基土产生压缩变形而破坏松散土中的地下水排泄系统，使坡体中的地下水位提高，从而进一步增大下滑力。坡脚开挖不仅减小滑坡的抗滑力，而且开挖面附近的局部坍塌破坏还会导致地下水渗流管道的破坏而引起地下水位的抬升，使边坡的整体稳定性进一步降低。而自然斜坡的失稳，主要是斜坡区水文地质条件的改变和长时间的持续降雨，地表水的大量入渗导致地下水入渗量超过了坡体中原有排泄系统的排泄能力，从而使坡体中的地下水位上升、斜坡稳定性降低。 采用弹塑性接触模型非线性有限元分析方法，模拟了滑坡变形破坏的力学过程，揭示了滑动面上法向应力和摩擦力的分布规律及与滑面强度参数的关系，分析了滑面摩擦阻力发挥与滑动变形的关系，为滑坡稳定性评价提供了新的方法；揭示了滑体沿滑面的滑动位移具有差异性滑动的变形非协调现象，为分析地表变形和滑坡解体过程奠定了新的理论基础。 对含碎石粘性土滑坡的不同治理措施进行了系统研究。分析计算了地表和地下排水对提高滑坡稳定性的效果;采用数值方法模拟了抗滑桩的力学作用，用物理模型模拟了锚固边坡在地下水渗流作用下的变形破坏过程。通过对含碎石粘性土滑坡的成因机理分析和不同治理措施的研究，提出此类滑坡的治理应以治水为主，即防止此类滑坡发生的经济有效的治理措施就是降低滑坡体中的地下水位，在此基础上再结合滑坡的具体情况，辅以其它如砍头压脚和抗滑工程等措施，从而达到经济有效地防治滑坡的目的。关键词:岩土工程，滑坡，含碎石粘性土边坡，地下水管道排泄系统，渗流场， 物理模拟，数值模拟，弹塑性接触模型，治理措施
胡剑超[6]2016年在《泄流激励下高碾压混凝土坝动力响应特性与损伤识别研究》文中提出近年来,随着碾压混凝土筑坝技术的迅速发展,国内出现了一批百米级的高碾压混凝土坝。然而,由于碾压混凝土坝分层浇筑施工的特点,会在坝身上形成诸多软弱层面结构,因此,针对泄流激励作用下的碾压混凝土坝动力响应及损伤识别研究,对于坝体运行安全有着重要的意义。本文利用数值模型模拟、水弹模型试验、理论方法改进等方式,针对高碾压混凝土坝多损伤条件下泄流诱发振动规律、成层结构模型模拟方式、实测响应信号滤波降噪及模态识别、坝体多损伤识别方法进行了研究。本文主要研究内容与成果为:1)通过数值模拟的途径,利用折减弹模、接触单元模拟了碾压成层与裂缝两种损伤;推导了脉动压力功率谱密度反演脉动压力荷载的过程,实测功率谱反演脉压主频0.322Hz与原主频0.313Hz吻合;变化碾压成层的弹模、厚度、层数等参数研究发现,弹模折减10%、厚度1m、成层数量8时,坝体动位移均方根最大;建立四种损伤模型,发现各模型的拱冠梁及坝顶拱圈动位移响应规律与常态混凝土拱坝一致;同时存在裂缝与成层损伤时,会加大坝身振动响应。2)水弹模型是研究坝体动力响应特性的有效手段。本文总结碾压成层结构的6条特性,根据橡胶黏合特性,提出了3种模拟方式;制作5个橡胶试件模型,由幅值/相位-频率曲线发现,成层结构使得试件的叁阶模态发生相位波动变化;成层试件叁基频6.078Hz低于无损伤试件一基频6.473Hz,且振型系数增大;最后根据模拟方式叁建立了带成层结构的重力坝水弹模型。3)本文针以往滤波降噪方法的不足之处,提出基于CEEMD+小波包阈值的组合滤波降噪方法,针对向家坝消力池内带成层导墙模型信号滤波,其信噪比SNR13.006,相关系数0.9747,降噪效果最好;引入一种新模态参数识别方法—数据相关特征系统实现法(ERA/DC),悬臂梁数模噪声信号识别误差3%以下,优于ERA方法;将该套方法对锦屏一级拱坝实测信号滤波,识别基频1.786Hz,取得较好实际运用效果;针对水弹模型识别结果与锤击法、有限元也相符合。4)碾压层面是碾压混凝土坝的薄软环节。本文利用多种动力指纹技术进行坝体成层/裂缝的多损伤识别;基于Bayes融合理论,融合数值模型动应变响应的动力指纹,表明成层损伤需要5个以上指纹使得测点3、4的正确的判断结果超过90%,而裂缝损伤识别仅用4个指纹即达到同样效果,同时使易发生误判的11测点识别概率降低至12.1%以下,增加了识别的准确性。
郝冰[7]2017年在《烟台市区工程场地地脉动特征分析》文中提出场地动特性研究对于制定科学的抗震防灾对策和建筑结构的抗震设计具有十分重要的意义。地脉动包含了场地土的动力特性,通过地脉动测试为场地类别划分、震害研究提供卓越周期和频谱,作为场地动特性研究的新思路,已在城市地震小区划工作中得到广泛的应用。烟台市位于山东半岛的东北部,属华北震区,郯城—营口地震带的中部边缘,抗震设防烈度为7度,历年来地壳运动活跃,小震不断。本文在烟台市区进行了大范围的地脉动数据采集,研究了场地的卓越周期等地震动特性参数,取得了以下成果:(1)场地卓越周期是反映场地土地震动力特性最重要的参数之一,可以通过多种途径获得,本文总结了不同规范对场地卓越周期的定义,阐述了卓越周期在工程抗震中的应用、计算方法及其优缺点。同时比较了各种计算方法的适用性,地脉动测试是最直接,最方便也是最经济的获得手段。(2)通过采集烟台市区许多工程场地地脉动的测试数据,以及对烟台市区不同场地地脉动时程曲线与频谱的分布规律和大致特征的总结,综合场地特征分析表明:烟台市地脉动频谱结构大致可分为低频多峰型、双峰或多峰型及高频单峰型叁种类型;通过同一场地叁分量频谱结构的对比发现,两个水平分量的地脉动频谱结构基本一致。(3)结合场地岩土工程勘察报告,研究了地脉动特征与地基土层构造的关系。地脉动是依赖于场地土层性质的,处于不同地貌单元上的场地卓越周期与频谱结构均存在明显差异。硬质场地上的卓越周期要比软质场地上的低,有软弱夹层存在的场地要比结构单一场地的频谱复杂。在研究区范围内经过插值绘出了烟台市区卓越周期的等值线图。研究成果可为城市抗震设防、防震减灾提供参考。
巨能攀[8]2005年在《大跨度高边墙地下洞室群围岩稳定性评价及支护方案的系统工程地质研究》文中提出复杂地质条件下大跨度、高边墙地下洞室围岩稳定性研究是水利水电工程勘测、设计、施工、运行中的重要地质工程问题。在大量工程实践和研究工作中，国内外学者已建立一套关于围岩稳定性评价较为完整的理论体系。但在实际的工程中，特别是对于糯扎渡这种边墙高、跨度大、洞室相互交错的地下洞室群的围岩稳定性问题，还缺少系统的评价方法。本文以糯扎渡水电站大型地下洞室群为典型实例，通过对复杂岩体结构条件的准确描述和模型的建立，遵循大型地下洞室群整体变形稳定性和局部块体稳定性评价相结合的基本学术思想，发展了复杂环境下大型地下洞室群围岩稳定性和支护方案确定的系统工程地质评价方法。在系统的研究工作中取得了如下研究成果： (1) 应用复杂环境下大型地下洞室群围岩稳定性和支护方案确定的系统工程地质评价方法，系统地评价了糯扎渡水电站大型地下洞室群和引水发电系统在各种条件下的稳定性，并基于洞室围岩稳定性状况和可能的变形失稳模式提出了支护措施的优化建议。 (2) 查清了地下洞室工程区的地质条件，认为该区岩体结构的形成经历了复杂的构造改造过程。该区主要构造迹象表现为断层和节理，其中F_1、F_3规模最大，以F_1断层及F_3断层为界，可以将糯扎渡左岸分为叁个大的工程地质区。通过对比研究认为C1区是布置地下洞室群的最佳位置。 (3) 在已有的岩体结构研究成果的基础上，利用空间投影关系，采用由点到面的思路，研究了结构面的叁维展布特征。 (4) 应用岩体质量分级的最新成果，对洞室区和左岸工程区的岩体质量进行了总体分级。并根据监测资料，反演分析了岩体的力学参数，反演结果和实测资料吻合较好。 (5) 以糯扎渡地下洞室群为原型，利用复杂岩土介质的建模技术，采用数值模拟方法，对控制性结构面的工程影响效应进行了研究。结果表明：在地下洞室的布置设计时，主要洞室端墙与Ⅰ-1级结构面距离应大于80m。对切穿洞室的软弱结构面(1-2类)，相同倾角情况下，结构面走向与洞室轴线的夹角越大越有利于围岩稳定；相同走向情况下，低倾角结构面对洞室边墙围岩应力影响较大，而中等倾角的结构面对围岩的变形影响较大。 (6) 创新了大跨度高边墙地下洞室块体稳定性的评价方法，把地下洞室的可动块体分为边墙复杂块体、复合部位简单块体和复合部位复杂块体叁类，提出了相应的建模和稳定性评价方法。在此基础上，利用块体理论、矢量分析法和OpenGL技术，开发了地下洞室块体稳定性评价及支护设计程序(BlockCAD)：结合高边墙的特点，开发了地下洞室边墙块体稳定性分析程序(USASW)，为快速评价洞室围岩块体稳定性提供了新的方法。 (7) 在对工程区岩体结构模型进行概化的基础上，利用复杂岩体建模的基本理论和方法，采用Flac3D模拟了地下洞室群和引水发电系统开挖后围岩的应力、变形、塑性区的分布和动态变化特征，且对控制性断层的工程效应进行了系统的分析和总结。为洞室群和引水发电系统的稳定性评价和支护设计提供了基础资料和理论依据。 (8) 基于以上研究成果，结合洞室围岩可能的失稳模式，综合新奥法和挪威法的特点，提出相应的支护参数，并采用数值模拟方法，对支护措施的支护效果进行了模拟分析，结果表明，支护后围岩的稳定性状态可以满足地下洞室群安全的需要。
陈奇[9]2009年在《矿山环境治理技术与治理模式研究》文中进行了进一步梳理借鉴前人研究成果,提出依据成因和依据对应的环境效应两种矿山环境问题分类方案,简略讨论了分类依据和分类特征。探讨了矿山环境效应等级概念并提出等级确定方法。从宏观管理角度具体分析了环境效应控制指标。分层次探讨了矿山环境治理技术的特点和适用性。根据治理技术的学科归属将其分为：传统工程治理技术、生物治理技术及生态恢复技术。将矿山环境视为复杂巨系统,提出了基于矿山开采层次的宏观治理模式-防控治理模式和后效治理模式。进一步提出了对应后效治理的具体治理模式,阐述了具体治理模式的理念、特点及适用性。对应矿山环境后效治理模式,设计并开发了矿山环境治理专家系统。探讨了该系统的主要功能：矿山环境效应的识别、治理模式的选择、治理方案优化设计。
刘峡[10]2007年在《华北地区现今地壳运动及形变动力学数值模拟》文中进行了进一步梳理华北地区位于我国北部，阴山、燕山以南，秦岭、大别山以北、鄂尔多斯高原以东延伸至沿海一带的广袤区域，地理坐标范围为东经112°～124°，北纬31°～42°，是我国政治、经济、文化中心。同时，该区域囿于太平洋板块、菲律宾板块和印度板块之间，新生代以来构造运动活跃，为我国大陆强地震频发区域之一。因此，研究该区域现今地壳运动及形变、构造应力场特征，继而探讨其动力学机理，具有重要理论和现实意义。本文采用有限元方法在大型有限元软件平台ANSYS基础上，综合现有地质、地球物理资料构建华北地区岩石层(地壳和上地幔顶部)框架。以区域GPS观测、地形变观测以及震源机制解结果作为约束条件及检验标准，通过数值模拟的方式，研究该区域现今地壳运动和形变、构造应力场特征，并将表层运动与深部运动相联系，以区域动力学环境和驱动力为中心，探讨其动力学机制。根据华北地区新生代构造发育特征和深部地球物理观测数据，本文选取了108°E～127°E，32°N～42°N矩形区域构建有限单元数值模拟的几何框架。与此同时，还将现今活动断层及断裂带分布、地形起伏以及地壳—上地幔速度结构等纳入模型中。本文构建和测试了叁个基本模型：即叁维模型3DCM_Ⅰ，3DCM_Ⅱ利二维模型2DDM_Ⅰ。模型3DCM_Ⅰ不考虑地壳—上地幔的实际分层，将模型沿纵向分为七个厚度均匀的水平层，分别代表上、中、下地壳和上地幔(四层)。模型3DCM_Ⅱ则依据该区域深反射地震研究结果进行水平分层。在模型3DCM_Ⅰ、3DCM_Ⅱ中，区域内主要活动断裂带处理为宽度5—6Km，深度不等(10～15km)的软弱带，模型含14736个节点，24829个叁维实体单元。在模型2DDM_Ⅰ中断层及断裂带则处理为非连续接触边界，模型含1843个节点，3547个二维实体单元。论文采用有限元弹性静力分析方法，以模型区周边GPS观测作为边界约束，计算华北岩石层形变的水平速度场和应力、应变增量场。并以模型区内部GPS观测作为标准，通过调整模型中断层的物理参数方式，寻求与GPS观测的最佳吻合的有限元解。计算显示，水平运动场的最佳数值解和GPS观测值的平均离散度为10171mm~2/year(叁维模型)、1.176mm~2/year(二维模型)。与此同时，数值模拟预测的区内主要活动断层的错动方式、水平错动速率(叁维模型结果为～0.1mm/year，二维模型结果为～0.3mm/year)与地质及跨断层形变观测结果基本一致。叁维模型还显示，在10～15Km深度上，最大、最小主应力轴接近水平，主张应力为主压应力的2～8倍，主张应力方向为NNW，主压应力方向为NEE。这一结果与震源机制解、地应力观测结果比较吻合。叁维模型得到的全区应变率较低约10~(-9)/year。并且，大致沿汾渭地堑断裂系、唐山—河间—磁县断裂带和郯庐断裂带存在叁个北东走向的剪应变梯度带。不过二维模型预测的张家口—渤海断裂带水平运动速度为1.35～1.45mm/year，远高于其他断层以及叁维模型结果。数值模拟结果可以推论：华北地区岩石层水平形变运动主要受控于周边大型构造块体的相对运动，其次才是岩石横向、纵向非均匀性的影响。同时，在周边块体运动的控制下，区内主要断裂带现今的错动方式基本是继承性的，且错动速率较低。只有张家口—渤海断裂带错动速度较高，值得关注。论文考虑岩石应力—应变遵从幂指数本构关系，基于叁维模型3DCM_Ⅰ，3DCM_Ⅱ的基本框架，采用弹性—蠕变静力学有限元方法对华北地区晚近时期(～4Ma)构造运动进行数值模拟，探讨华北地区现今地壳运动演化的动力学环境和驱动力因素。模拟时以模型周边GPS观测数据作为表层的边界约束，计算时顾及岩石的流变性、重力作用以及大变形导致的位移—应变非线性。本文通过选择侧面、底面边界约束方式，调整岩石的物性参以及分析板块运动、周边块体运动、断层活动、岩石层流变分层等因素的影响，寻求与区内GPS观测、构造应力场观测数据最佳符合的预测模型。论文计算了22个模型。结果表明，当侧面以深部稍快、浅部稍慢的方式运动，并考虑岩石层下部的拖曳运动时，则模拟预测果更接近实际观测。在该约束方式下，相应于模型3DCM_Ⅰ、3DCM_Ⅱ框架的预测与GPS观测的最低平均离散度分别为1.1529mm~2/year、1.1451mm~2/year，低于弹性模型，而且断层错动与地质研究结果相一致。在相同边界条件下，3DCM_Ⅱ结果优于3DCM_Ⅰ结果，考虑断层运动结果优于不考虑断层运动结果。模型预测应力场显示，深度10Km处的最小主压应力轴均接近水平，方向为NNW向，最大主压应力轴在南部区域接近水平，在北部区域则垂直于水平面，方向以NEE为主。这与其它研究显示的最大、最小应力主轴的方向基本吻合，但与现有的最大、最小主应力轴均接近水平的基本认识存在一定差别。预测应力场随深度的变化明显受控于边界加载方式(应力环境)，而断层的影响仅局限于断层内部以及断层附近较小区域内。为研究局部特别是隐伏构造对地表形变的影响，提取形变异常信息，论文发展了GPS差异形变分析方法。并用此方法，对华北地区和中国大陆GPS观测结果进行了GPS差异形变分析。华北地区GPS差异形变分析显示，张家口—渤海断裂带、唐山—河间—磁县断裂带为该地区现今构造活动较强烈区域，在未来若干年内需密切关注及防范强震发生。对中国大陆而言，论文分别使用叁种有限元模型(均一、分块和多驱动力模型)而进行了GPS差异形变分析。结果表明，中国大陆现今构造运动是多种驱动力共同作用的结果。其中，印度板块向北的强烈推挤以及地幔对流对岩石层底部的拖曳作用占据着非常重要的地位。前者主导了以青藏高原为中心的大陆西部地区构造变形运动，而后者则对华北、华南地区的影响重大。同时，现今构造运动十分活跃大型断裂系(如阿尔金、张家口—渤海等)对大陆岩石层构造变形的影响也是不可忽视的。综合数值模拟结果可以得到如下认识：华北地区岩石层形变的区域动力学环境和驱动力十分复杂。总体而言，一方面在太平洋板块的俯冲和印度—欧亚板块的碰撞挤压作用下，鄂尔多斯活动地块、华南活动地块以及东北亚活动地块的运动状态决定了华北地区表层运动的基本格局。另一方面，地幔对流对岩石层底部的拖曳作用将直接影响该区域岩石层形变运动。与此同时，以张家口—渤海断裂为代表的现今构造运动十分活跃大型断裂系以及岩石层内流变性非均匀分布(特别是中地壳软弱层的存在)，对区域构造变形的影响也是不可忽视的。
参考文献：
[1]. 软弱层带的动力特性及其在工程中的应用[D]. 吴勇. 北京工业大学. 2003
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