同沉积地裂缝破裂扩展倾角效应研究

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地裂缝是在构造运动等自然因素和资源开采等人为因素下,在地表形成一定长度和宽度的裂缝。在我国地裂缝灾害的调查研究中,发现部分地区的地裂缝具有同沉积构造特征,且深部隐伏的构造型地裂缝在向地表延伸扩展过程中,若倾角不同,所导致的影响带范围和灾害特征也存在差异。本文基于同沉积构造的研究方法,在进行60°倾角同沉积地裂缝破裂扩展物理模型试验基础上,分别利用有限差分软件FLAC3D和离散元软件PFC2D,模拟了不同沉积时期、不同倾角同沉积地裂缝的破裂扩展过程,揭示了同沉积地裂缝破裂扩展的基本规律和倾角效应。本文取得的主要成果如下:(1)通过野外调查和资料整理,发现同沉积地裂缝与同沉积构造在几何形态、运动学、动力学成因机制、发育因素等方面有很多相似之处,具体表现为多个地区的同沉积地裂缝断距随着地层深度的增加而增加,同一沉积层上盘厚度大于下盘厚度。(2)通过60°倾角同沉积地裂缝破裂扩展物理模型试验,发现每一期同沉积活动结束之后都产生一条反倾裂缝和至少一条陡倾裂缝;根据应力应变监测结果,发现反倾裂缝和陡倾裂缝均属于拉张裂缝;平面特征主要表现为弧形和平行状,剖面特征主要表现为反向“Y”型、复合反向“Y”型、“拱”型和复合“拱”型;将同沉积地裂缝破裂扩展发育模式划分为三种类型:同一沉积时期内地裂缝破裂扩展模式、不同沉积时期之间地裂缝破裂扩展模式和多期沉积之间地裂缝破裂扩展“拱型”模式;结合应力应变监测结果,确定了地裂缝破裂扩展的影响宽度,并将其划分为主变形区和微变形区两种类型。(3)分别利用有限差分软件FLAC3D和离散元软件PFC2D模拟了三种不同倾角(60°、75°和90°)同沉积地裂缝破裂扩展过程。结果显示:在同沉积活动中,反倾裂缝和陡倾裂缝出现的位置分别位于隐伏裂缝顶端最大拉应力处和地面水平方向最大拉应力处,与物理模型试验中应力应变监测结果相互佐证,验证了陡倾裂缝和反倾裂缝均属于拉张型地裂缝;裂缝倾角越小,在新沉积土层产生的拉应力区域越大,地裂缝活动对土体的牵引力越大、时间越快,在地表产生的应力区变化越大;微裂隙发育过程和位置与物理模型试验基本一致,陡倾裂缝出现在水平方向最大位移变化处,反倾裂缝自上一沉积时期产生的陡倾裂缝附近向上延伸,其位置主要出现在最大位移变化处;预设裂缝倾角越小,新覆盖层产生的反倾裂缝与水平面夹角越大,影响带宽度越大。
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