抽水条件下拉张型地裂缝开展过程的数值模拟研究

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虽然地裂缝已经成为一种重要的城市地质灾害,但由于地裂缝难以直接观察的特点以及土体变形的复杂性,使得人们对地裂缝的研究大多还停留在对已知地裂缝进行定性的现场勘察和灾害评估。破坏力学的发展使人们很自然的想到利用已有的破坏力学对地裂缝进行模拟和预测,并已取得一定的成果。本文遵循这一思路,引入了破坏力学数值模拟的理论和方法,摈弃了传统的连续体力学分析方法、材料强度理论以及土体脆性破坏的假设,在常规有限单元法的基础上加入基于弥散裂缝模型的钝化断裂带模型,结合裂缝开展的张开度COD和能量释放率作为单元的断裂判据,对土体中拉张型裂缝的动态发展进行模拟,所建立的模型通过已有实验研究成果进行了验证,并对三种常见地质条件下拉张型地裂缝的形成和发展进行了模拟和分析,讨论了不同条件下拉张型地裂缝的形成机制、分布特点及其对土体变形的进一一步影响。本文的研究表明,利用钝化断裂带模型的方法对土体Ⅰ型开裂过程进行数值模拟是可行的,对实验尺度土样的模拟结果以及对拉张型地裂缝的模拟结果都与实际观测基本相符:模拟过程中,拉张型地裂缝大多形成于浅部土体并竖直向下发展,大多数情况下地裂缝处通常形成明显的水平位移差和相对较小的竖直位移差,说明地裂缝两侧产生了较大的水平张开度和较小的垂向错动,然而在有先期断层存在的情况下,断裂面的重新开裂会产生较为显著的垂向错动,虽然由此带来的剪应力影响有待进一步研究,但也由此可推测随着裂缝开展深度的增加,拉张型地裂缝也有可能产生与先期断层相似的作用,使得其破坏模式从早期的拉张型逐渐向拉张-剪切型转变。
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