Vol.28 No.3 王学滨：断层-围岩系统的形成过程及快速回跳数值模拟 ·213· 左侧，出现了快速回跳（或弹性回跳）现象，即岩石 图5中的B点标志着系统整体发生回跳的 力学中所谓的Ⅱ类变形行为，出现这种现象的原 时刻，即1900个时间步.上文提过，应力-位移曲 因是在断层-围岩系统承载能力降低的过程中， 线的峰值所对应的时步数为1700.因而，系统整 弹性位移（或应变）的快速恢复 体回跳发生于峰值强度之后的应变软化阶段.这 另外，从图4还容易看出，在断层带之外的右 与系统只能在应变软化阶段发生失稳的常识并不 侧及左侧，位移分布基本上的均匀的，但是在断 矛盾 层带位置，存在较大的位移梯度.断层-围岩系统 2.0 承载能力越低，位移梯度越大 B1900) 6 g y-0m 合2100 91800 y-0.02m ◆1500 -1200 三12 0.04m -900 *600 0.8 =0.06m 300 0.4 2 y-0.08m 0 0.5 1.0152.0 时步数10 660070009005 图5试样左侧面上各节点垂直方向位移的演化规律 距离试样左边界的距离m Fig.5 Evolution of the vertical displacement at the left edge of 图4y=0.05m时各节点垂直方向位移的分布规律 a specimen for different nodes Fig.4 Vertical displacement distribution at y=0.05 m for dif- ferent time steps 3 结论 文献[12]利用梯度塑性理论已经严格证明了 岩样一试验机系统的快速回跳条件与岩样的失稳 (1)断层带-围岩系统是逐渐形成的.断层带 -围岩系统形成之前，试样经历了弹性阶段及两 判据是相同的.因此可以通过识别系统的快速回 跳，来判断岩样是否失稳. 条局部化带的相对传播阶段.两条局部化带汇交 事实上里德早在1910年研究了旧金山大地 之时，系统形成.随后，系统的承载能力开始下 震前后的大量测量资料，提出了对后来地震研究 降.在断层带之内，岩石单元的破坏模式主要是 产生深刻影响的弹性回跳学说：唐山地震及海城 剪切，并且随着时步数的增加，断层带之内的单 地震14151过程中也观测到了应变突然反向的现 元的剪切变形程度增加，变形局部化现象越来越 象，因此，认为系统的快速回跳就是发生了失稳 明显 破环是有实践依据的. (2)在断层带左侧，出现了快速回跳现象，这 图5给出了试样左侧面上多个节点垂直方向 意味着断层一围岩系统发生了失稳.这是由于断 位移（剪切位移）随时间步的演化规律，图中的各 层围岩系统承载能力降低的过程中，弹性位移 黑点表示此时各节点发生回跳.由图5可见：在 (或应变)的快速恢复.在断层带之外的右侧及左 加载初期及加载后期，靠近加载端（值较低）的节 侧，位移分布基本上是均匀的.然而，在断层带位 点的剪切位移变化率都高于远离加载端的节点； 置，却存在较大的位移梯度.断层-围岩系统承载 靠近加载端的节点所能达到的最大剪切位移较 能力越低，位移梯度越大， 大；靠近加载端的节点后发生回跳.系统发生回 (3)断层带-围岩系统的回跳是逐渐发生的. 跳是逐渐发生的，即远离加载端的区域先回跳，然 远离加载端的区域先回跳，然后回跳区域逐渐扩 后回跳区域逐渐扩大，向加载端传播，直到整个试 大，向加载端传播，直到整个试样都发生回跳，从 样都发生回跳 回跳开始到系统整体回跳发生所持续的时步数较 从图5还可以发现，从回跳开始到系统整体 少，这说明了系统发生失稳的突发性.系统整体 回跳发生所持续的时间步数较少，这说明了系统 回跳发生于峰值强度之后的应变软化阶段，这与 发生失稳的突发性 系统发生失稳的常识并不矛盾.V o l . 2 8 N o . 3 王学滨 : 断层一 围岩系统 的形成过程及快速回跳数值模拟 左 侧 , 出现了快速 回跳 (或弹性回跳 )现象 , 即岩石 力学 中所谓 的 1 类变形行为 . 出现这种现 象 的原 因是 在断 层 一 围岩 系统 承 载 能 力 降低 的 过程 中 , 弹性位 移 ( 或应变 )的快速 恢复 . 另外 , 从 图 4 还 容易看 出 , 在 断层带 之外 的右 侧及左 侧 , 位 移分布基本上 的均 匀 的 . 但是在 断 层带位置 , 存在较大 的位 移梯度 . 断层一 围岩 系统 承 载能力越低 , 位移梯度越大 . 图 5 中 的 B 点 标 志着 系统 整 体 发 生 回 跳 的 时刻 , 即 1 90 0 个 时 间步 . 上文 提过 , 应力一位移 曲 线 的峰值所 对应 的时步 数为 1 7 0 . 因而 , 系统整 体 回跳 发生 于峰值 强度之 后 的应变软化 阶段 . 这 与系统只能 在应变软化 阶段 发生 失稳的常识并不 矛盾 . (B 1 9 0 0) 厂o m 合 2 100 母 1 8 00 月卜 1 5 00 · 1 2 00 一 9 0 0 州卜 6 0 0 补 3 0 0 厂0 . 0 2 m 贻0 · 0 4 m `ùUùI 厂0 .0 6 m 厂0 刀s m 石八,O 4 I 泌划乌椒芬已 Cén曰 泌华且\已 . - 一口 户口 . 一口 - - 一口 ~ … ~ ~ ~ - ~ ~ ~ 一` o示去介兮一五才一几兮一成 一斌 s 0刀 1 0乃 2 0刃3 0 . 04 0刀 5 距离试样左边界 的距离 m/ y = 。 . 05 m 时各节 点垂直方向位移的分布规律 时步数 / 10 3 图 5 试样左侧面上各节点垂直方向位移的演化规律 F i g . 5 E v o l u t i o n o f t h e ve r t i c a I d i s P I a ce me n t a t t h e I e ft ed ge o f a s P e c ime n f o r d if fe er n t n od e s F i g . 4 V e r t i e a l d i s Pl a e e m e n t d i s t r ib u t i o n a t 少 二 0 . 0 5 m fo r d if - fe er 川 t i . 口e s t e P s 文献「12 ]利用梯 度塑性理论 已经严 格证明了 岩样一试验 机 系统的快速 回跳条 件与岩样 的失 稳 判 据是相 同的 . 因此可 以通过 识别系 统的 快速 回 跳 , 来判 断岩样是 否失稳 . 事实上 里德早 在 1 91 0 年研究 了 旧 金 山大地 震前后 的大量 测 量 资料 , 提 出了对 后 来地 震 研 究 产 生深 刻影 响 的弹性 回跳 学说 ; 唐 山地 震及 海 城 地 震 [ ` 4 一 15 过程 中也 观测 到 了 应变 突 然反 向的现 象 . 因此 , 认 为 系统 的快速 回跳就 是 发生 了失 稳 破 坏是有 实践依据 的 . 图 5 给 出了试 样左侧 面上 多个节 点垂直方 向 位 移 (剪切位移 )随 时 间步 的 演化 规 律 , 图 中 的各 黑 点表示 此 时各节点发 生 回跳 . 由图 5 可 见 : 在 加 载初期及 加载后期 , 靠近 加载端 (值较 低 ) 的节 点的剪切 位移变化 率都高于 远离加 载端的节点 ; 靠近加载 端的 节 点 所 能 达 到 的 最 大 剪 切 位 移 较 大 ; 靠近 加载 端 的节 点后 发 生 回跳 . 系 统 发生 回 跳是逐渐发生 的 , 即远 离加载端的 区域先回跳 , 然 后 回跳 区 域逐 渐扩大 , 向加载端 传播 , 直到 整个试 样 都发 生 回跳 . 从图 5 还 可以发现 , 从 回跳开 始到 系 统整 体 回跳发 生所持 续 的时 间步 数 较 少 , 这说 明了 系统 发 生失稳的 突发性 . 3 结论 ( 1) 断 层带一 围岩系统是逐渐形成 的 . 断层带 一 围岩 系统形 成 之 前 , 试 样 经 历 了弹性 阶段 及 两 条局部 化带 的相对 传播 阶段 . 两条 局部 化带 汇交 之时 , 系 统 形 成 . 随后 , 系 统 的 承 载 能 力 开 始 下 降 . 在 断层 带 之 内 , 岩石 单 元 的破 坏模式 主要 是 剪切 . 并且 随 着 时步 数 的增 加 , 断 层带 之 内的单 元的剪切变形 程 度增 加 , 变形局 部 化 现象越 来越 明显 . ( 2) 在断层 带左侧 , 出现 了快 速 回 跳现象 , 这 意 味着 断层 一 围岩 系统发 生 了失稳 . 这 是由于断 层一围岩 系 统 承 载能 力 降低 的过 程 中 , 弹性位 移 (或应变 )的快速恢 复 . 在 断层 带之 外 的右侧 及左 侧 , 位 移分布基本 上是 均匀 的 . 然而 , 在断 层带位 置 , 却存在较 大的位 移梯度 . 断层一 围岩系 统承载 能 力越低 , 位移梯度 越大 . ( 3) 断层带一 围岩系统 的 回跳 是逐渐发 生 的 . 远离加载端的 区域 先 回跳 , 然后 回跳 区域 逐渐扩 大 , 向加载 端传 播 , 直 到整个 试样 都发 生 回跳 . 从 回跳 开始到 系统整 体回跳发生所持续 的时步数较 少 , 这 说 明了 系统发生 失稳 的 突发性 . 系统整体 回跳发生于 峰值强度 之 后 的应 变软化 阶 段 , 这 与 系统 发生 失稳 的常识并不 矛盾