趙 永，趙乾百，王述紅，李友明

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

自然界中，巖體往往會(huì)受到構(gòu)造應(yīng)力的作用而形成節(jié)理、破裂面及斷層等不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體，繼而對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響[1].在天然巖體中，節(jié)理的一種地質(zhì)延伸和擴(kuò)展的結(jié)果即為斷層，其相對(duì)于節(jié)理的組織結(jié)構(gòu)而言，更為復(fù)雜，規(guī)模和影響也大得多.Goodman[2]將斷層作為地質(zhì)隱患評(píng)價(jià)的首位影響因子.斷層黏滑是巖石摩擦滑動(dòng)的基本形式之一，是一種不穩(wěn)定的滑動(dòng).此類(lèi)斷層的摩擦滑動(dòng)形式往往會(huì)對(duì)隧洞、采礦、地下洞室以及地表建筑物等工程項(xiàng)目造成嚴(yán)重的危害，給社會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.因此，詳細(xì)研究斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程的演化規(guī)律和形成機(jī)制有著重要的科學(xué)意義與工程價(jià)值.

目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程開(kāi)展了許多有意義的研究.趙揚(yáng)鋒等[3]聯(lián)合微震和電荷感應(yīng)監(jiān)測(cè)方法，研究了不同斷層傾角下斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程的微震與電荷信號(hào)時(shí)序特征.Khazaei等[4]建立了斷層黏滑離散元模型，并開(kāi)發(fā)了斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程微震事件的模擬算法，研究了法向應(yīng)力、斷層摩擦系數(shù)、斷層剛度等不同因素對(duì)黏滑行為的影響.Yta等[5]在毫米級(jí)的滑動(dòng)界面粗糙度的前提下，建立了不同粗糙度下花崗巖的三軸黏滑數(shù)值模型，再現(xiàn)了黏滑物理實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵力學(xué)特征.Kettermann等[6]采用沙盒試驗(yàn)與離散元相結(jié)合的方式，研究了巖鹽對(duì)膨脹性斷層運(yùn)動(dòng)的影響，分析了含韌性材料斷層帶的黏滑行為.然而，由于工程巖體開(kāi)挖深度的不斷增大，斷層所處地層深度增大，圍巖溫度隨之不斷上升.高溫作用下，斷層結(jié)構(gòu)面摩擦力以及斷層兩側(cè)巖體強(qiáng)度下降.常溫條件下的研究結(jié)果，并不完全適用于高溫條件下的斷層黏滑力學(xué)特性的描述.因此，溫度對(duì)斷層黏滑失穩(wěn)行為的影響不容忽略.

當(dāng)前許多學(xué)者對(duì)巖石熱損傷及溫度作用下的巖石力學(xué)特性展開(kāi)了研究.Zhao[7]建立了花崗巖離散元的熱力耦合模型，揭示了熱致微裂紋演化與模型邊界條件、加熱路徑的內(nèi)在聯(lián)系，論述了溫度致使巖石力學(xué)性質(zhì)演變的機(jī)理.Tian等[8]以PFC中的Cluster模型為基礎(chǔ)建立了花崗巖試樣的數(shù)值模型，研究了熱處理后花崗巖的裂紋演化規(guī)律和力學(xué)特性.賈蓬等[9]利用超聲波無(wú)損檢測(cè)、XRD衍射和偏光顯微鏡等觀測(cè)手段，研究了高溫巖體水冷卻后的力學(xué)特性及微觀破裂特征.溫度的升高導(dǎo)致巖體內(nèi)部強(qiáng)度與黏滯系數(shù)普遍降低，巖體結(jié)構(gòu)面的摩擦系數(shù)下降.溫度場(chǎng)作用下的巖體力學(xué)特性的研究多以物理試驗(yàn)為主要的研究手段.通過(guò)數(shù)值模擬方法揭示巖體力學(xué)行為特性的研究，多以不同溫度下巖體的破壞力學(xué)行為特性為主，缺少對(duì)不同溫度下巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)行為特性分析.

綜上，本文通過(guò)建立斷層黏滑的離散元數(shù)值模型，對(duì)不同溫度場(chǎng)下花崗巖的斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行模擬研究.從微觀角度出發(fā)，分析了斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程的裂紋演化、能量演化及應(yīng)力演化特性，得到不同溫度場(chǎng)下斷層黏滑過(guò)程的力學(xué)行為模式，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)深部高溫條件下的斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程的演化規(guī)律和形成機(jī)制.

1 斷層黏滑模型構(gòu)建及模擬工況

1.1 斷層黏滑模型構(gòu)建

顆粒流離散元法是基于力-位移定律和牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，采用顯式有限差分方法進(jìn)行循環(huán)迭代求解，通過(guò)模擬剛性顆粒集合體的運(yùn)動(dòng)與相互作用，繼而有效體現(xiàn)介質(zhì)破裂損傷、裂紋擴(kuò)展等現(xiàn)象[10].顆粒之間的接觸模型是表征顆粒集合體力學(xué)特性的基本單元,PFC中內(nèi)置了多種類(lèi)型的接觸模型以表征不同力學(xué)特性的顆粒集合體.因此，本文利用PFC中的平行黏結(jié)模型模擬巖體基質(zhì)，光滑節(jié)理模型模擬斷層結(jié)構(gòu)面.基于趙揚(yáng)鋒等[3]室內(nèi)雙軸壓縮試驗(yàn)巖體預(yù)處理與加載條件；基于文獻(xiàn)[7]數(shù)值模擬中的巖體組分、尺寸與接觸參數(shù)，建立斷層黏滑的二維數(shù)值模型，進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)，具體步驟如下：

1)由試樣尺寸50 mm×50 mm設(shè)定合適的計(jì)算區(qū)域，生成巖體模型的邊界，并進(jìn)行5 mm×5 mm的倒角處理.以31%的石英、27%的鉀長(zhǎng)石、38%的斜長(zhǎng)石以及4%的云母為顆粒分組依據(jù)，生成均勻的指定孔隙率的顆粒集合體[7](試樣模擬模型，見(jiàn)圖1).

圖1 斷層黏滑模擬模型

2)編寫(xiě)FISH函數(shù)對(duì)8面墻體進(jìn)行伺服控制，調(diào)整顆粒間的內(nèi)應(yīng)力，以此使數(shù)值模型達(dá)到平衡穩(wěn)定的狀態(tài).

3)按表1花崗巖的微觀參數(shù)[7]添加平行黏結(jié)接觸模型，以此模擬完整巖體的力學(xué)特性.

表1 花崗巖的微觀參數(shù)[7]

4)添加傾斜角度為45°的斷層，并將斷層顆粒的接觸由平行黏結(jié)模型更改為光滑節(jié)理模型，循環(huán)模型至靜態(tài)平衡狀態(tài).

5)對(duì)含斷層的花崗巖數(shù)值模型進(jìn)行伺服控制，分別在X與Y方向上施加20 MPa的圍壓.

6)保持X方向的伺服控制，關(guān)閉Y方向的伺服.選擇0.05 s-1應(yīng)變率進(jìn)行加載.加載直至Y方向的應(yīng)變達(dá)到1%，停止加載，完成斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程的數(shù)值模擬.

1.2 不同溫度場(chǎng)工況構(gòu)建

在構(gòu)建含45°斷層巖體的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究不同溫度場(chǎng)作用下斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程的演化規(guī)律及形成機(jī)制.利用熱模塊構(gòu)建熱力耦合數(shù)值模型.熱模塊中，顆粒作為儲(chǔ)熱器，顆粒與顆粒之間的接觸作為熱管，二者共同形成了熱網(wǎng)絡(luò)，以反映瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的過(guò)程[8].由于顆粒集合體中存在“懸浮顆?！?，該顆粒與周?chē)w粒之間并未生成接觸，而熱流量以顆粒間的接觸作為傳導(dǎo)的媒介.因此，當(dāng)墻體或顆粒作為加熱源對(duì)模型進(jìn)行熱傳導(dǎo)時(shí)，顆粒與墻體或顆粒之間無(wú)接觸的位置易出現(xiàn)“熱泄漏”的現(xiàn)象.以圖2為例，溫度無(wú)法正常地從加熱源向內(nèi)部傳導(dǎo)，也易造成“熱沖擊”的現(xiàn)象發(fā)生.采用墻體或顆粒作為加熱源[7]的計(jì)算效率較低，即數(shù)值模型中顆粒數(shù)量達(dá)到萬(wàn)級(jí)以上，模擬時(shí)間將大幅上升；無(wú)法使巖體模型整體均勻升溫至指定溫度.因此，這種計(jì)算模型不適合模擬不同溫度場(chǎng)下的斷層黏滑失穩(wěn)問(wèn)題.綜上所述，本文熱力耦合計(jì)算模型更適用不同溫度場(chǎng)下斷層黏滑失穩(wěn)的工況,計(jì)算效率更高,有效避免“熱沖擊”與“熱泄漏”現(xiàn)象.

圖2 瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的“熱泄漏”

熱力耦合的實(shí)現(xiàn)通過(guò)溫度變化使得顆粒產(chǎn)生膨脹或收縮，引起了熱應(yīng)變，顆粒熱膨脹的表達(dá)式為

ΔR=aRΔT.

(1)

式中：ΔR為溫度變化量引起顆粒半徑變化量；a為顆粒線膨脹系數(shù)；R為顆粒半徑；ΔT為溫度變化量.

熱膨脹導(dǎo)致顆粒之間的法向黏結(jié)力發(fā)生變化，其表達(dá)式為

(2)

為了能夠準(zhǔn)確表征含斷層巖體因溫度場(chǎng)作用下的熱行為，對(duì)構(gòu)成花崗巖的組分賦予不同的熱膨脹系數(shù)[7]：斜長(zhǎng)石為14.1×10-6K-1，鉀長(zhǎng)石為8.7×10-6K-1，云母為3.0×10-6K-1，石英為24.3×10-6K-1.各組分顆粒的比熱容統(tǒng)一取為1 015 J·kg-1K-1，顆粒之間熱管的熱阻取值由宏觀熱導(dǎo)率3.5 W·m-1K-1及定義的計(jì)算公式得到，其公式為

(3)

式中：η為熱阻；n為測(cè)量范圍內(nèi)的孔隙度；V(b)為顆粒b的體積；l(P)為測(cè)量范圍內(nèi)黏結(jié)接觸間顆粒的熱管長(zhǎng)度;k為黏結(jié)剛度.

為了分析6種不同溫度場(chǎng)下斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程中的力學(xué)特性，設(shè)定顆粒集合體的初始溫度場(chǎng)為20 ℃，并逐漸加熱到5種不同峰值溫度：100，200，300，400和500 ℃，隨后進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn).為了避免熱力耦合過(guò)程中瞬態(tài)熱傳導(dǎo)產(chǎn)生“熱沖擊”效應(yīng)，溫度場(chǎng)程序的編寫(xiě)采用Deltemp(自上一次力模塊計(jì)算以來(lái)的溫度增量)關(guān)鍵命令語(yǔ)句，并通過(guò)以下3個(gè)步驟進(jìn)行熱力耦合的模擬：①模型循環(huán)至靜態(tài)平衡狀態(tài)，該狀態(tài)由設(shè)定平衡極限比Mech-aratio值為0.000 01所控制；②模型以每個(gè)循環(huán)上升10 ℃進(jìn)行緩慢升溫，由初始溫度均勻變化至指定的峰值溫度；③重新循環(huán)至靜態(tài)平衡狀態(tài).圖3為不同溫度場(chǎng)下巖體模型的微裂紋演化，圖4為裂紋數(shù)量隨溫度的變化趨勢(shì).

從圖3、圖4可知，花崗巖各組分線膨脹系數(shù)與顆粒半徑的差異性導(dǎo)致了顆粒變形不同，繼而產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)平行黏結(jié)模型中的法向或切向強(qiáng)度不足以抵抗溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力時(shí)，就會(huì)發(fā)生拉伸或剪切破壞.加熱過(guò)程中裂紋種類(lèi)以及數(shù)量的變化趨勢(shì)中：初始溫度25 ℃到100 ℃之間并沒(méi)有微裂紋的產(chǎn)生，此時(shí)的熱應(yīng)力未達(dá)到顆粒之間接觸模型發(fā)生拉伸或剪切破壞的臨界值；100 ℃ 到200 ℃之間產(chǎn)生少量的微裂紋，隨著溫度的不斷上升，直至500 ℃，微裂紋以指數(shù)函數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)不斷增加.這些微裂紋在巖石內(nèi)部隨機(jī)分布，彼此之間并未形成宏觀裂紋.其中，剪切裂紋占據(jù)總裂紋的百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于拉伸裂紋.由此可知，花崗巖的熱破裂主要以拉伸破壞為主.

圖3 不同溫度場(chǎng)下巖體微裂紋分布

圖4 裂紋數(shù)量隨溫度的變化趨勢(shì)

2 斷層黏滑過(guò)程力學(xué)特性分析

2.1 斷層黏滑過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線演化分析

對(duì)不同溫度場(chǎng)下含斷層的巖體模型進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)，其最終的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示.斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程可劃分為4個(gè)階段：

圖5 不同溫度場(chǎng)下斷層黏滑應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1)A-B壓縮階段.含斷層巖體模型承受不斷增大的軸向應(yīng)力，但尚未達(dá)到產(chǎn)生斷層黏滑的臨界值，斷層結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的巖石未發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，呈現(xiàn)一種免“自鎖”現(xiàn)象.此時(shí)，可將含斷層的巖體模型近似看作完整巖體受壓，發(fā)生彈性形變，巖體模型內(nèi)部各區(qū)域未出現(xiàn)微裂紋.

2)B-C黏滑前階段.隨著上下墻體施加的應(yīng)力不斷增加，斷層結(jié)構(gòu)面兩端的倒角區(qū)域出現(xiàn)少量微裂紋，并不斷向著加載方向發(fā)展.斷層結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)微量的微裂紋，應(yīng)力增長(zhǎng)速率緩慢上升.

3)C-D黏滑階段.隨著巖體模型所受的軸向應(yīng)力增大，直至達(dá)到斷層黏滑臨界值，斷層結(jié)構(gòu)面的剪應(yīng)力超過(guò)了摩擦阻力，巖體模型的上盤(pán)與下盤(pán)發(fā)生了相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，積累的應(yīng)變能迅速釋放，產(chǎn)生應(yīng)力突降(啟滑).同時(shí)，黏滑失穩(wěn)現(xiàn)象導(dǎo)致斷層結(jié)構(gòu)面兩側(cè)一定范圍內(nèi)巖體微裂紋的形成.隨后，斷層結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的巖體又將呈現(xiàn)“自鎖”現(xiàn)象，應(yīng)力重新開(kāi)始增加，達(dá)到一定臨界值后，巖體上下盤(pán)再次出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，如此反復(fù)，形成了多次黏滑運(yùn)動(dòng).

4)D-E黏滑后階段.斷層黏滑失穩(wěn)造成了斷層兩側(cè)巖體嚴(yán)重的損傷，應(yīng)力出現(xiàn)大幅度的突降.此時(shí)可視為巖體發(fā)生了失穩(wěn)破壞.

通過(guò)上述斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出不同的黏滑力學(xué)特征分析以及圖6曲線的變化趨勢(shì)可知，隨著溫度的不斷上升，巖體內(nèi)部熱損傷逐漸增大，斷層兩側(cè)巖體的強(qiáng)度不斷持續(xù)下降，導(dǎo)致斷層黏滑過(guò)程次數(shù)不斷下降.最大應(yīng)力降量值在不同溫度場(chǎng)下呈現(xiàn)出上升-下降的變化規(guī)律.原因在于溫度增量較小時(shí)，巖體內(nèi)部損傷較小，強(qiáng)度的變化較小，每次斷層黏滑失穩(wěn)對(duì)巖體破壞程度較小，小損傷不斷積累直至達(dá)到閾值.因此，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)“斷崖”式下降，最大應(yīng)力降在該階段呈現(xiàn)上升的趨勢(shì).當(dāng)溫度增量達(dá)到一定量值之后，斷層兩側(cè)巖體強(qiáng)度下降較大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生大幅度應(yīng)力降前，斷層兩側(cè)巖體不斷產(chǎn)生若干個(gè)小幅度應(yīng)力降，不斷釋放積累的應(yīng)變能，每一次大幅度斷層黏滑失穩(wěn)對(duì)巖體破壞程度較大，斷層兩側(cè)巖體“自鎖”程度減弱.因此，最大應(yīng)力降量值下降.而隨著溫度的不斷上升，斷層結(jié)構(gòu)面的損傷程度增大，靜摩擦力逐漸下降，導(dǎo)致啟滑應(yīng)力整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì).斷層黏滑的啟滑應(yīng)力降整體表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，原因在于溫度增量導(dǎo)致斷層結(jié)構(gòu)面顆粒半徑產(chǎn)生膨脹，顆粒之間的接觸面積增大，動(dòng)摩擦阻力上升，故啟滑應(yīng)力降不斷隨溫度的上升而下降.

圖6 斷層黏滑過(guò)程機(jī)械特性的變化

2.2 斷層黏滑過(guò)程裂紋空間演化分析

斷層黏滑過(guò)程裂紋的空間演化一定程度上反映了黏滑過(guò)程的演化規(guī)律和形成機(jī)制，不同的破壞形態(tài)反映出不同溫度場(chǎng)下斷層黏滑的破壞模式,如圖7所示.

圖7 不同溫度場(chǎng)下巖體破壞形態(tài)

從不同溫度場(chǎng)下含斷層巖體模型的破壞形態(tài)可知：隨著軸向應(yīng)力的不斷增大，導(dǎo)致斷層結(jié)構(gòu)面附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，剪應(yīng)力隨之增大，當(dāng)斷層結(jié)構(gòu)面的剪應(yīng)力超過(guò)摩擦阻力時(shí)，斷層兩側(cè)的巖石發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生黏滑現(xiàn)象.

由圖7可知，溫度的改變并未使其破壞形態(tài)發(fā)生根本性質(zhì)的改變.大量的裂紋出現(xiàn)在斷層兩側(cè)臨近的部分，較多的微裂紋形成于斷層結(jié)構(gòu)面的中心位置，而距斷層較遠(yuǎn)的巖體部位未產(chǎn)生微裂紋,多數(shù)微裂紋形成于巖石的上盤(pán)，微裂紋之間形成貫通的宏觀裂隙.

20，100，200與300 ℃的破壞形態(tài)更為接近，隨著斷層黏滑失穩(wěn)現(xiàn)象的產(chǎn)生，微裂紋導(dǎo)致了宏觀裂隙的出現(xiàn)，并形成了塊狀破碎，同時(shí)部分宏觀裂隙與斷層結(jié)構(gòu)面形成一定的夾角，并向遠(yuǎn)離斷層結(jié)構(gòu)面的兩側(cè)不斷發(fā)展，但最終未貫穿整個(gè)巖體模型.

400與500 ℃的破壞形態(tài)表現(xiàn)得極為相似，相對(duì)于低溫度場(chǎng)出現(xiàn)的縱向裂隙破壞形態(tài)而言，這二種高溫條件下的斷層黏滑所產(chǎn)生的微裂紋表現(xiàn)出聚集的形態(tài).大量裂紋集中于斷層結(jié)構(gòu)面的中心偏上部的位置，造成斷層結(jié)構(gòu)面鄰近的巖體產(chǎn)生了塊狀破碎.隨著黏滑的多次發(fā)生，斷層結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生了一定的損傷，而斷層面的損傷又將影響著下一次黏滑的產(chǎn)生.二者之間存在著相互協(xié)同、互相影響的關(guān)系.

由圖8a可知，隨著溫度的不斷上升，裂紋數(shù)量整體呈現(xiàn)一種緩慢上升、快速下降又快速上升的趨勢(shì).導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因在于：20～200 ℃區(qū)間，溫度對(duì)巖體損傷程度較小，斷層結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度下降，有利于黏滑現(xiàn)象的產(chǎn)生，裂紋數(shù)量在該階段呈現(xiàn)緩慢上升；200～400 ℃區(qū)間，溫度對(duì)巖體損傷程度較大，斷層兩側(cè)巖體承受相對(duì)于前三種工況更少黏滑次數(shù)后即發(fā)生失穩(wěn)破壞，

圖8 不同溫度場(chǎng)下裂紋演化曲線

因此裂紋數(shù)量下降；400～500 ℃區(qū)間，巖體所受到損傷大幅上升，達(dá)到閾值，斷層兩側(cè)巖體雖然承受黏滑次數(shù)下降，但是每一次的黏滑失穩(wěn)均對(duì)兩側(cè)巖體造成更大的破壞，故裂紋再次呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì).斷層兩側(cè)巖體產(chǎn)生黏滑失穩(wěn)時(shí)，產(chǎn)生了反方向的錯(cuò)動(dòng)滑移，斷層結(jié)構(gòu)面鄰近區(qū)域顆粒之間的位移存在著非一致性，導(dǎo)致斷層結(jié)構(gòu)面附近的巖體微裂紋破壞模式以拉伸破壞為主導(dǎo).其中6種溫度下拉伸裂紋占總裂紋的百分比分別為92.8%，91.2%，92.6%，93.3%，94.0%，95.3%.可見(jiàn)，拉伸裂紋數(shù)量隨著溫度的不斷升高，占據(jù)總裂紋的百分比整體也呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，而剪切裂紋僅占據(jù)總裂紋的小部分.由此可知，斷層黏滑所產(chǎn)生的微裂紋破壞形態(tài)以拉伸破壞為主導(dǎo).

由圖8b可知，對(duì)斷層黏滑失穩(wěn)全過(guò)程以及熱損傷全過(guò)程的裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì),總裂紋數(shù)量在400～500 ℃區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)大幅上升的趨勢(shì)，熱損傷程度越大，斷層黏滑失穩(wěn)后對(duì)斷層兩側(cè)巖體的累計(jì)損傷越大.因此，該裂紋演化曲線整體呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì).

2.3 斷層黏滑過(guò)程力鏈演化及能量演化分析

力鏈?zhǔn)穷w粒集合體在應(yīng)力加載作用下，顆粒之間彼此相互擠壓形成的接觸網(wǎng)絡(luò).對(duì)不同溫度場(chǎng)下斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程的力鏈演化進(jìn)行分析，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)黏滑失穩(wěn)的演化規(guī)律和形成機(jī)制.

圖9為不同溫度場(chǎng)下斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程的力鏈演化圖，其中黑色代表受壓區(qū)域，淺色代表拉伸區(qū)域.由此可見(jiàn)：20 ℃時(shí)，巖體模型的拉伸區(qū)域主要分布在斷層附近以及垂直斷層中心線附近，形成一個(gè)集中化十字交叉的區(qū)域.隨著溫度的不斷上升，巖體模型內(nèi)部的拉伸區(qū)域逐漸開(kāi)始向集中化十字交叉區(qū)域外圍發(fā)展，100與200 ℃的拉伸區(qū)域離散化程度相近；300 ℃的拉伸區(qū)域離散化主要分布在巖石的下盤(pán)，上盤(pán)的拉伸區(qū)域明顯減少；400與500 ℃的拉伸區(qū)域有了顯著的增加，且呈現(xiàn)明顯的離散化，分布在巖石上下盤(pán)的內(nèi)部.

圖9 不同溫度場(chǎng)下巖體拉壓區(qū)域空間分布狀態(tài)

斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程力學(xué)特征變化的內(nèi)在本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換.因此，通過(guò)能量追蹤命令，編寫(xiě)能量監(jiān)測(cè)程序，以每20時(shí)步為間隔，實(shí)時(shí)記錄斷層黏滑失穩(wěn)過(guò)程中的各類(lèi)能量變化數(shù)值.為深入了解黏滑失穩(wěn)過(guò)程的能量演化機(jī)制，以溫度場(chǎng)為20 ℃工況下的斷層黏滑作為研究對(duì)象進(jìn)行分析.

圖10為斷層黏滑過(guò)程能量演化曲線，由圖可知，整個(gè)能量演化過(guò)程可分為4個(gè)階段.其中斷層黏滑過(guò)程中應(yīng)力降常伴隨著顆粒動(dòng)能的突增，動(dòng)能幅值的大小與應(yīng)力降的大小呈現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢(shì).但從圖10b可知，斷層黏滑過(guò)程中邊界能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的數(shù)值極小.因此，在斷層黏滑過(guò)程中顆粒幾乎不產(chǎn)生大幅運(yùn)動(dòng)，與準(zhǔn)靜態(tài)加載的原則具有一致性.與其他類(lèi)型的能量幅值對(duì)比，雙方不在同一數(shù)量級(jí)，可將其視為不變量.因此，動(dòng)能演化在斷層黏滑過(guò)程的4個(gè)階段中不做能量演化機(jī)制的研究對(duì)象.

圖10 斷層黏滑過(guò)程能量演化(20 ℃)

1)A-B壓縮階段.隨著上下墻體以恒定速度對(duì)模型加載做功，巖體模型內(nèi)部的阻尼能和摩擦能均為0，保持不變.這說(shuō)明，邊界能全部轉(zhuǎn)化為顆粒線性與平行黏結(jié)彈簧部分的應(yīng)變能，并且由于顆粒之間的接觸不斷加強(qiáng)，總應(yīng)變能保持一定的增長(zhǎng)速率持續(xù)上升.斷層兩側(cè)巖體呈現(xiàn)“自鎖”的形態(tài)，未產(chǎn)生黏滑失穩(wěn)現(xiàn)象.因此，巖體內(nèi)部應(yīng)變能并未轉(zhuǎn)化為膠結(jié)破壞能，即無(wú)微裂紋產(chǎn)生.

2)B-C黏滑前階段.隨著上下墻體所施加應(yīng)力的不斷上升，部分邊界能轉(zhuǎn)化為阻尼能和耗散能，斷層兩側(cè)巖體呈現(xiàn)出相互錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì).巖體內(nèi)部總應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為膠結(jié)破壞能，能量的釋放導(dǎo)致巖體部分區(qū)域接觸發(fā)生斷裂，出現(xiàn)少量微裂紋.該階段僅產(chǎn)生少量的小幅值黏滑現(xiàn)象.因此，巖體內(nèi)部的摩擦能和阻尼能以一種緩慢趨勢(shì)持續(xù)上升，而總應(yīng)變能以不斷增加的增長(zhǎng)速率持續(xù)上升.

3)C-D黏滑階段.在該階段過(guò)程中，斷層兩側(cè)巖體不斷發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生黏滑失穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致顆粒間積累的大量應(yīng)變能得到了釋放，造成微裂紋數(shù)量的迅速發(fā)展.每一次黏滑失穩(wěn)過(guò)程中，總應(yīng)變能下降的量值與應(yīng)力降的量值具有正相關(guān)性.斷層兩側(cè)巖體出現(xiàn)大量微裂紋，形成裂紋帶.同時(shí)，由于斷層兩側(cè)巖體抵抗摩擦做功而耗散的能量呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì).隨著黏滑次數(shù)的不斷增大，邊界能轉(zhuǎn)化為摩擦能的量值逐漸超過(guò)顆粒間積累的應(yīng)變能，而阻尼能增長(zhǎng)速率以及增長(zhǎng)量值均小于摩擦能.

由此可見(jiàn)，黏滑巖體模型系統(tǒng)內(nèi)部的能量耗散方式以摩擦滑動(dòng)為主導(dǎo).摩擦能量值大小同樣與應(yīng)力降量值大小呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)，即應(yīng)力降的量值越大，斷層之間所要克服摩擦做功越大，總應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為膠結(jié)破壞能越多，對(duì)斷層兩側(cè)巖體內(nèi)部產(chǎn)生的損傷越大.

4)D-E黏滑后階段.巖體內(nèi)部顆粒間接觸斷裂數(shù)量與損傷程度已積累到一定量值，顆粒無(wú)法儲(chǔ)存更多的總應(yīng)變能.因此，總應(yīng)變能曲線演化已不再呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，仍伴隨著黏滑失穩(wěn)而產(chǎn)生正相關(guān)性的下降.摩擦能與阻尼能的增長(zhǎng)量值主要是由于顆粒摩擦及運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致.因此，隨著斷層黏滑現(xiàn)象逐漸消失，二者增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸趨向于平穩(wěn).

斷層面應(yīng)力達(dá)到啟滑閾值時(shí)產(chǎn)生黏滑失穩(wěn)，在此應(yīng)力特征點(diǎn)下，分析巖體模型內(nèi)部總應(yīng)變能與耗散能隨溫度變化關(guān)系，見(jiàn)圖11.

圖11 斷層黏滑過(guò)程能量與溫度關(guān)系

由圖11可知，相同斷層傾角條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生啟滑應(yīng)力降時(shí)，隨著溫度不斷上升，巖體內(nèi)部顆粒間弱接觸已在熱應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂，而強(qiáng)接觸承擔(dān)著外荷載對(duì)巖體模型系統(tǒng)做功.巖體模型系統(tǒng)的能量主要來(lái)自上下墻體加載而不斷輸入的能量(邊界能).斷層兩側(cè)巖體受到熱應(yīng)力的破壞程度較大，巖體內(nèi)部損傷程度上升，造成啟滑時(shí)，斷層結(jié)構(gòu)面因摩擦消耗較少的能量即可產(chǎn)生黏滑現(xiàn)象.因此，耗散能與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.巖體模型系統(tǒng)滿足能量守恒定律，且不以摩擦生熱的方式對(duì)外耗散.因此，邊界能更多部分以應(yīng)變能的方式儲(chǔ)存在顆粒接觸之間，總應(yīng)變能與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系.

3 結(jié) 論

1)通過(guò)離散元法建立了斷層黏滑過(guò)程的雙軸壓縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并編?xiě)程序建立了巖體的熱力耦合損傷計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同溫度場(chǎng)下斷層黏滑過(guò)程的模擬.

2)黏滑微觀破壞形態(tài)的微裂紋主要分布在斷層結(jié)構(gòu)面的兩側(cè)，以拉伸裂紋為主導(dǎo)，且隨著溫度的不斷上升，拉伸裂紋所占總裂紋的百分比不斷上升，黏滑的拉伸區(qū)域逐漸由集中化的十字交叉轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散化.黏滑的宏觀破壞模式由斷層結(jié)構(gòu)面的縱向裂隙與塊體破碎二者并存形態(tài)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴K體破碎的單一形態(tài).

3)伴隨著溫度的不斷上升，20 ℃至500 ℃之間，斷層兩側(cè)巖體產(chǎn)生黏滑失穩(wěn)的啟滑應(yīng)力、啟滑應(yīng)力降與黏滑次數(shù)整體上呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì).溫度的改變既改變了斷層兩側(cè)巖體的力學(xué)性質(zhì)，又對(duì)斷層面的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了影響.

4)斷層黏滑過(guò)程中能量耗散方式以摩擦滑動(dòng)為主，總應(yīng)變能的變化趨勢(shì)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有一致性.斷層啟滑時(shí)，隨著溫度的升高，總應(yīng)變能呈上升趨勢(shì)，耗散能呈下降趨勢(shì)，即高巖溫下斷層消耗較少的能量，便會(huì)發(fā)生黏滑.