引潮力作用下饱和地质岩体的力学响应.pdfVIP

第25卷第4期(3S6。393) 中国地震 v01．25No．4 RESEARCHINCHINA 2009年12月 EARTHQUAKE Dec．2009 廖欣、刘春平、万飞等，2009，引潮力作用下饱和地质岩体的力学响应，中国地震，笛(4)，386．393。 引潮力作用下饱和地质岩体的力学响应 廖欣1’ 刘春平2’ 万飞2’ 石云2’ 邓亮1) 1)湖南师范大学，湖南省长沙市岳麓区410006 2)防灾科技学院，河北省三河市燕郊经济开发区065201 摘要本文应用孔隙弹性理论，探讨了引潮力作用下饱和地质岩体的力学响应。首先通 过引潮力作用下饱和岩体的自由能表达式，得到岩体孔压与应力、应力与应变之间的关系；然 后从引潮力作用下饱和岩体的平衡微分方程出发，结合流一固耦合理论，分析了饱水岩体应变 与引潮位之间的关系；最后推导出饱和岩体的两大力学物理量——孔压和潮汐应力(平均应力) 与引潮位之间的物理关系。模型表明：饱和岩体孑L压与引潮位成反比，平均潮汐应力与引潮位 成正比；比例系数不仅与岩体骨架的Lame系数有关，而且与Biot模量有关。将模型应用于会理 川-18井水位变化分析，估计出水位响应系数D，并以此为基础，求得岩体孔压、潮汐应力与引 潮位的相关系数(A和c)及Skempton系数占。最后对比分析了耦合条件下与不考虑耦合时得到 的各参数之间的差异，分析表明：对饱和地质岩体而言，应力、孔压对引潮力的响应是流一固耦 合作用的产物；研究其力学响应时必须充分考虑耦合效应。模型的建立，为研究引潮力作用下 井一承压含水层系统力学、水动力学、与地震有关的断层力学以及引潮力触发机制的定量研究 提供了基础。 关键词： 孔隙弹性理论 饱和地质岩体 孔压 潮汐应力 引潮位 Skempton系数 【文章编号]1001-4683(2009)04-0386．08【中图分类号】P315 [文献标识码】A 0引言 自从发现固体潮及与之相关的水位潮汐变化现象以来，地质岩体在引潮力作用下的应 与岩体骨架固体潮应变之间的关系。王仁等(1979、1982)从理论上计算出某一时刻日月引 潮力所致构造应力场，并剖析了周期性潮汐引力触发地震的可能性。张昭栋等(1986)从弹 性理论和地下水动力学原理导出了井水位对固体潮体应变的响应方程。汪成民等(1988)通 过分析得出地球表面的潮汐应力表达式，并利用深井水位与潮汐应力的平衡方程式探讨井 水位的变化问题。刘元生等(2000)利用井水位与含油(水)层潮汐应力之间的关系，通过观 测到的油田井水位变化来反演含油(水)层的应力变化。然而，某些地质岩体，如构造断层破 裂带及承压含水层，往往被流体(主要是水，另外还有各种气体)所饱和。在内、外力作用下， 【收稿日期】2009-04-02；[修定日期】2009-09-03。 【项目类别】科技部公益性行业科研专项(200SOSOSS)资助。 [作者简介】廖欣，男，1985年生，在读硕士，研究方向为地震水文学及与之有关的地震预报。 刘春平为通讯作者。理学博士，教授，主要从事地下水动力学、地震地下流体研究。 4期 廖欣等：引潮力作用下饱和地质岩体的力学响应 387 这类地质岩体与其中的流体相互联系，相互作用：岩体形变通过改变孔隙体积影响孔压，同 时孔隙流体通过孔隙压力影响岩体形变。因而在流体参与下，地质岩体在引潮力、大气压力 只片面承认了应变对孔压的影响，而计算应力、应变时忽略了流体的影响，即没有考虑到流 体与岩体骨架之间的耦合作用。因而研究引潮力作用下与地震有关的断层力学及井一承压 含水层系统力学时，引进孔隙弹性流一固耦合理论来分析问题是十分必要的。 本文从流一固耦合机制出发，通过地质岩体对引潮力响应的力学研究，探讨引潮力作用 下岩石孑L压、潮汐应力与引潮位之间的物理关系，以及潮汐应力(本文讨论的主要是与体应 变有关的平均应力)与孔压之间的关系。模型的建立，为研究引潮力作用下井一承压含水层 系统力学、水动力学的定量分