多层嵌套锁固段自相似破裂机制与失稳物理预测研究

Through the enhanced insights into the rock failure process, an unusual phenomenon is observed by us. In short, during the seismogenic process of shallow-focus strong earthquakes, an accelerated Benioff strain increment can be observed on the strain-time curve when the locked patch is loaded to locate at the volumetric dilatancy boundary. However, after a period of accelerating stage, the strain rate often begins to reduce sharply. This unusual phenomenon is different from the shear creep mechanical behaviors of rocks in the laboratory test and the acceleration characteristics followed by the macroscopic fracture of the locked patch as illustrated in the movement record of the landslide..Further analysis indicates that the concept of multilayer nested locked patches may reasonably explain this unusual phenomenon that the total abrupt deceleration trend and local acceleration trend coexists during the evolutionary process from the volumetric dilatancy boundary to peak stress point. By means of theoretical analysis, mechanical testing and numerical simulation, the present project intends to describe the surface energy relationship between volumetric dilatancy boundary and peak stress point, reveal the fracture mode of the secondary locked patches embedded inside the primary locked patch, and suggest its failure criteria. Furthermore, we attempt to propose a prediction model for the failure of multilayer nested locked patches, which can provide a basis for improving the time prediction accuracy of geological disasters.

在岩石破裂过程研究中，我们发现了一种不同寻常的现象。简言之，在浅源强震孕育过程中，锁固段被加载至膨胀点时，Benioff应变开始出现加速现象，但加速持续一段时间后，大部分震例普遍出现不同寻常的现象——应变速率急剧降低。这与室内岩样剪切蠕变试验揭示的破坏特征完全不同，也与锁固型滑坡监测位移曲线反映的锁固段破裂加速至宏观破裂阶段的变形特征不同。.进一步的分析认为，只有多层嵌套锁固段概念可以合理解释自膨胀点蠕滑加速开始、向峰值强度点演化过程中出现的整体急剧减速和局部加速现象。本项目拟采用理论分析、力学试验与数值模拟相结合的技术路线，阐明岩石破裂膨胀点与峰值强度点的表面能关系，揭示主锁固段加速蠕变开始后次级锁固段的破裂模式，并提出其破坏准则。在此基础上，构建多层嵌套锁固段自相似破裂的失稳预测模型，为提升地质灾害失稳时间的预测精度提供基础依据。

本项目结合理论研究、力学实验、数值模拟和实例分析等研究手段，围绕锁固段这一主控锁固型斜坡稳定性与构造地震产生的关键地质结构，揭示了其加速破裂阶段所遵循的力学规律，以及不同层次锁固段的自相似破裂机制。基于统计强度理论、断裂力学与分形几何，建立了Weibull形状参数与受载岩样体积膨胀点处裂纹分布分维之间的定量关系，论证了锁固段峰值强度点处应变与体积膨胀点处应变之比——常数1.48，是描述锁固段加速破裂行为的物理自相似常数；锁固段在损伤演化至体积膨胀点时发生的高能级破裂事件（标志性地震），是其可辨识的断裂前兆；基于这一发现，进一步澄清多锁固段相互作用的力学机制，建立多锁固段脆性破裂的临界应变准则。将地震区定义为代表相应构造块体地震活动的区域，其表征该块体内源自锁固段破裂事件的地震活动性。由此提出了板内地震区与板间地震区的边界确定原则与表征构造块体内部地震活动关联性的地震区划分方法。在孕震断层多锁固段脆性破裂的理论框架下，重新定义一个地震区的地震周期、前震、预震、主震和余震，并提出了预震和标志性地震的震级约束条件和修订准则。通过阐明锁固段损伤过程中的能量转化与分配原理，建立主震判识准则。通过震例分析，发现地震区中的孕震锁固段具有层次结构，不同层级锁固段的损伤演化可遵循“时间域”、“空间域”两种物理自相似模式，澄清了不同层级锁固段破裂过程中的可预测地震事件类型。基于锁固段破裂的自相似模式和地震物理预测方法，提出了一种地震危险性评估新方法，根据此方法的评估结果，建议雄安新区的抗震设防烈度应由原Ⅶ度调整为Ⅷ度。本项目的研究成果加深了对锁固段损伤演化机制的认识，进一步完善了斜坡失稳和构造地震的物理预测方法，可为防灾减灾工作的开展提供重要指导。