构造的力学作用机理是一个较新的学科分支,尤其对其进行定量化分析研究的更少。论文通过理论分析、数值模拟的方法,基于软弱介质空间周围塑性区蝶形分布理论,对正断层、逆断层、平移断层进行了力学分析,推导出三维应力状态下软弱体周边的蝶形塑性区分布的屈服函数,设计了通过位移加载实现应力递增的模拟方法,以龙门山断裂带岩层与构造剖面为基础,提出了断层起源于断层中软弱地质体周围较硬岩体的X型破坏,地壳的板块运动是这种破坏的基本动力,X型破坏形成后,板块的继续运动将形成符合Anderson原理的正断层、逆断层和走滑断层,预测了龙门山断裂带不同时间段的地貌特征,与实际具有较好的吻合。论文为构造力学机理定量化分析提供了一种有效方法,具有重要的理论和工程应用意义。依据蝶形塑性区理论可知,处于高偏应力场中含有孔洞或软弱异性体的岩体将出现以软弱异性体为中心的蝶形破坏区,蝶形破坏区由4个蝶叶组成,分别位于最大主应力和最小主应力的两侧,两两对称分布;两个蝶叶轴线之间的夹角大体为80°～100°,蝶形塑性区具有方向性、敏感性和无限扩展性等特性。据此我们提出了逆断层、正断层和走滑断层形成的应力条件:逆断层主要由水平挤压作用所致,正断层则是因垂直应力较大而水平应力较小所致,走滑断层则是因垂直应力介于最大水平主应力和最小水平主应力之间,且在竖直方向上存在软弱体所致。根据三维数值模型,在板块运动作用下,不同类型的地质软弱体甚至均质体岩层均会产生具有一定方向的塑性区,相对而言,孔洞体或地质软弱体产生蝶形塑性区所需要的应力更小,所需要的板块运动作用时间更短,地质软弱体周边更易形成塑性区优势扩展面。作者在弹塑性力学的基础上,考虑圆形地质软弱体,基于莫尔库伦破坏准则,推导了考虑中间主应力作用下的地质软弱体周边岩体塑形破坏规律:一是在其他参数不变的情况下,侧压系数对地质软弱体周边塑性区的形态和半径具有较强的控制作用,塑性区的形态随着侧压系数的增大而呈“蝶形-椭圆形-圆形-椭圆形-蝶形”的变化规律。二是塑性区发育半径具有突变性,在蝶形塑性区发展过程中可能出现突变现象,在微小的应力增量作用下,塑性区可按某一方向无限扩展,且侧压系数、垂直应力、内聚力和摩擦角这4个参数的变化均会导致塑性区半径的无限增大,在不同的破断准则下均可得到相似的计算结果。依据龙门山断裂带的板块运动特征、几何分布特征及岩石力学参数,建立了龙门山断裂带及附近区域数值计算模型,设计了接近于实际的加载条件,选用了摩尔库伦模型作为运算准则,对龙门山断裂带断层形成的力学机理、地应力时空分布特征及区域构造系统的演化过程开展研究。龙门山及附近区域经过约320万年的时间跨度,随着板块的挤压作用,在龙门山及附近区域依次出现具有一定方向的塑性区,这些塑性区的发育方向与水平面的夹角大致呈40°左右,并出现了各自的共轭断层,与实际的龙门山断裂大致吻合。因此可认为F1、F2、F3断层的发育是从中部向上下两侧开始发育,上侧逐渐发展至地表,而且F1、F2和F3断层依次形成断层。随着区域板块挤压运动,区域内岩体的水平应力必然增大,地壳岩体最大最小主应力比值存在极限现象,不同深度测点的比值在3.05-3.44之间,3条断层所在区域的主应力比值明显高于其周边区域,符合蝶形塑性区的扩展条件。地质软弱体及其周边更易形成塑性区优势扩展面,但对后续的塑性区发育速度和形状影响不大。龙门山区域构造系统的形成是板块挤压、地表侵蚀和沉积作用等因素共同作用的结果。当断裂带形成后,龙门山及以左的川西高原持续隆起,平均抬升速率约为1.38mm/yr;龙门山断裂带以右的川西坳陷只有较小的抬升量,二者之间具有较大的落差。龙门山及其松潘-甘孜高原区域经历隆起-剥蚀,而四川盆地区域经历沉积作用。依据模拟结果和矿物组合分析推测了龙门山及附近区域的岩层与地貌的演化历程,二叠纪之前该区域海洋覆盖;三叠纪时山脉隆升,海洋退化;侏罗纪之后,龙门山以西快速隆起,在侵蚀作用下,深部岩体出露于地表;到目前为止,在板块挤压、侵蚀和沉积作用下,由西到东呈现松潘甘孜地块、龙门山断裂带、川西坳陷、龙泉山和川中盆地,模拟结果与实际的地形地貌大致相符。综上所述,本文丰富了蝶形塑性区的理论内涵,提出了主应力比值极限随深度增加呈收敛性、蝶形塑性区现象对判定准则的低依赖性、蝶形塑性区扩展对中间主应力的弱敏感性、塑性区发育的大尺度方向不变性等观点。拓展了蝶形塑性区的应用领域,实现了矿业工程到地震学和构造地质学等领域的跨越。本文的研究方法、研究内容和研究结果对断层形成的过程反演提供了很好的思路,对断层附近的地震灾害、地形地貌演化以及煤矿生产中的巷道支护、冲击地压和煤与瓦斯突出事故等均具有较好的指导意义。