逆断层工程破坏作用初探

逆断层工程破坏作用初探摘要本文根据前人工作和实际的考察和分析，对逆断层近震震害的影响因素、逆断层地表形变特征进行了概括和总结，应用有限元方法对逆断层的地表变形带进行了数值模拟。地表形变带的工程破坏主要表现为断错和永久变形造成对构筑物的破坏。通过有限元方法的模拟计算，在不考虑覆盖层的影响情况下，逆断层形变带的宽度受断层的规模、角度控制，当断面倾角为30°左右时，形变带偏向上盘，而当断面倾角为45°左右时，形变带偏向下盘，当断面倾角为60°左右时，形变带分布在断裂的两侧。形变带的宽度与断层倾角、长度和宽度有关，可以通过模拟计算近似获得。关键词：逆断层;工程破坏作用;有限元法;模拟计算引言发震断层地表破裂和变形对地表建筑物的直接破坏作用是减灾研究面临的重要课题之一。大量的震害现象表明，紧靠地震断层的建筑物往往受到地震断层的直接破坏作用，尤其沿着地震断层产生地表变形带上的建筑物受灾特别严重。我国根据建筑抗震设防类别及烈度规定，活断层的安全距离为200-500m（2001，建筑抗震设计规范）。同时近地震断层建筑物完好的例子也很多，这种差异反映了目前活断层对工程直接破坏作用的研究程度不够。因此在充分考虑活断层工程破坏作用时，不能过于夸大这种破坏作用，影响城市的规划和建筑设计。所以，如何评价近断层工程破坏作用是一个亟待深入开展的研究领域。1逆断层近场震害的影响因素近断层震害主要受构造、场地和建构筑物结构等因素影响。构造的地表形变特征活动断层对工程的破坏作用始终是工程地质学界关心的问题，许多工程不同程度地邻近或穿越活动性断裂，其位置和方向不可能回避活动性断裂的影响。断层在工程有效期内的变形量，以及由此引起的结构变形与稳定性问题是不可回避的问题。因此，研究活断层的地表形变特征是评价活断层对工程影响的先决条件。影响断层在地表的永久形变的因素很多。归结起来主要包括以下几个方面。a.断层的运动性质；一般而言，逆断层的地表形变由两部分构成，一是断层的错断,二是近断层的牵引变形或褶皱变形。断层的错断是一个很窄的带或者说是一条线，但是近断层的牵引变形是一个较宽的带，它与断层的产状、覆盖层的厚度等有关。b.断层的产状；地震断层的产状对形变带的特征有很大的影响，根据野外观察，高倾角逆断层的变形带较窄，错断在整个形变中所占的比重较大。低倾角断层的形变带较宽，牵引变形或褶皱变形在整个形变中所占比例较大。c.断层的覆盖情况及所处的地形；覆盖层越厚，形变带的宽度越大，在斜坡地带，形变的幅度往往比平地上大。虽然，断层上盘的地震动或破坏作用大于下盘，但是野外观察结果表明，新的地震断层往往向断层的下盘方向发展，新的破裂也往往向断层陡坎的坡底（下盘）方向发展。d.地震的破裂过程；一般而言，破裂传播方向的地震动得到叠加而增强，所以位于破裂传播方向的形变带往往伴随较强的地震动，但是形变带并不一定与最强的地震动分布区一致。地表形变带的工程破坏主要表现为断错和永久变形造成对建构筑物的破坏。但一般在工程之中鉴定该断裂在全新世未曾活动，就可不考虑其对建筑物的安全距离。根据师黎静收集汇编了全球范围的地震地表破裂数据组235组（陶夏新，2001），其中中国数据61组，对于震级6、7、8，破裂的长度L、宽度W、位错D的中国期望值及全球最大值统计如下表：表1地表破裂的调查数据来勤姿震级扬参数磨M飞=6汤M=7粒M=8燥中耻国诊期望值药L裤（右k贯m这）耽1.2赏10.4束89.5斗W(m)乒0.5陪9.0钉216券D(m)盐0.6暗1.7踢5.0亦全推球绒最大值劝L(km餐)辈15粮60观176弯W(m)欣5姻300驱4000膨D(m)怪0.3捉3.2摧101.2场地特征近场地震动或者说近断层、近震源地震动，其复杂性和特殊性早就被人们所认识和关注。其特征表现在以下方面：a.地震动峰值及频谱特征；根据近场地震记录，存在不少高加速度峰值、速度峰值甚至是位移峰值的地震动，并且近场地震动含有比人们想象中丰富得多的低频成分(周期1s以上)。b.地震动的方向特征；地震动的方向性特征明显，地震动强度明显受断层破裂方向的影响。c.地震动的衰减特征；一般发震断裂震后地形变的强烈程度随距离增加而减小，但断裂两侧存在差异，例如，集集地震中，发震断层两侧(上、下盘)地震动存在明显的差别。上盘地震动强度明显较大且随断层距加大衰减较慢，而下盘地震动强度较小且衰减较快。d.活动断裂覆盖层厚度的影响；覆盖层厚度大的地区，相对于覆盖层厚度小的地区，震后地形变强烈程度明显不同。在评价发震断裂引起地面开裂或断错的可能性时，可以通过计算来确定覆盖层临界厚度，当实际厚度大于临界厚度计算值时，就认为可以不考虑断裂发震时引起地面位错及开裂对建筑物的影响(汤淼鑫，1999)。1.3建筑结构特征近断层建筑结构的形式是震灾的一个重要因素。曾经有地震事例表明，木结构的建筑在距地震断层2-3M的地方仍保持完好，意味着断裂的错断破坏的范围是有限的，当然除结构本身的原因以外，也与断层的性质有关。同一次地震中同一小范围内不同形式的建筑具有不同的破坏程度，特别是近震与远震的震害差异，即破坏对结构有选择性。不难看到，断层场地对震害与地震动的影响是综合性的。作为场地因素，断层并不是孤立存在的，而是与地基土，局部地形、结构型式等因素错纵复杂的交织在一起，密不可分。杏2曲月逆断层地过表变形的衫有限元模爆拟分析埋本研究采劲用有限元拾数值模拟牲方法，对霉逆断层形恐变场进行亩动力模拟凤。断层面侮倾角设计盾为缎30慰°从、圈45往°章、壤60泛°虾见怪图袖1财，断层破叹裂方式简猴单设计为软：从下向略上均匀破高裂。孩2.1谷堡定义分析弱类型和边慈界条件户定义分析祸类型即指销定求解该淘问题所用盒的控制方汪程。根据寄研究内贼容鸡,土选择为结剖构静力分困析。为简益化计算过内程税,贴模型边界肺应力视为翠均匀分样布欲,窑边界上作花用的地应幻力酷:假肥荷载为万在滔AFGH集,DBE林C2拾马个侧面加宴相对的法剪向面力，提计算时矩描形区域的葱边界上作金用着相应蒜的约束。谋边界条件丑：考虑重暴力，同时丛底部约既束航xyz捕木方向的位献移绩(艇图丑1垦)垂，肆4养个角猾点帮DEG格F亚分别约真束仁x程z给方向位移券。头2.2转讲屈服准则植的选取幼为全面分诞析岩体材炎料性城质将,竭必须考虑闹三个重要久的概次念飘:咱屈服准则容、流动准愧则和强化还准则派。燕ANSY创S劲用奶Druc镜ker-朗Prag偷e因r技准则描述不岩体材料赴。对于岩迫体材怖料令,毫按零Druc灾ker-瓣Prag慕e会r直准戏则碎,骨其等效应啄力表达式隙为座(摇张宏幕伟下,200船0):据图抵1简贸逆断层地惧质构造模智型检Figu齐re轿1G龄eolo融g灰jc崇mo紫del梯of容Thru劈stf葬ault倍式旨中混:板σ或m炮为平均正午应力或静仅水压步力黄,{S膛}色为偏差应妥力弹,闲β隙为材料常肃数晓,[M却]携为晕Mise象s锈屈服准则核中稳的挡[M么]央。材料常险数榜β程的表达式直如北下膜:跌杆首式替中恩:插潮φ辆为内摩擦诚角。材料减的屈服参守数为：颤式瓶中幼:洽c壁为粘结力擦。屈服准尼则的表达竟为：响在岩体应乏力数值计脉算难时吉,垂为减小边滔界效应影家响仆,撞选取计算登区域大于随断裂区。治2.3礼恋有限单元窝划分及模栗型的基本兰设置干岩体单元话采用三宝维狠8威节点结构愿实体单元氏。模型具谷有断裂、搜压碎、塑妙性变形功句能。单元溉划分示意瓣图见托图跨2肯。模拟断岔层的活动吃性质，将孟断层处理冶为架2伶穷固体的接荷触面，当欠接触面受焰力后，可总能发生张莫开、挤压却和剪切滑煎动。断裂耽摩擦系数奋为稠0.6酸5胞。在进行每应力分析眼时携,持对断裂粗带覆,捧采用弱化占断裂带内荒介质的方煌法处理锐。老宋图责2患圾断层面倾傲角伐为拔30隆°完、稠45首°泊、缩60勺°随逆断层有紧限单元模芝型辰Figu斩re嫩2T垃he成fini祥tee掀leme姐nt伸met愚hod血ofTh津rust季fau铁lt洁wit蝶hdi地pan条gle吵of乏30蜘°肿,45金°具,60校°街图章3脉陡断层面倾纤角秘为牛30予°箩、伞45唉°枕、当60瞎°曲逆断层地葡表变形带归及应变矢眯量游Figu汇re乘3T妇he下dist许ribu筛tion众sof亚def览orma潮tion孝san吗dst瓦rain泼vec伶tors朱ofT烤hrus五tfa梅ult架wit汪hdi年pan抗gle愿of系30耀°荐,伍45有°块,60瓶°纽图挪4刻蓬断层面倾般角勤为棉80稼°些走滑断层适地表变形须及应变矢郑量谣Figu尼re绍4T汤he掩dis磁trib谜utio惯nso拜fde解form尝atio墙nsa荐nds勿trai缺nve您ctor犹s铸ofT席hr烟ike-铅slip升fau真lt鞠wit牵hdi大pan烧gle袜8卫0踢°蜂2.4购揭计算结果坐分析住从计算结扁果来看，善当断裂的记角度由小雾变大时，颂断裂的形俱变带并不阅是简单的皆由大变小键，从眠图咬3僚可以看到铅，当断面妄倾角落为兴30袜°亿时，形变妖带偏向上印盘，而当旧断面倾角渠为隐45辈°澡时，形变桥带偏向下前盘，当断砌面倾角俯为格60蹄°草时，形变蝇带分布在旦断裂的两探侧，断层溜面倾角胖为欲80贝°遭具走滑性荷质时，断柳层地表变肥形集中在这断裂线上勤（见坐图楚4秆）。并且保形变带的页宽度与断刊层的规模滔有关，随镇着断层的委规模变大雨，形变带村会变宽，猫但随着断倾层的角度轿变大，形请变带会变浓窄，以至报于集中在算断层线上肠。韩竹军罩（事2002尽年）讨论削了隐伏活陡断层地表床破裂带随拥埋深、倾猪角、断裂璃力学性质近和断面位殃错量的变该化特点。篮结果表卸明泻:挽对于隐伏吵正断层，末地表破裂基带位错量误峰值随埋摇深线性递携减。与隐辉伏正断层式相比，隐费伏走滑断还层地表位次移差随埋曾深衰减更南快。地表撒破裂带的闯宽度也小乏。结论厅近断层震秤害的影响炭因素主要所有构造、旅场地和建帝构筑物的正结构特征汪。地表形亩变带的工裕程破坏主日要表现为饶断错和永虾久变形造稳成对建构胜筑物的破挖坏。紫逆断层的长地表形变距由两部分雁构成，一毯是断层的晕错巾断件,四还二是近断业层的牵引房变形或褶站皱变形。茂断层的错丧断是一个渔很窄的带娱或者说是汤一条线，由但是近断喊层的牵引烦变形是一答个较宽的防带，它与膊断层的产捷状、覆盖奴层的厚度踢等有关。叠断层上盘储的地震动年或破坏作雀用大于下侨盘，但是糊野外观察爆结果表明省，新的地叙震断层往扣往向断层拐的下盘方队向发展惭去除边界贩条件的影梳响，垂直蛇分量的永林久位移或冠形变，是谈逆断层在筐近断层处迹的突出表签现，它会臣对在断层骑破裂带附强近工程结苗构产生垂要直剪切破泥坏作用柔；疼穿X弟分量地表季形变相对牲较小，对输该区域工颜程结构有止扭曲破坏盈作用。不评考虑覆盖纹层的影响帐，逆断层糟形变带的册宽度受断消层的规模愚、角度控苗制，当断劣面倾角漆为悄30论°势左右时，音形变带偏掌向上盘，峡而当断面切倾角战为亿45沫°烂左右时，玩形变带偏波向下盘，浊当断面倾私角阳为天60伐°抖左右时，解形变带分际布在断裂具的两侧。溪断层规模悔越大，形巧变带也越砌宽，但它词是断层倾费角、长度旺和宽度的划函数，可行以通过模佩拟计算获拳得。虽然睡在实际应熊用中还会答遇到很多游具体问题珠，但应用挑有限元模原拟，评价念活断层对旨工程的影者响，将成辣为未来工坝程建设中鸣非常有用欺的手段之费一举。草贵The男Eval恋uati掏on雕abo胞utT发hrus宣tFa紧ult币’佳sDe醒stru习ctiv鸟eAc应tion坐务onE和ngin沙eeri遥ng物Abst纤ract晋:别The另inve部stig云atio通n栽s嚼on床the亦sha隶pe遮and弊净ampl习itud顶e穴of巩acti盟vef膝ault今def物orma披tion佳are芬the冰pre卡cond电itio层nto状eva词luat萄eth堆eact冈ive陆faul绸t王e喜ffec遍ton颈the症eng趣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