逆斷層工程破壞作用初探摘要本文根據(jù)前人工作和實(shí)際的考察和分析，對(duì)逆斷層近震震害的影響因素、逆斷層地表形變特征進(jìn)行了概括和總結(jié)，應(yīng)用有限元方法對(duì)逆斷層的地表變形帶進(jìn)行了數(shù)值模擬。地表形變帶的工程破壞主要表現(xiàn)為斷錯(cuò)和永久變形造成對(duì)構(gòu)筑物的破壞。通過有限元方法的模擬計(jì)算，在不考慮覆蓋層的影響情況下，逆斷層形變帶的寬度受斷層的規(guī)模、角度控制，當(dāng)斷面傾角為30°左右時(shí)，形變帶偏向上盤，而當(dāng)斷面傾角為45°左右時(shí)，形變帶偏向下盤，當(dāng)斷面傾角為60°左右時(shí)，形變帶分布在斷裂的兩側(cè)。形變帶的寬度與斷層傾角、長(zhǎng)度和寬度有關(guān)，可以通過模擬計(jì)算近似獲得。關(guān)鍵詞：逆斷層;工程破壞作用;有限元法;模擬計(jì)算引言發(fā)震斷層地表破裂和變形對(duì)地表建筑物的直接破壞作用是減災(zāi)研究面臨的重要課題之一。大量的震害現(xiàn)象表明，緊靠地震斷層的建筑物往往受到地震斷層的直接破壞作用，尤其沿著地震斷層產(chǎn)生地表變形帶上的建筑物受災(zāi)特別嚴(yán)重。我國(guó)根據(jù)建筑抗震設(shè)防類別及烈度規(guī)定，活斷層的安全距離為200-500m（2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范）。同時(shí)近地震斷層建筑物完好的例子也很多，這種差異反映了目前活斷層對(duì)工程直接破壞作用的研究程度不夠。因此在充分考慮活斷層工程破壞作用時(shí)，不能過于夸大這種破壞作用，影響城市的規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)。所以，如何評(píng)價(jià)近斷層工程破壞作用是一個(gè)亟待深入開展的研究領(lǐng)域。1逆斷層近場(chǎng)震害的影響因素近斷層震害主要受構(gòu)造、場(chǎng)地和建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)等因素影響。構(gòu)造的地表形變特征活動(dòng)斷層對(duì)工程的破壞作用始終是工程地質(zhì)學(xué)界關(guān)心的問題，許多工程不同程度地鄰近或穿越活動(dòng)性斷裂，其位置和方向不可能回避活動(dòng)性斷裂的影響。斷層在工程有效期內(nèi)的變形量，以及由此引起的結(jié)構(gòu)變形與穩(wěn)定性問題是不可回避的問題。因此，研究活斷層的地表形變特征是評(píng)價(jià)活斷層對(duì)工程影響的先決條件。影響斷層在地表的永久形變的因素很多。歸結(jié)起來(lái)主要包括以下幾個(gè)方面。a.斷層的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)；一般而言，逆斷層的地表形變由兩部分構(gòu)成，一是斷層的錯(cuò)斷,二是近斷層的牽引變形或褶皺變形。斷層的錯(cuò)斷是一個(gè)很窄的帶或者說(shuō)是一條線，但是近斷層的牽引變形是一個(gè)較寬的帶，它與斷層的產(chǎn)狀、覆蓋層的厚度等有關(guān)。b.斷層的產(chǎn)狀；地震斷層的產(chǎn)狀對(duì)形變帶的特征有很大的影響，根據(jù)野外觀察，高傾角逆斷層的變形帶較窄，錯(cuò)斷在整個(gè)形變中所占的比重較大。低傾角斷層的形變帶較寬，牽引變形或褶皺變形在整個(gè)形變中所占比例較大。c.斷層的覆蓋情況及所處的地形；覆蓋層越厚，形變帶的寬度越大，在斜坡地帶，形變的幅度往往比平地上大。雖然，斷層上盤的地震動(dòng)或破壞作用大于下盤，但是野外觀察結(jié)果表明，新的地震斷層往往向斷層的下盤方向發(fā)展，新的破裂也往往向斷層陡坎的坡底（下盤）方向發(fā)展。d.地震的破裂過程；一般而言，破裂傳播方向的地震動(dòng)得到疊加而增強(qiáng)，所以位于破裂傳播方向的形變帶往往伴隨較強(qiáng)的地震動(dòng)，但是形變帶并不一定與最強(qiáng)的地震動(dòng)分布區(qū)一致。地表形變帶的工程破壞主要表現(xiàn)為斷錯(cuò)和永久變形造成對(duì)建構(gòu)筑物的破壞。但一般在工程之中鑒定該斷裂在全新世未曾活動(dòng)，就可不考慮其對(duì)建筑物的安全距離。根據(jù)師黎靜收集匯編了全球范圍的地震地表破裂數(shù)據(jù)組235組（陶夏新，2001），其中中國(guó)數(shù)據(jù)61組，對(duì)于震級(jí)6、7、8，破裂的長(zhǎng)度L、寬度W、位錯(cuò)D的中國(guó)期望值及全球最大值統(tǒng)計(jì)如下表：表1地表破裂的調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)勤姿震級(jí)揚(yáng)參數(shù)磨M飛=6湯M=7粒M=8燥中恥國(guó)診期望值藥L褲（右k貫m這）耽1.2賞10.4束89.5斗W(m)乒0.5陪9.0釘216券D(m)鹽0.6暗1.7踢5.0亦全推球絨最大值勸L(km餐)輩15糧60觀176彎W(m)欣5姻300驅(qū)4000膨D(m)怪0.3捉3.2摧101.2場(chǎng)地特征近場(chǎng)地震動(dòng)或者說(shuō)近斷層、近震源地震動(dòng)，其復(fù)雜性和特殊性早就被人們所認(rèn)識(shí)和關(guān)注。其特征表現(xiàn)在以下方面：a.地震動(dòng)峰值及頻譜特征；根據(jù)近場(chǎng)地震記錄，存在不少高加速度峰值、速度峰值甚至是位移峰值的地震動(dòng)，并且近場(chǎng)地震動(dòng)含有比人們想象中豐富得多的低頻成分(周期1s以上)。b.地震動(dòng)的方向特征；地震動(dòng)的方向性特征明顯，地震動(dòng)強(qiáng)度明顯受斷層破裂方向的影響。c.地震動(dòng)的衰減特征；一般發(fā)震斷裂震后地形變的強(qiáng)烈程度隨距離增加而減小，但斷裂兩側(cè)存在差異，例如，集集地震中，發(fā)震斷層兩側(cè)(上、下盤)地震動(dòng)存在明顯的差別。上盤地震動(dòng)強(qiáng)度明顯較大且隨斷層距加大衰減較慢，而下盤地震動(dòng)強(qiáng)度較小且衰減較快。d.活動(dòng)斷裂覆蓋層厚度的影響；覆蓋層厚度大的地區(qū)，相對(duì)于覆蓋層厚度小的地區(qū)，震后地形變強(qiáng)烈程度明顯不同。在評(píng)價(jià)發(fā)震斷裂引起地面開裂或斷錯(cuò)的可能性時(shí)，可以通過計(jì)算來(lái)確定覆蓋層臨界厚度，當(dāng)實(shí)際厚度大于臨界厚度計(jì)算值時(shí)，就認(rèn)為可以不考慮斷裂發(fā)震時(shí)引起地面位錯(cuò)及開裂對(duì)建筑物的影響(湯淼鑫，1999)。1.3建筑結(jié)構(gòu)特征近斷層建筑結(jié)構(gòu)的形式是震災(zāi)的一個(gè)重要因素。曾經(jīng)有地震事例表明，木結(jié)構(gòu)的建筑在距地震斷層2-3M的地方仍保持完好，意味著斷裂的錯(cuò)斷破壞的范圍是有限的，當(dāng)然除結(jié)構(gòu)本身的原因以外，也與斷層的性質(zhì)有關(guān)。同一次地震中同一小范圍內(nèi)不同形式的建筑具有不同的破壞程度，特別是近震與遠(yuǎn)震的震害差異，即破壞對(duì)結(jié)構(gòu)有選擇性。不難看到，斷層場(chǎng)地對(duì)震害與地震動(dòng)的影響是綜合性的。作為場(chǎng)地因素，斷層并不是孤立存在的，而是與地基土，局部地形、結(jié)構(gòu)型式等因素錯(cuò)縱復(fù)雜的交織在一起，密不可分。杏2曲月逆斷層地過表變形的衫有限元模爆擬分析埋本研究采勁用有限元拾數(shù)值模擬牲方法，對(duì)霉逆斷層形恐變場(chǎng)進(jìn)行畝動(dòng)力模擬鳳。斷層面侮傾角設(shè)計(jì)盾為緞30慰°從、圈45往°章、壤60泛°蝦見怪圖袖1財(cái)，斷層破嘆裂方式簡(jiǎn)猴單設(shè)計(jì)為軟：從下向略上均勻破高裂。孩2.1谷堡定義分析弱類型和邊慈界條件戶定義分析禍類型即指銷定求解該淘問題所用盒的控制方汪程。根據(jù)寄研究?jī)?nèi)賊容雞,土選擇為結(jié)剖構(gòu)靜力分困析。為簡(jiǎn)益化計(jì)算過內(nèi)程稅,貼模型邊界肺應(yīng)力視為翠均勻分樣布欲,窯邊界上作花用的地應(yīng)幻力酷:假肥荷載為萬(wàn)在滔AFGH集,DBE林C2拾馬個(gè)側(cè)面加宴相對(duì)的法剪向面力，提計(jì)算時(shí)矩描形區(qū)域的蔥邊界上作金用著相應(yīng)蒜的約束。謀邊界條件丑：考慮重暴力，同時(shí)叢底部約既束航xyz捕木方向的位獻(xiàn)移績(jī)(艇圖丑1墾)垂，肆4養(yǎng)個(gè)角猾點(diǎn)幫DEG格F亞分別約真束仁x程z給方向位移券。頭2.2轉(zhuǎn)講屈服準(zhǔn)則植的選取幼為全面分誕析巖體材炎料性城質(zhì)將,竭必須考慮鬧三個(gè)重要久的概次念飄:咱屈服準(zhǔn)則容、流動(dòng)準(zhǔn)愧則和強(qiáng)化還準(zhǔn)則派。燕ANSY創(chuàng)S勁用奶Druc鏡ker-朗Prag偷e因r技準(zhǔn)則描述不巖體材料赴。對(duì)于巖迫體材怖料令,毫按零Druc災(zāi)ker-瓣P(guān)rag慕e會(huì)r直準(zhǔn)戲則碎,骨其等效應(yīng)啄力表達(dá)式隙為座(搖張宏幕偉下,200船0):據(jù)圖抵1簡(jiǎn)貿(mào)逆斷層地懼質(zhì)構(gòu)造模智型檢Figu齊re轎1G齡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炮為平均正午應(yīng)力或靜僅水壓步力黃,{S膛}色為偏差應(yīng)妥力彈,閑β隙為材料常肅數(shù)曉,[M卻]攜為暈Mise象s銹屈服準(zhǔn)則核中穩(wěn)的擋[M么]央。材料常險(xiǎn)數(shù)榜β程的表達(dá)式直如北下膜:跌桿首式替中恩:插潮φ輛為內(nèi)摩擦誠(chéng)角。材料減的屈服參守?cái)?shù)為：顫式瓶中幼:洽c壁為粘結(jié)力擦。屈服準(zhǔn)尼則的表達(dá)竟為：響在巖體應(yīng)乏力數(shù)值計(jì)脈算難時(shí)吉,垂為減小邊滔界效應(yīng)影家響仆,撞選取計(jì)算登區(qū)域大于隨斷裂區(qū)。治2.3禮戀有限單元窩劃分及模栗型的基本蘭設(shè)置干巖體單元話采用三寶維狠8威節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)愿實(shí)體單元氏。模型具谷有斷裂、搜壓碎、塑妙性變形功句能。單元溉劃分示意瓣圖見托圖跨2肯。模擬斷岔層的活動(dòng)吃性質(zhì)，將孟斷層處理冶為架2伶窮固體的接荷觸面，當(dāng)欠接觸面受焰力后，可總能發(fā)生張莫開、擠壓卻和剪切滑煎動(dòng)。斷裂耽摩擦系數(shù)奮為稠0.6酸5胞。在進(jìn)行每應(yīng)力分析眼時(shí)攜,持對(duì)斷裂粗帶覆,捧采用弱化占斷裂帶內(nèi)荒介質(zhì)的方煌法處理銳。老宋圖責(zé)2患圾斷層面傾傲角伐為拔30隆°完、稠45首°泊、縮60勺°隨逆斷層有緊限單元模芝型辰Figu斬re嫩2T垃he成fini祥tee掀leme姐nt伸met愚hod血ofTh津rust季fau鐵lt潔wit蝶hdi地pan條gle吵of乏30蜘°腫,45金°具,60校°街圖章3脈陡斷層面傾纖角秘為牛30予°籮、傘45唉°枕、當(dāng)60瞎°曲逆斷層地葡表變形帶歸及應(yīng)變矢瞇量游Figu匯re乘3T婦he下dist許ribu篩tion眾sof亞def覽orma潮tion孝san嗎dst瓦rain潑vec伶tors朱ofT烤hrus五tfa梅ult架wit汪hdi年pan抗gle愿of系30耀°薦,伍45有°塊,60瓶°紐圖挪4刻蓬斷層面傾般角勤為棉80稼°些走滑斷層適地表變形須及應(yīng)變矢鄭量謠Figu尼re紹4T湯he掩dis磁trib謎utio慣nso拜fde解form嘗atio墻nsa薦nds勿trai缺nve您ctor猶s鑄ofT席hr煙ike-鉛slip升fau真lt鞠wit牽hdi大pan燒gle襪8衛(wèi)0踢°蜂2.4購(gòu)揭計(jì)算結(jié)果坐分析住從計(jì)算結(jié)扁果來(lái)看，善當(dāng)斷裂的記角度由小霧變大時(shí)，頌斷裂的形俱變帶并不閱是簡(jiǎn)單的皆由大變小鍵，從眠圖咬3僚可以看到鉛，當(dāng)斷面妄傾角落為興30襪°億時(shí)，形變妖帶偏向上印盤，而當(dāng)舊斷面傾角渠為隱45輩°澡時(shí)，形變橋帶偏向下前盤，當(dāng)斷砌面傾角俯為格60蹄°草時(shí)，形變蠅帶分布在旦斷裂的兩探側(cè)，斷層溜面傾角胖為欲80貝°遭具走滑性荷質(zhì)時(shí)，斷柳層地表變肥形集中在這斷裂線上勤（見坐圖楚4稈）。并且保形變帶的頁(yè)寬度與斷刊層的規(guī)模滔有關(guān)，隨鎮(zhèn)著斷層的委規(guī)模變大雨，形變帶村會(huì)變寬，貓但隨著斷傾層的角度轎變大，形請(qǐng)變帶會(huì)變濃窄，以至報(bào)于集中在算斷層線上腸。韓竹軍罩（事2002盡年）討論削了隱伏活陡斷層地表床破裂帶隨擁埋深、傾豬角、斷裂璃力學(xué)性質(zhì)近和斷面位殃錯(cuò)量的變?cè)摶攸c(diǎn)?；@結(jié)果表卸明瀉:挽對(duì)于隱伏吵正斷層，末地表破裂基帶位錯(cuò)量誤峰值隨埋搖深線性遞攜減。與隱輝伏正斷層式相比，隱費(fèi)伏走滑斷還層地表位次移差隨埋曾深衰減更南快。地表撒破裂帶的闖寬度也小乏。結(jié)論廳近斷層震秤害的影響炭因素主要所有構(gòu)造、旅場(chǎng)地和建帝構(gòu)筑物的正結(jié)構(gòu)特征汪。地表形畝變帶的工裕程破壞主日要表現(xiàn)為饒斷錯(cuò)和永蝦久變形造穩(wěn)成對(duì)建構(gòu)勝筑物的破挖壞。紫逆斷層的長(zhǎng)地表形變距由兩部分雁構(gòu)成，一毯是斷層的暈錯(cuò)巾斷件,四還二是近斷業(yè)層的牽引房變形或褶站皺變形。茂斷層的錯(cuò)喪斷是一個(gè)漁很窄的帶娛或者說(shuō)是湯一條線，由但是近斷喊層的牽引煩變形是一答個(gè)較寬的防帶，它與膊斷層的產(chǎn)捷狀、覆蓋奴層的厚度踢等有關(guān)。疊斷層上盤儲(chǔ)的地震動(dòng)年或破壞作雀用大于下僑盤，但是糊野外觀察爆結(jié)果表明省，新的地?cái)⒄饠鄬油弁驍鄬庸盏南卤P方隊(duì)向發(fā)展慚去除邊界販條件的影梳響，垂直蛇分量的永林久位移或冠形變，是談逆斷層在筐近斷層處跡的突出表簽現(xiàn)，它會(huì)臣對(duì)在斷層騎破裂帶附強(qiáng)近工程結(jié)苗構(gòu)產(chǎn)生垂要直剪切破泥壞作用柔；疼穿X弟分量地表季形變相對(duì)牲較小，對(duì)輸該區(qū)域工顏程結(jié)構(gòu)有止扭曲破壞盈作用。不評(píng)考慮覆蓋紋層的影響帳，逆斷層糟形變帶的冊(cè)寬度受斷消層的規(guī)模愚、角度控苗制，當(dāng)斷劣面傾角漆為悄30論°勢(shì)左右時(shí)，音形變帶偏掌向上盤，峽而當(dāng)斷面切傾角戰(zhàn)為億45沫°爛左右時(shí)，玩形變帶偏波向下盤，濁當(dāng)斷面傾私角陽(yáng)為天60伐°抖左右時(shí)，解形變帶分際布在斷裂具的兩側(cè)。溪斷層規(guī)?；谠酱?，形巧變帶也越砌寬，但它詞是斷層傾費(fèi)角、長(zhǎng)度旺和寬度的劃函數(shù)，可行以通過模佩擬計(jì)算獲拳得。雖然睡在實(shí)際應(yīng)熊用中還會(huì)答遇到很多游具體問題珠，但應(yīng)用挑有限元模原擬，評(píng)價(jià)念活斷層對(duì)旨工程的影者響，將成辣為未來(lái)工壩程建設(shè)中鳴非常有用欺的手段之費(fèi)一舉。草貴The男Eval戀uati掏on雕abo胞utT發(fā)hrus宣tFa緊ult幣’佳sDe醒stru習(xí)ctiv鳥eAc應(yīng)tion坐務(wù)onE和ngin沙eeri遙ng物Abst纖ract晉:別The另inve部stig云atio通n栽s嚼on床the亦sha隸pe遮and弊凈ampl習(xí)itud頂e穴of鞏acti盟vef膝ault今def物orma披tion佳a(bǔ)re芬the冰pre卡cond電itio層nto狀eva詞luat萄eth堆eact岡ive陸faul綢t王e喜ffec遍ton頸the癥eng趣inee層ring漁.Th降ema翁inin輝flue輩nce拜fact洞or轉(zhuǎn)sof材ear北thqu烏ake殲disa愁ster弓nea讓rfa怖ult碑incl奏ud巡e熊tec恥toni蜘c登,sit給ean銀dthe宅胖stru攜ctur榮e味cha橫ract衛(wèi)eris燦tics帳of賣buil虹ding資s僅.Th獄een溝gine助erin搖gde坑stro宣y園fro情m香the狂跨defo扭rmat收ion唯bel浴t杠mean險(xiǎn)sth禾ese謹(jǐn)beh鄰av游e際sth葛att聯(lián)hed纖ispl榮acem倚ent識(shí)or螺the欣perm沃anen懶tde座form示atio曲n蒙off多ault西s丸doh宿arm尊to退buil秒ding汽s腦.By涌the短si栽mula紐tion角cal膠cula胳tion咸畝usin禮g悟the吸襯fini蹈tee極leme啟nt軋met譯hod,霜it壘isk食nown鑼tha口t庫(kù)the糊wid律tho并fth袋rust購(gòu)fau誤lti熊sde稿term算ined尋bys許cale控and截dip侍of弟the嶺faul強(qiáng)tun缸der庭the本cond孟itio童nwi球thou青tso貓ilc式over質(zhì).秒th故eap找prox猾imat緩ere段sult品sare授obt壘aine顫d畏by蔬emul喇a(chǎn)tio亦nca史lcul籃atio冊(cè)n.忌If躺the怖dip茫of暫faul垮tpl搜a(bǔ)ne英is3餡0°o侵rso嬸,th涉ede玉form劉atio尋nbe現(xiàn)lti碼ncli扣net反owar慎da宏hang科ingw濤all;拉if魯the卡dip賠is值45°舒ors吩o捆,\燈the品defo獸rmat秋ion鍬belt經(jīng)inc偏line秩tow保ard臺(tái)afo矛otwa碼ll團(tuán);銷if脈the漿dip跌is瓜60援°or兇so驚,妥the相割of晶def傻orma絮tion名bel炎t漫will傻某bed滅istr燒ibut珠eon價(jià)two副sid邀es沃eve失nly魚.Th睡ewi紐dth詠ofd協(xié)efor快mati恰onb旬elt蠢is雖rela獸tive須to肚the垃fau抖l惕