地下断裂对不同土质上覆土层的工程影响.pdf

第24卷 第11期 岩石力学与工程学报 Vol.24 No.11 2005 年 6 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June，2005 收稿日期收稿日期2004–02–12；修回日期修回日期2004–03–27 作者简介作者简介刘守华1953–，男，1977 年毕业于武汉水运工程学院，现任教授级高级工程师，主要从事岩土工程地基与模型试验方面的研究工作。 E-mailshliu。 地下断裂对不同土质上覆土层的工程影响地下断裂对不同土质上覆土层的工程影响 刘守华 1，董津城2，徐光明1，蔡正银1 1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2. 北京市勘察设计研究院，北京 100038 摘要摘要采用土工离心模拟技术研究 4 种不同土质的上覆土层在地下断裂时的性状反应，分别模拟基岩垂直位错与 水平位错两种基岩断裂形式，其最大模拟位错量分别达 4.5，3.0 m，由此获得以下试验结果1 当基岩断裂位错 时，张性的正断错位比水平错位对上部土层的开裂影响要大；2 上部覆盖为单一的软–中等强度的土层比粗细 相间沉积的土层影响要大；3 当断裂位错 1～3 m 时，土层开始出现裂缝，其破裂高度均在 20 m 以内；当断裂 位错增大到 4.5 m 时，土层破裂向上发展，但均在 30 m 以内。本文的分析与结论对于场地断裂工程抗震评价及有 关规范的修订具有参考价值和指导意义。 关键词关键词岩石力学；地下断裂；上覆土层；离心模型试验；垂直位错；水平位错；位错量 中图分类号中图分类号TU 41 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200511–1868–07 INFLUENCE ON DIFFERENT OVERBURDEN SOILS DUE TO BEDROCK FRACTURE LIU Shou-hua1，DONG Jin-cheng2，XU Guang-ming1，CAI Zheng-yin1 1. Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China； 2. Beijing Geotechnical Institute，Beijing 100038，China AbstractBy means of the geotechnical centrifuge technology，the four different overburden soils are studied by simulating vertical and horizontal faults，whose maximum bedrock offsets are 4.5 and 3.3 m，respectively. The results show that1 when bedrock fracture occurs，the influence range inside overburden soils produced by vertical fault down fault is greater than that produced by horizontal fault strike slip fault；2 the influence degree inside single middle strength soft soil is greater than that inside the cross bedding′s sedimentary soils composed of coarse and fine grained soil layers；and 3 under way of bedrock offset 1-3 m，the fracture inside overburden soils appears and all fracture heights are less than 20 m. When the bedrock offset becomes great enough to 4.5 m， the fracture expands inside overburden soils but the fracture heights are all within 30 m. It shows that the centrifuge test results have significant references to both the uation of countermeasure against faults in engineering practice and the revisions of some design regulations. Key words rock mechanics； bedrock fracture； overburden soils； centrifuge model test； vertical fault； horizontal fault；bedrock offset 1 引引 言言 地下能量往往沿着既有的深大断裂面等特殊部 位聚集，当能量的聚集达到一定强度时，便会沿着 该断裂面在地下一定范围内发生突然错动，从而形 成构造地震，这是目前国内外地震的主要类型。这 类地震对建筑物的影响主要表现于 2 个方面一是 第 24 卷 第 11 期 刘守华等. 地下断裂对不同土质上覆土层的工程影响 1869 在震中区形成较强的地面振动，使得地面建筑物遭 受破坏或地基与边坡的失稳；另一类是地震强度较 大时岩石中的错动会直达地表，致使地面错动带内 的建筑物被错断破坏。一般来说，前者可通过抗震 措施，如加强抗水平及垂直振动的措施加以预防， 但后者目前通过抗震措施还难以解决[1]。现有规范 中所提的也主要是指应尽量避开后者中的地下断裂 对建筑物的破坏性影响。目前，国内外研究成果只 是笼统地提到地下断裂的影响，而对隐伏断裂特别 是上覆土层情况的研究甚少[2]，仅在地震宏观考察 资料中有某些定性提法，尚不足以作为场地断裂工 程评价的依据[3]。事实上，地下断裂在不同土质上 覆土层中的位错反应，即破裂趋向与影响范围，可 对场地断裂工程评价中的安全避让距离的确定起相 当关键的作用。 数值分析与物理模型试验都可在一定范围内模 拟土工问题，为土工设计提供参数及科学依据，再 加上现场的原观资料，大部分土工问题都可得到有 效的解决。然而，可供地震方面参考的现场原观资 料仍然极少[4 ，5]，这主要与地震发生的偶然性和突 然性有关，一般不易得到有效原观资料。在土工弹 塑性数值分析方面，对于地震问题，能较好地反映 地震中土的应力–应变特性的理想弹塑性模型较 少。实际上，找出一个数学模型来全面准确地描述 各种土在地震中的复杂应力–应变关系是有较高难 度的。因此，较现实的选择是采用高精度的物理模 型试验，利用能够获取的现有试验设备与测试技术， 尽最大可能来提高和实现物理模型的相似性显得尤 为重要。普通物理模型试验是将原型被模拟的工程 建筑物按一定的比例缩小制成模型，在正常重力加 速度下1 g进行试验，然后根据模型试验观测结果 推算到原型。这种试验相对直观且测量简单，如国 内外采用地面振动台研究建筑物上部结构及其桩基 础的地震反应问题[6]。这种试验对于具有应力–应 变线性关系的研究对象是合适的，而对于岩土工程 来说，这种试验所表现出的模型与原型各对应点的 应力水平重力不相似，却是难以克服的。因为大 部分的岩土工程问题，在不同的应力水平下，岩土 力学性状会有很大的差异，不符合线性应力–应变 关系， 这就使得普通物理模型试验特别是小比尺试 验很难真实地反映原型的变化规律。要解决这个问 题，必须提高模型的应力水平，使其与原型的应力 水平一致，也就是实现物理模型的相似性。离心模 型试验正是基于这个要求而发展起来的一种新的岩 土工程研究手段[7 ～14]，其最大特点是能够有效地实 现模型与原型之间的重力相似性。因此，采用离心 模型试验研究地下断裂在不同土质上覆土层中的位 错反应破裂趋向与影响范围显然不失为一个良好 的选择。 本文进行多组离心模型试验，模拟 4 种不同土 质的上覆土层，采用基岩垂直位错与水平位错 2 种 地下断裂形式，其最大模拟位错量分别达 4.5 和 3.0 m，以此得出若干对于场地断裂工程评价及有关 抗震规范的修订具有参考价值的有益结论。除给出 上述模型的试验和分析结果，本文还简要介绍土工 离心模型试验的原理与设备。 2 离心试验设备离心试验设备 离心模型试验的实质就是利用离心机高速旋转 所产生的离心力场来模拟重力场，将按一定几何比 尺 n 模型率缩小的模型置于模拟重力场中进行试 验，以使模型与原型各对应点的应力水平相等。试 验选用南京水利科学研究院 50 gt 土工离心机[11]。 其基本性能是无级调速，转动臂最大半径为 2.5 m， 最大离心加速度为 250 g，相应最大模型荷载为 200 kg。其转动轴上装有 40 个银质滑环通道用于信号传 输， 并配有一套 CCD 摄像系统， 可随时监测试验过 程中模型的变化。试验模型箱的有效尺寸为 685 mm450 mm350 mm，一侧为可装卸的有机玻璃， 作为试验过程中模型的监测窗口。 3 正断层条件下基岩垂直位错模拟 试验 正断层条件下基岩垂直位错模拟 试验 3.1 模拟试验内容模拟试验内容 本文做了 4 个模型，模拟最大上覆土层厚度 52.5 m。基岩断裂运动方式为正断裂向下移动，断 裂活动位移量为 0～4.5 m。 上覆土层 4 种土质可～硬塑粘性土，软塑粘 性土，砂、卵石地层，粘性土、砂、卵石交替出现 的地层，其具体物理力学性质指标见表 1。 3.2 离心模型断裂模拟装置离心模型断裂模拟装置 该装置主要包括步进电机、大功率驱动电源、 微机数控系统、连杆传动机构、升降活动板等。在 150 g 条件下所模拟上覆土层尺寸为 52.5 m52.5 m 52.5m相应模型尺寸 0.35 m0.35 m0.35 m，所模 拟基岩垂直向断裂最大位移量为 0～4.5 m相应模 1870 岩石力学与工程学报 2005年 表表 1 土的主要物理力学性质指标土的主要物理力学性质指标 Table 1 Physico-mechanical properties of soils for vertical fault testing 颗粒组成/ 模型 编号 土质 类别 制模时含 水量 w/ 容重 γ/kNm －3 干容重 γd/kNm －3 相对密度 Dr / 液限 wL/ 塑限 wP/ 塑性指数 IP 粘粒 ＜0.005 mm 粉粒 0.005～0.05 mm 砂粒 ＞0.05 mm 摩檫角 ϕ/ 1 粘土 CL 19.6 20.0 16.7 – 33.6 19.614 20 59 21 – 2 粘土 CH 20.0 19.5 16.3 – 44.0 23.021 5 55 40 – 3 粗砂 14.0 18.5 16.2 90 ––– 粒径 d 1～2 mm 38.2 4 粘性土、砂卵 石交替地层 粘性土层取自 2土样；砂卵石层取自 3粗砂含 50和 4～10 mm 卵石含 50，每层厚度皆为 4 cm 型中位移量 0～3 cm，位移速度无级可调，可在任 何位置停止。 3.3 模型制备模型制备 根据上述的 4 种上覆土层土质，模型选用 1～ 4四种土样。1，2模型土样是经晒干，粉碎过 1 mm 筛，再按相应的含水量配制击实而成。4模型是将 粘性土层与砂石层交替重叠制成，每层厚度均为 4 cm。 3.4 试验结果和分析试验结果和分析 本项目进行预备性试验和模型试验。预备性试 验主要是检验、调试、修改断裂模拟装置与确定合 适的制模方法，是在离心力≤100 g 工况下开展的。 四组模型试验是在 150 g 的离心力下进行的。 试验过程 以 3～4 min 的时间将模型加速到设 计加速度 150 g，接着恒速运行 10 min。此时即开始 模拟基岩断裂下移对上覆土层的影响，分 3 次进行， 下移速度 20 cm/min，每次下移量 1 cm相当于原型 1.5 m，并停留 3 min。试验情况见表 2，且分析如下 表表 2 正断层试验结果描述正断层试验结果描述离心加速度离心加速度 am 150 g；模型比尺；模型比尺 n 150 Table 2 Result descriptions of vertical faulting tests am 150 g；；n 150 试验结束后观测结果 模型 编号 闭路电视实时观测结果正面 正面 顶面相当于原型地表面 1 基岩断裂下移 1 cm 时，可见左上侧地表出现一拉力缝呈 V 形。随着基岩 断裂下移增至 3 cm，拉力缝相应扩大，上宽 5 mm，深 20 mm；在右侧，有 细微斜缝但不明显 实时观测的细 微裂缝未见，已 弥合 1 表面倾斜，左高右低； 2 表面基本无缝，原在试验中观察到的地表 拉力缝几乎合拢， 经量测， 距左侧箱板 60 mm 2 裂缝明显， 有 2 条 1 左上侧一条拉力缝， 最宽处约 10 mm， 缝深约 40 mm； 2 右侧一条斜缝，宽约 3 mm，全长 180 mm 观测同左 1 表面倾斜，左高右低； 2 上述地表拉力缝，经量测，距左侧箱板约 75 mm，缝尺寸基本同左 3 裂缝可见，右侧斜缝同 2；右上侧地表有一弧形沟 观测同左 1 表面倾斜，左高右低； 2 上述地表弧形沟，经量测，距右侧箱板约 70 mm，沟宽与深均约为 25 mm 4 右侧，可见一斜缝 观测同左 1 表面倾斜，左高右低； 2 表面左侧可见数条纵向不连续细缝 第 24 卷 第 11 期 刘守华等. 地下断裂对不同土质上覆土层的工程影响 1871 3.4.1 1模型 在试验过程中用闭路电视进行正面观测，其基 岩断裂发生时，先在模型左上侧地表处出现一拉裂 缝， 并逐渐扩大； 模型右侧只是隐约可见细微斜缝， 不是很明显， 长约限于基岩以上 20 m 区域内。 基岩 正断裂位移量变化1～3 cm相当于原型 1.5～4.5 m， 其在上覆土层所产生的斜缝破裂差异也难以定量描 述。试验结束停机后观测得知，模型的正面和顶面 都未见明显的裂缝。此现象可从以下两方面考虑 1 该模型土为粘土CL，粉粒以上成分占 79，砂性强，粘性差； 2 制模含水量正好处于半固态和可塑态的临 界点上。 上述 2 个方面有利于试验中的缝隙自我弥合、 自我调整，一旦试验结束后，模型土体有所回弹， 就不易观察到裂缝。 3.4.2 2模型 在试验过程中观察到的现象为基岩断裂下沉 一发生，其模型左上侧地表就出现一拉力缝，呈 V 形，基岩断裂位移量 1 cm 时，拉力缝宽约 3 mm， 深约 15 mm； 当基岩断裂位移 3 cm 时， 此拉力缝宽 约 10 mm，深约 40 mm；其模型右侧从基岩断裂口 开始，大致与水平面成 70 ，朝右上方向形成一斜 缝破裂带，此缝迟于前面出现的拉力缝。当基岩垂 直断裂位移量由 1 mm 增至 3 mm相当于原型 1.5～ 4.5 m时，缝宽由 1 mm 扩大至 3 mm；裂缝破碎带 的影响范围从基岩以上 13 cm 伸展至 20 cm相当于 原型 20～30 m。试验结束停机后观测，裂缝的情 况与试验过程中的大致相同， 并在模型顶面即地表 面观察到一条纵向裂缝相当于原型宽 1.5 m，深 5～6 m。2相比于 1，其裂缝表现差异较大，据分 析是以下 2 点因素造成的 1 此粘土CH的粘粒成分占了 40，因而粘 性强，粘聚力大； 2 制模含水量使土体处于半固态。上二点不 利于试验中的裂缝自我弥合，当基岩断裂下沉时， 位于断裂左右上覆土体相对错开，即使基岩断裂不 再下移， 裂缝也不易弥合， 停机后同样可被观察到。 3.4.3 3模型 在试验过程中观测到的现象为模型右侧斜缝 的形成发展基本类似于 2模型，只是 2模型的斜缝 与水平面的夹角要大些约 80 ，斜缝破碎影响范围 约在基岩以上 30 m。另外，还可观测到，在模型右 上侧地表有一小弧形沟，位于斜缝延伸线上。试验 结束后观测到正面斜缝基本与试验过程中的相同。 上述的弧形沟反映在模型顶面上，是一条纵向沟， 宽、深各为 25 mm 左右，与右侧模型箱边界平行， 距离约 70 mm相当于原型 10 m。3模型砂的物理 力学参数为ρd 1.62 g/cm3，ρdmax 1.67 g/cm3，ρdmin 1.34 g/cm3，Dr 90，w 14，Sr 58，制模中 的上部干些，下部稍湿。3的斜缝宽度不如 2大， 这是由于 3砂土的松散性，易于弥合缝隙。但 1的 土层破裂发生后的自我弥合能力更好于 3， 其破裂带 不如 3明显，很不易被观测，据分析是由于 3属紧 密均质砂，Dr 9067以上就为紧密砂，在紧密 状态下，原来的孔隙体积较小；当基岩断裂发生错 动滑移受剪时，引起剪胀，破裂不易恢复，再加之 砂粒较粗1～2 mm，故使得破裂带明显。 3.4.4 4模型 其正面斜缝在试验过程中可以被观测到，破裂 带限于基岩以上 20 m 范围内， 带宽与基岩断裂下沉 位移量大致成正比例。试验结束后观测，正面裂缝 与试验过程中的相似。顶面裂缝，虽然同于 2，也 是发生在模型箱左侧，但只是数条不连续细微纵向 裂缝，没有 2顶面裂缝严重，估计原因有二 1 为模型土的“夹层”效应所致，因为 4模 型是由 2粘土与 3粗砂及卵石分层交替混合制成， 这种软硬混合土体抵抗基岩断裂下沉的能力较强。 粘土层对砂卵石层起到了缓冲作用；砂卵石层对粘 土层则起到了加固作用，二者相得益彰； 2 因裂缝延伸线方向在“夹层”中交替发生 改变所致。 从理论上分析根据莫尔–库仑破坏准则，剪 破面与大主应力面的夹角θf 45 ϕ /2， 在不同土层 中由于ϕ 角不同， 裂缝在不同土层内的方向会改变， 必然不利于其延伸发展，试验观测也证实了这一 点。 3.4.5 模型地表裂缝 对于地表裂缝，出现在左侧的为拉力缝，在 1， 2及 4模型中都可观察到，这是因为此处为拉应力 区，大主应力等于零，而小主应力小于零。而对 3 模型，因覆盖层为砂土，本身无粘聚力，拉力缝边 形成边被填充，结果观察不到这条地表拉力缝，而 出现在右侧地表的弧形沟，在 3模型中可观察到， 其正好位于垂直剖面上破裂带的延伸线上。在其他 3 个模型中，由于破裂带起始倾角相对较小，且在 向上发展过程中向右发生弯曲，其延伸线与地面的 交点已落在模型所模拟的范围以外。 1872 岩石力学与工程学报 2005年 3.5 初步结论初步结论 1 在基岩发震断裂位移 1～3 cm原型 1.5～ 4.5 m条件下，上覆土层都在不同程度上受到影响， 地表下陷在基岩下移侧，地表下陷最多，下陷量基 本与基岩下移量成正比例，但在垂直剖面上所产生 的破裂影响范围一般在基岩以上 30 m 以内，其裂缝 与水平面的夹角因土质不同引起的摩擦角不同，其 变化范围大致在 60 ～80 ；在地表面上所形成的破 裂，因土质不同而各有所异，对某些土质，特别是 像 2模型这样的高塑性无机粘土，现还难以定量说 明上覆土层多厚就不会在地表出现裂缝，但从危害 程度来考虑，地表面上的破裂对于工程的危害性一 般要小于垂直剖面上的破裂。 2 裂缝种类及其大小与上覆土质有关。在砂 土覆盖层中未观测到粘土覆盖层中的地表拉力缝， 同为粘土，塑性指数高，粘性大的粘土，一旦发生 基岩错动，上覆土层相应破裂时，虽应力释放了， 但其应变自我调整能力较差，变形难以恢复，所生 成的裂缝宽度大，不易弥合；反之则相反。就土层 所处状态而言，可塑态土的裂缝的自我弥合能力要 强于半固态土， “夹心” 覆盖层对于基岩发震断裂的 抵抗能力有可能要强于均质土覆盖层。 3 在基岩正断裂位移过程中，位移量约 1 cm原型 1.5 m时，地表拉力缝就明显被观测到。随 着位移增大，拉力缝变宽变深，同时垂直剖面上的 斜向破裂带也由不明显趋于明显。 4 地表裂缝除了 3模型外，所有模型均在左 侧出现拉力缝。据分析，模型的左侧地表存在着拉 应力区，此处的大主应力为零，水平向小主应力小 于零，必然使得地表拉开裂缝。3模型砂因无粘聚 力，在模型左侧，拉力缝刚形成，即被自我填充。 对于 3模型地表右侧出现的弧形沟，是因 3模型砂 土的摩擦角较大，破裂带倾角大，故在其延伸线与 地表交汇处出现弧形沟，而其他 3 个模型因平均摩 擦角小，并且弯曲，故未能在模型右侧观察到上述 类似的弧形沟。 5 本试验模拟了基岩正断裂位错，为最危险 的情况，使用本试验成果时，应考虑到这一点。 4 基岩水平位错模拟试验基岩水平位错模拟试验 4.1 模拟试验内容模拟试验内容 在研究基岩正断裂运动方式的基础上，又开展 了基岩水平错动方式的模型试验。所研究的上覆土 层的 4 种土质类同于正断裂运动方式，在离心试验 中也分别以 1～4来表示，模拟最大上覆土层厚度 16～32 m，基岩水平错动位移量 1.65～3.0 m。 4.2 离心模型断裂模拟装置离心模型断裂模拟装置 经估算，本试验当水平错动时需要克服的阻力 在 100 g 的工况下约 30 kN。该装置由步进电机、大 功率驱动电源、微机数控系统、齿轮传动机构、丝 杆拖板等组成。其在 100 g 条件下模拟上覆土层尺 寸为 32 m32 m32 m模型尺寸 0.32 m0.32 m 0.32 m，所模拟的基岩水平错动最大位移量为 1.65～3.0 m模型中位移量 3.3 cm，am 50 g 及 3.0 cm，am 100 g，位移速度无级可调，并可在任何 位置停止位移。 4.3 模型制备模型制备 表 3 示出模型土的物理力学性质指标。制模方 法同于正断裂运动方式。 4.4 试验结果和分析试验结果和分析 本项研究分为基岩表面光滑与粗糙两种试验工 况。4 组模型试验是在 50～100 g 的离心力下进行 的，模型土样 0.32 m0.32 m0.32 m。 试验过程为 在 3～4 min 时间内将模型加速到 设计加速度 100 或 50 g，接着匀速运行 10 min。此 时即开始模拟基岩断裂水平错动对上覆土层的影 响，错动位移速率 10 cm/min。当所模拟的水平错动 表表 3 土的主要物理力学性质指标土的主要物理力学性质指标水平位错试验水平位错试验 Table 3 Physico-mechanical properties of soils for horizontal fault testing 颗粒组成/ 模型 编号 土质 类型 制模时含 水量 w/ 容重 γ/kNm －3 干容重 γd/kNm －3 相对密度 Dr / 液限 wL/ 塑限 wP/ 塑性指数 IP 粘粒 ＜0.005 mm 粉粒 0.005～ 0.05 mm 砂粒＞ 0.05 mm 摩檫角 ϕ/ 1 粘土CL 18.7 19.8 16.7 – 35.520.515 8 60 32 – 2 粘土CH 24.1 17.2 13.9 – 42.021.021 4 56 40 – 3 粗砂 14.0 18.5 16.2 90 ––– 粒径 d 1～2 mm 38.2 4 粘性土、砂卵 石交替地层 粘性土层取自 2土样；砂卵石层取自 3粗砂含 50和 4～10 mm 卵石含 50，每层厚度皆为 4 cm 第 24 卷 第 11 期 刘守华等. 地下断裂对不同土质上覆土层的工程影响 1873 基岩为光滑表面模型中的错动板为一平整钢板 时， 离心机加速度为 100 g， 所模拟的上覆土层范围 为 32 m32 m32 m；当基岩表面粗糙情形时模型 中的错动板表面上用环氧树脂胶结一层粒径为 1～ 2 mm 的粗砂，因加大了基岩与上覆土层间的摩擦 力，限于试验装置的拖动能力，离心机加速度降 为 50 g，所模拟的上覆土层范围则为 16 m16 m 16 m。 试验情况见表 4。在基岩表面光滑的条件下试 验，1～4四个模型的垂直剖面和顶面相当于原型 地表面基本无变化，未见明显节纹，据分析这是缘 于基岩表面与土层之间的摩擦力小，还不足以对上 覆土层产生扰动和破坏。试验停机后观察，其模型 底部基本完好无损；但当改变试验方案，基岩表面 变为粗糙状态进行试验时，水平错动对上覆土层的 影响明显可见，主要表现在 1和 2模型上。水平错 动发生后，在紧贴基岩的约有 7 m 厚的上覆土层内 均有裂纹，但表面形式有异见表 4，此现象可从以 下二方面考虑 1 根据制模含水量可知，1土体处于半固态， 而 2为可塑态，缝隙产生后 1自我弥合能力稍逊于 2，这样 1的裂纹缝隙更为明显些； 2 1与 2虽同属粘土， 但在液限和塑性指数上 有所不同， 其相应指标值分别为 35.5， 42， 15 和 21， 因而 2土体的粘聚力及可塑性要高于 1，这就使得 2模型受水平错动影响的范围较 1有所扩大，且模 型下方表 2 中的阴影部分沿基岩水平错动方向被 拉进内陷的程度也比 1的大。3和 4试验后未观测 到变形，主要是由于 3砂土的松散性和 4软硬结合 的“夹层”特点，使其在裂纹发生后易于弥合，因 而模型试验中所发生的变形情况很不易被观测到。 4.5 初步结论初步结论 1 在基岩断裂水平错动 1.65～3.0 m 条件下， 在垂直剖面上所产生的破裂影响范围一般在 10 m 左右，而在地表面上尚未见到明显变形。 2 基岩水平错动对上覆土层的影响范围和土 体变形均不如基岩垂直断裂时大。 3 基岩表面的粗糙度对上覆土层的影响较 大。试验发现，基岩表面光滑时，水平错动对上覆 土层影响甚微；而当表面粗糙时，其影响才较为明 显。 5 结结 语语 文[12～14]收集的地震资料表明大致相当于 表表 4 水平位错试验结果描述水平位错试验结果描述 Table 4 Result description of horizontal faulting tests 模型 编号 光滑 am 100 g模拟水平错动 3.0 m 粗糙 am 50 g模拟水平错动 1.65 m 1 模型的垂直剖面和顶面相当于原型 地表面基本无变化，未见明显裂纹 模型顶面基本无变化；但在垂直剖面水平错动一侧的下方出现一明显裂缝，缝宽约 1～2 mm，阴影部分 沿错动方向被拉进内陷约 3.5 mm；由于基岩粗糙表面的摩擦力影响，阴影底部厚度约 3 mm 的土体，随 基岩一起发生水平错动 2 同 1模型底面与基岩表面接触处基 本完好无损 其变形大致与 1类似，只是裂纹比 1更细微。另还隐约可见不连续的数条短纹，影响范围阴影部分比 起 1有所扩大，且沿着水平错动方向拉进内陷约 10～12 mm 3 同 1 模型的垂直剖面和顶面基本无变化 4 同 1 同 3；本项试验在离心加速度 am 70 g，水平错动 2.1 m 条件下进行 1874 岩石力学与工程学报 2005年 8 度地震时的断层位错量平均值为 0.67～1.66 m； 大 致相当于 9 度地震时的断层位错量平均值为 2.09～ 3.90 m。本项研究所模拟的位错量1～4.5 m囊括了 8，9 度地震的位错值，其研究成果对于场地断裂工 程评价及有关抗震规范的修订具有较好的参考价 值。根据离心试验结果，可以得到如下几个方面的 认识 1 当基岩断裂位错时，张性的正断错位比水 平错位对上部土层的开裂影响要大；上部覆盖为单 一的软～中等强度的土层比粗细相间沉积的土层影 响要大。在确定土层安全厚度界线时，应按最不利 的情况去考虑。 2 从一系列试验结果可以明显看出当断裂 位错 1～3 m 时， 土层开始出现裂缝， 其破裂高度均 在 20 m 以内；当断裂位错增大到 4.5 m 时，土层破 裂向上发展，但均在 30 m 以内。 3 对于地下断裂对不同土质上覆土层的工程 影响，本文仅仅做了一些开创性的工作。目前，尚 属于探索性研究阶段。由于上覆土层的土质种类繁 多，仅靠几组试验是不可能得到普遍性结论的。另 外，在本项试验中尚未涉及介于垂直与水平位错之 间的一种斜位错动，这都有待于在今后作进一步的 深入研究，并与更多的地震实测原观资料相比较， 从而供工程抗震设计参考。 参考文献参考文献References [1] 徐锡伟，于贵华，马文涛，等. 活断层地表破裂“避让带”宽度确 定的依据与方法[J]. 地震地质，2002，424470–483.Xu Xiwei， Yu Guihua，Ma Wentao，et al. Evidence and s for determining the safety distance from the potential earthquake surface rupture on active fault[J]. Seismology and Geology，2002，424470–483.in Chinese [2] 温瑞智，周正华，孙平善，等. 断层场地地震动分析[J]. 地震工程 与工程振动，2002，22121–27.Wen Ruizhi，Zhou Zhenghua， Sun Pingshan，et al. Ground motion analysis for near-fault site[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2002，221 21–27.in Chinese [3] 场地断裂课题研究小组. 场地断裂工程抗震评价研究报告[R]. 北 京 建设部抗震办公室， 1988.The Research Group of Near-fault Site. uation for seismic design of near-fault site[R]. BeijingOffice of Earthquake-proof，Ministry of Construction，1988.in Chinese [4] 薄景山，李秀领，刘红帅. 土层结构对地表加速度峰值的影响[J]. 地震工程与工程振动， 2003， 233 36–40.Bo Jingshan， Li Xiuling， Liu Hongshuai. Effects of soil layer construction on peak accelerations of ground motions[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2003，23336–40.in Chinese [5] 李小军，彭 青. 不同类别场地地震动力参数的计算分析[J]. 地震 工程与工程振动，2001，21129–36.Li Xiaojun，Peng Qing. Calculation and analysis of earthquake ground motion parameters for different site categories[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2001，21129–36.in Chinese [6] 王文剑，楼梦麟，马恒春，等. 上部结构对桩基础地震应力影响的 模型试验研究[J]. 地震工程与工程振动，2001，212109– 206.Wang Wenjian，Lou Menglin，Ma Hengchun，et al. Study on effects of superstructure on pile foundation seismic stresses by model test[J]．Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2001， 212109–206.in Chinese [7] 刘守华. 土工离心模拟技术在工程中的应用[J]. 江苏水利科技， 1989，3336–12.Liu Shouhua. The applications of geotechnical centrifuge modeling in engineering[J]. Jiangsu Science and Technology of Water Conservancy，1989，3336–12.in Chinese [8] 刘守华. 土工离心模拟技术发展水平报告[A]. 见 中国土木工程学 会土工测试专业专委员会编. 全国土工测试新仪器新技术学术讨 论会论文集[C]. 上海[s. n. ]，1992. 23–28.Liu Shouhua. The uation and prospect of geotechnical centrifuge modeling[A]. In The Technical Committee on Geotechnical Tests of the China Civil Engineering Society ed. Collection Papers of the China Conference on Geotechnical Testing Technology[C]. Shanghai[s. n. ]，1992. 23– 28.in Chinese [9] Liu Shouhua，Cai Zhengyin，Dong Jincheng. Influence range in overburden soils due to bedrock fracture[A]. In Proc