不同覆蓋層土性下逆斷層場(chǎng)地破裂模型試驗(yàn)分析

張建毅，白孜姍，許志杰，屈世航，田 靜

（1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201；2.中國(guó)地震局建筑物破壞機(jī)理與防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201）

0 引言

大量震害表明，活動(dòng)斷層的突發(fā)性錯(cuò)動(dòng)是產(chǎn)生地震的主要根源［1-2］，且活動(dòng)斷層沿線附近的建筑物破壞與人員傷亡最為嚴(yán)重［3］。然而，目前的抗震設(shè)防措施還難以阻止其錯(cuò)動(dòng)對(duì)附近建筑物及生命線工程造成的破壞［4］。文獻(xiàn)資料表明［5］，已有研究主要關(guān)注地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響及各類次生地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生機(jī)理，在斷層錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致的地表永久變形破裂方面的研究略顯不足。

目前對(duì)發(fā)震斷裂場(chǎng)地破壞機(jī)理的研究主要是通過現(xiàn)場(chǎng)震害資料統(tǒng)計(jì)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等3種方法，模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的理論均是建立在現(xiàn)場(chǎng)震害資料統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上［6-7］?，F(xiàn)場(chǎng)震害表明［8］：跨斷層的建筑物破壞最為嚴(yán)重，越靠近跡線建筑物破壞越嚴(yán)重，上盤效應(yīng)明顯；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗地表斷裂能力比其他房屋結(jié)構(gòu)類型好；總層數(shù)少的建筑物比多層建筑物相對(duì)破壞較輕。

由于現(xiàn)場(chǎng)震害資料有限［6］，研究手段和研究經(jīng)費(fèi)等因素的制約，使得強(qiáng)震地表破裂效應(yīng)在破壞過程及地表影響范圍的定量化分析方面還缺乏說(shuō)服力強(qiáng)、還原度高且直觀有效的地震現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例［9］。因此，模擬發(fā)震斷裂或基巖位錯(cuò)的模型試驗(yàn)分析及其裝置受到關(guān)注［10］。

近年來(lái)，雖然緊鄰發(fā)震斷層的建筑物破壞機(jī)理分析和大型平臺(tái)物理模型試驗(yàn)的相關(guān)資料日益豐富［11-12］，但在特殊情形下，因?qū)Φ叵聴l件探究不明，跨斷層框架結(jié)構(gòu)也一直面臨更復(fù)雜的強(qiáng)震地表破裂風(fēng)險(xiǎn)，這需要設(shè)計(jì)多工況參數(shù)的大尺寸常重力模型箱體試驗(yàn)對(duì)近斷層的建筑物斷裂機(jī)理進(jìn)一步研究，提出合理的抗斷裂措施及避讓距離。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 模型試驗(yàn)系統(tǒng)

在前人［13-14］模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文自行設(shè)計(jì)了常重力大尺寸強(qiáng)震覆蓋層土體破裂模型箱體及其模擬基巖錯(cuò)動(dòng)加載設(shè)備系統(tǒng)，與監(jiān)測(cè)傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共同組成了大尺寸強(qiáng)震覆蓋層土體破裂模型試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。模型箱體裝置主要由大尺寸土體箱、連接裝置、角度調(diào)整支座、作動(dòng)器、底座等組成。試驗(yàn)箱體長(zhǎng)4.96m、寬1.85m、高1.4m，箱體前后面安裝厚0.025m的高強(qiáng)有機(jī)透明玻璃，并在外側(cè)設(shè)有3條豎向剛肋，箱體側(cè)面為0.015m厚的高強(qiáng)度鋼板，且在下側(cè)焊“X”型鋼斜撐。箱體底部由雙層鋼板內(nèi)夾“井”字鋼梁結(jié)構(gòu)的兩塊絕對(duì)剛度的活動(dòng)鋼板組成，用于模擬覆蓋層土體下面基巖的上、下兩盤錯(cuò)動(dòng)，并在上、下盤活動(dòng)鋼板連接處及周圍連接處安裝高強(qiáng)尼龍布防止土顆粒丟漏。

圖1 大尺寸強(qiáng)震覆蓋層土體破裂模型試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 The test platform of lar ge-scale strong earthquake overburden layer soil r uptur e model

1.2 相似關(guān)系設(shè)計(jì)

相似理論是模型試驗(yàn)相似的基礎(chǔ)，其主要由相似正定理、π定律、相似逆定律3個(gè)相似定理組成。本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖潴w的土層厚度為1m，模擬真實(shí)地基覆蓋層厚度范圍在20～30m，這是在與原土一樣的容重相似比為1的先決條件下，選擇覆蓋層土體破裂大變形的定性為主、定量為輔的模型方法。為了滿足模型物理力學(xué)的相似性，土體及建筑物模型相似常數(shù)設(shè)計(jì)如下（表1）。

表1 模型中土與建筑物參量及其相似常數(shù)Tab.1 Parameters of the soil and the building and their similarity constants in the model

1.3 土樣制備與框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文結(jié)合前人［15］統(tǒng)計(jì)的緊鄰發(fā)震斷裂原型場(chǎng)地的工程地質(zhì)概況和框架結(jié)構(gòu)的原型資料，進(jìn)行了土樣制備和框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（1）箱體內(nèi)覆蓋層土樣制備工作（圖2）：天然黏性土用2mm網(wǎng)篩雜物制得黏性土土樣，標(biāo)準(zhǔn)砂作為砂土土樣。砂土土樣的不均勻系數(shù)Cu為2，黏性土的不均勻系數(shù)Cu為28；黏性土的黏聚力為10kPa，內(nèi)摩擦角為20°，砂土的內(nèi)摩擦角為30°。為控制土箱內(nèi)每層土樣的相對(duì)密實(shí)度、均勻性，經(jīng)過前期多次嘗試，采用分層夯實(shí)原則，每150mm 的天然土平鋪夯實(shí)至有機(jī)玻璃板100mm相對(duì)刻線處，即“定量采用、分層夯實(shí)、界面補(bǔ)平、多缺少補(bǔ)”的原則來(lái)制備模型覆蓋層地基土體。

圖2 箱體覆蓋層土體制備Fig.2 Preparation of the soil of the overburden layer inside the box

（2）鋼框架建筑結(jié)構(gòu)模型（圖3）：地上6層建筑模型用65Mn鋼制成樓板和立柱，每層立柱高度為150mm，立柱采用寬20mm、厚2.5mm鋼板，每層樓板采用邊長(zhǎng)為300mm正方形鋼板、厚1.5mm。柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的長(zhǎng)、寬、高分別為200mm、200mm、30mm，以單軸抗壓強(qiáng)度為主要相似物理量，采用正交實(shí)驗(yàn)確定獨(dú)立基礎(chǔ)水泥、石膏、砂和水的比例關(guān)系為3∶12∶30∶12，抗壓強(qiáng)度為3.75MPa。選用材料如下：輕質(zhì)石膏粉、425硅酸鹽水泥、粒徑0.5～1mm石英砂。

1.4 試驗(yàn)儀器布置

根據(jù)之前［16-17］試驗(yàn)的覆蓋層土體剖面破裂跡線及結(jié)論，土體破裂呈“V”字型展布。因此，土壓力計(jì)、加速度計(jì)見圖4，在其周邊（即距基巖高度為300mm、550mm、900mm 處）分別布置傳感器，由于靠近基巖位置處土壓力較大，在300mm高度處多布置了兩個(gè)土壓力計(jì)，在基巖上、下盤底板各布置一個(gè)加速度計(jì)。對(duì)于圖中預(yù)測(cè)的“V”字型破裂帶，“V”字型的“＼”方向指箱體左側(cè)（即西側(cè)）遠(yuǎn)離主破裂帶一定距離的上盤位置，“／”方向指箱體右側(cè)（即東側(cè)）主破裂帶位置附近的上盤位置，為方便后文用“＼”和“／”方向做闡述。

圖4 試驗(yàn)方案及儀器布置剖面圖Fig.4 The test plan and the profile of sensors layout

1.5 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及加載方式

大量現(xiàn)場(chǎng)震害資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到，逆斷層傾角一般集中在30°～60°。因此，針對(duì)黏性土、砂土的覆蓋層地基場(chǎng)地及其同工況下框架結(jié)構(gòu)場(chǎng)地，基于強(qiáng)震覆蓋層土體破裂模型試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了斷層傾角45°的物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)編號(hào)及其參數(shù)見表2。

表2 模型試驗(yàn)編號(hào)及其參數(shù)表Tab.2 Number of model tests and their parameter s

試驗(yàn)總體步驟可概括為：按照工況要求及其試驗(yàn)方案，裝土分層夯實(shí)，在相應(yīng)位置放置土壓力計(jì)和加速度傳感器等，夯至土體覆蓋層表面安裝頂桿位移計(jì)；傳感器布置好后，在試驗(yàn)箱體的正前方以及正上方架設(shè)攝像設(shè)備，并將采集軟件內(nèi)所有數(shù)據(jù)初始值清零；然后，控制作動(dòng)器以設(shè)定速率2mm／s頂升，每個(gè)試驗(yàn)共分10次加載，每次加載1cm即為一個(gè)工況。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)逆斷層自由場(chǎng)地及其典型框架結(jié)構(gòu)場(chǎng)地，從地表破裂形態(tài)、高精度頂桿監(jiān)測(cè)的地表變形量、微型土壓力計(jì)測(cè)量的土壓、土體和結(jié)構(gòu)的高動(dòng)態(tài)加速度等方面進(jìn)行對(duì)比分析，揭示典型框架結(jié)構(gòu)在逆斷層場(chǎng)地的震害和破壞機(jī)理，結(jié)構(gòu)的避讓及抗斷裂能力等。

每次試驗(yàn)，基巖位錯(cuò)加載共進(jìn)行10次工況。經(jīng)分析，位錯(cuò)較小時(shí)，破裂特征及土壓力等變化范圍不明顯；位錯(cuò)較大時(shí)，破裂特征及土壓力等變化幅值較一致，因此，每次試驗(yàn)均選取了工況2（出現(xiàn)破裂）、工況7（貫通破裂）進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 逆斷層黏性土覆蓋層場(chǎng)地及其同工況框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)比分析

2.1.1 覆蓋層土體破裂形態(tài)分析

對(duì)比試驗(yàn)①③相同的加載工況，從圖5看出兩次試驗(yàn)的東側(cè)淺層地表均出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象。試驗(yàn)③由于受上部建筑物的影響，其地表裂縫向東“遷移”；隨著相同基巖位錯(cuò)的增大，試驗(yàn)③的地表破裂跡線明顯比試驗(yàn)①的更嚴(yán)重，這也可以從對(duì)應(yīng)的俯視圖中得到驗(yàn)證。

圖5 試驗(yàn)①和③覆蓋層土體破裂圖Fig.5 Diagram of soil ruptures of the overburden layer in test①and test③

2.1.2 地表變形量分析

由圖6可知，隨基巖位錯(cuò)加載到70mm，試驗(yàn)①③場(chǎng)地均在主破裂帶“／”方向產(chǎn)生了明顯的地表不均勻變形，試驗(yàn)①場(chǎng)地地表不均勻變形帶傾斜度約為2.3°，試驗(yàn)③場(chǎng)地不均勻變形帶傾斜度約為2.48°。試驗(yàn)①的地表土體變形“均勻平臺(tái)段”也明顯高于試驗(yàn)③相同位置處，即上盤效應(yīng)顯著。

圖6 試驗(yàn)①和③地表變形對(duì)比圖Fig.6 Comparison of surface deformations between test①and test③

2.1.3 覆蓋層土壓力分析

由圖7可知，隨基巖加載位錯(cuò)增加，從基巖主動(dòng)盤（西側(cè)）看，覆蓋層300mm 高度處，試驗(yàn)③條件下土壓力略有增大，其它位置處試驗(yàn)①③的土壓力均無(wú)明顯變化；從被動(dòng)盤（東側(cè)）看，試驗(yàn)①場(chǎng)地覆蓋層各個(gè)高度處土壓力幾乎無(wú)變化，試驗(yàn)③土層內(nèi)部550mm高度處土壓力值大，變化也明顯。

圖7 試驗(yàn)①和③覆蓋層內(nèi)土壓力圖Fig.7 Comparison of soil pressures in the overburden layer in test①and test③

2.2 逆斷層砂土覆蓋層場(chǎng)地及其同工況框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)比分析

2.2.1 覆蓋層土體破裂形態(tài)分析

對(duì)比試驗(yàn)②④相同的加載工況，從圖8看出，隨基巖位錯(cuò)增大，兩次試驗(yàn)均在沿著斷層傾角右上方土體淺表層出現(xiàn)主破裂帶向下盤擠壓，并在主破裂帶上盤土體淺表層一定區(qū)域凹陷。隨基巖位錯(cuò)量的增大，相比于試驗(yàn)④來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)②場(chǎng)地的地表破裂帶更明顯。這也從對(duì)應(yīng)的俯視圖中得到印證。

圖8 試驗(yàn)②和④覆蓋層土體破裂圖Fig.8 Diagrams of soil ruptures of the overburden layer in Test②and④

2.2.2 地表變形量分析

從圖9可知，基巖位錯(cuò)加載到70mm，地表主破裂帶即“／”方向，試驗(yàn)④場(chǎng)地不均勻變形帶傾斜度約為3.03°，試驗(yàn)②場(chǎng)地傾斜度約為2.69°；在遠(yuǎn)離主破裂帶的“＼”方向，試驗(yàn)②塌陷范圍更明顯，且其地表土體變形“均勻平臺(tái)段”也明顯高于試驗(yàn)④相同位置處。

圖9 試驗(yàn)②和④地表變形對(duì)比圖Fig.9 Comparison of surface deformations between test②and test④

2.2.3 覆蓋層土壓力分析

從圖10可知，隨基巖位錯(cuò)量增大，在主動(dòng)盤（西側(cè)），試驗(yàn)②場(chǎng)地土體內(nèi)部（尤其中間位置）土壓力變化明顯，而在土層頂面變化不大，試驗(yàn)④場(chǎng)地土體內(nèi)部土壓力均有變化；在被動(dòng)盤（東側(cè)），試驗(yàn)②④場(chǎng)地土壓力在接近基巖位置處明顯變化。

圖10 試驗(yàn)②和④覆蓋層內(nèi)土壓力圖Fig.10 Comparison of soil pressures in the overburden layer in test②and test④

2.2.4 覆蓋層土體加速度分析

由圖11可知，隨基巖位錯(cuò)量增大，在“＼”方向（西側(cè)），試驗(yàn)④場(chǎng)地覆蓋層的Amax比其同工況下自由場(chǎng)地變化更明顯，尤其是接近土層表面。在“／”方向（東側(cè)），覆蓋土層中部以下，試驗(yàn)②場(chǎng)地的Amax比其框架結(jié)構(gòu)場(chǎng)地略大，而在覆蓋層的頂面，試驗(yàn)④場(chǎng)地的Amax比其自由場(chǎng)地大得多。

圖11 試驗(yàn)②和④峰值加速度對(duì)比圖Fig.11 Comparison of peak accelerations for test②and test④

3 結(jié)論

（1）低傾角逆斷層框架結(jié)構(gòu)黏性土覆蓋層場(chǎng)地幾乎沒改變其發(fā)震斷裂對(duì)自由場(chǎng)地土體破裂的傳播規(guī)律，即仍沿著基巖上、下盤交界處，大約在斷層傾角線處，出現(xiàn)明顯的破裂，直至貫通覆蓋層土體，并在淺地表形成陡、寬的不均勻變形主破裂帶。結(jié)合宏觀土體破裂形態(tài)分析、地表不均勻變形、土壓力變化等，含框架結(jié)構(gòu)的黏性土覆蓋層場(chǎng)地在地表主破裂帶處破裂更嚴(yán)重，原因是主破裂帶處覆蓋層中部土壓力改變大。

（2）低傾角逆斷層框架結(jié)構(gòu)砂土覆蓋層場(chǎng)地幾乎沒改變其發(fā)震斷裂對(duì)自由場(chǎng)地土體破裂的傳播規(guī)律，即沿?cái)鄬觾A角位置的土體淺表層出現(xiàn)主破裂帶，向下盤擠壓，并在主破裂帶上盤土體淺表層一定區(qū)域出現(xiàn)凹陷（“＼”方向凹陷和“／”方向不均勻變形）。結(jié)合宏觀土體破裂形態(tài)分析、地表不均勻變形、土壓力變化等，含框架結(jié)構(gòu)的砂土覆蓋層場(chǎng)地既在地表主破裂帶處破裂更嚴(yán)重，也在主破裂帶上盤一定距離凹陷嚴(yán)重，原因是這兩處覆蓋層土壓力改變大。同時(shí)，含框架結(jié)構(gòu)的覆蓋層場(chǎng)地在剪切破裂帶區(qū)域峰值加速度變化大，對(duì)其上建筑物更不利。

此外，無(wú)論在黏性土、砂土覆蓋層的含框架結(jié)構(gòu)場(chǎng)地，受建筑物影響，地表主破裂帶均出現(xiàn)一定的“遷移”；不同土性的逆斷層基巖錯(cuò)動(dòng)場(chǎng)地及其上有建筑物場(chǎng)地的震害試驗(yàn)表明，上盤的建筑物上盤效應(yīng)比較復(fù)雜，在地基不均勻變形及塑性顯著區(qū)，建筑物的底層破壞更明顯。因此，對(duì)于重要建（構(gòu)）筑物可采取一定合理的避讓距離；而一般的建（構(gòu)）筑物需要進(jìn)行抗斷裂能力及措施設(shè)計(jì)。