烏魯木齊王家溝斷裂帶斷層面處黏性土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

孟和 尚彥軍 曹小紅 趙曉成

摘? 要：烏魯木齊王家溝斷裂帶是由4條全新世活動(dòng)斷層組成的斷層組，其斷錯(cuò)了中更新世礫石臺(tái)地及王家溝東岸的Ⅲ級(jí)階地，地貌形跡清晰。斷層面是組成斷層地質(zhì)材料中力學(xué)性質(zhì)最薄弱的部分，項(xiàng)目采用室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)方法，研究王家溝斷裂帶斷層面處黏性土的物理力學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明：①斷層面土樣屬稍濕-濕土，較密實(shí);②土樣總體上土粒不均勻，粒徑變化較大;③斷層面土樣應(yīng)屬粉質(zhì)黏土-黏土，處于可塑狀態(tài)，中壓縮性。直剪試驗(yàn)表明，斷層面土樣的抗剪力學(xué)性能指標(biāo)與斷層運(yùn)動(dòng)影響及物質(zhì)組成有關(guān)。

關(guān)鍵詞：王家溝斷裂帶;斷層面;黏性土;物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

烏魯木齊王家溝斷層組位于西山隆起北翼，展布于西山嶺北嶺北坡王家溝河谷兩岸的中更新統(tǒng)烏蘇群老礫石臺(tái)地上。該斷層向西延伸至頭屯河?xùn)|岸，向東經(jīng)王家溝至苜蓿溝附近區(qū)域（圖1）[1]。

王家溝斷層組斷層面北傾，為逆斷層，該斷層切割了王家溝東岸的Ⅲ級(jí)階地和西山北麓中更新世礫石臺(tái)地。斷層傾角30°～70°。王家溝斷裂的斷層面不是一條簡(jiǎn)單斷面，其在近地表處斷面分散成多條傾角不同的滑動(dòng)面[1-3]。新疆工程學(xué)院新校區(qū)位于烏魯木齊市頭屯河區(qū)王家溝東岸Ⅲ級(jí)階地上，主要由晚更新世洪積砂、沖洪積卵礫石及古近—新近系基巖組成，西側(cè)及北側(cè)多覆蓋晚更新世洪積、坡積為主的砂、卵礫石層。海拔高程840～870 m，區(qū)域上地形波狀起伏，地勢(shì)總體呈南高北低、向西微傾，王家溝斷裂沿SW向經(jīng)過(guò)新校區(qū)，對(duì)正在進(jìn)行的新校區(qū)建設(shè)可能會(huì)造成一定影響。

1? 野外采樣

烏魯木齊王家溝斷裂在新疆工程學(xué)院新校區(qū)出露，連續(xù)展布近1 km。野外采樣點(diǎn)（N43°50'35.85"，E87°24'43.36"）位于新疆工程學(xué)院新建體育場(chǎng)開(kāi)挖剖面上（圖2），取樣點(diǎn)處已開(kāi)挖深度為2.5 m。據(jù)試驗(yàn)總數(shù)要求取得斷層面處原狀土樣3組，分別命名為WJG-1、WJG-2、WJG-3。

取樣工作于2018年7月進(jìn)行，由于外露斷層物失水堅(jiān)硬，使用鏟、地質(zhì)錘等進(jìn)行人工開(kāi)挖取樣，將開(kāi)挖過(guò)程中的擾動(dòng)降至最低，并廢棄0.2 m厚的表層土。取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)，所開(kāi)挖深度范圍內(nèi)，離暴露表面越深，斷層物質(zhì)含水量越大，土質(zhì)越軟，失水堅(jiān)硬的斷層物質(zhì)可見(jiàn)貝殼狀斷口。通過(guò)野外觀察，判斷斷層下盤(pán)出露具油脂光澤的褐紅色黏土，其上可見(jiàn)鏡面、擦痕;青灰色粉質(zhì)黏土-粉土以薄層形式分布于斷層面處，應(yīng)為多次斷層運(yùn)動(dòng)留下的信息，其上擠壓層狀結(jié)構(gòu)及斷層面上擦痕記錄了斷層活動(dòng)方式及附近地面運(yùn)動(dòng)特征;黃褐色粉土-細(xì)砂出露于斷層上盤(pán)（圖3）。土樣WJG-1取自剖面揭露斷層下盤(pán)處分布最廣的褐紅色黏性土，土樣WJG-2取自斷層面處薄層形式分布的青灰色粉質(zhì)黏土-粉土，土樣WJG-3取自褐紅色黏性土與青灰色粉質(zhì)黏土-粉土的接觸面。

2? 試驗(yàn)方法及結(jié)果

本文涉及的所有試驗(yàn)環(huán)節(jié)均按土力學(xué)試驗(yàn)方法，據(jù)規(guī)范進(jìn)行[4-7]。

2.1? 基本物理性質(zhì)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用烘干法測(cè)定土樣天然含水量，環(huán)刀法測(cè)定土樣天然密度，比重瓶法測(cè)定土粒比重，并計(jì)算孔隙比及干密度。

按上述方法測(cè)得3組土樣基本物理參數(shù)（表1）。3組土樣含水率相差不大，屬稍濕-濕土;土樣WJG-2的密度、干密度相對(duì)較高，土樣WJG-3次之，土樣WJG-1最小;土樣WJG-1、WJG-2、WJG-3的孔隙比相差不大，相對(duì)較小，為0.30

2.2? 顆粒分析試驗(yàn)

本試驗(yàn)通過(guò)篩分法來(lái)測(cè)定分析土樣的顆粒級(jí)配情況（表2）。

如圖4所示，土樣WJG-1、WJG-2、WJG-3的粒徑分布曲線總體上較平緩，表明顆粒不均，粒徑變化范圍較大。從粒徑分布曲線可知，土樣粒徑在0.1～0.25的土粒較少，土樣WJG-3中還含有一定量的粗顆粒物質(zhì)。

2.3? 液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用風(fēng)干土樣，使用南京土壤儀器廠GYS-2型數(shù)顯式土壤液塑限測(cè)定儀測(cè)定土樣的液限、塑限，并用圖解法確定液限和塑限后計(jì)算液、塑性指數(shù)（表3）。據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到土樣WJG-1塑性指數(shù)Lp>17，屬黏土;土樣WJG-2、WJG-3的塑性指數(shù)，為10

2.4? 壓縮試驗(yàn)

采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG型單杠桿固結(jié)儀（三聯(lián)高壓）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)壓縮試驗(yàn)，取得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算（表4）。據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到3組土樣的壓縮系數(shù)，為0.1

2.5? 直剪試驗(yàn)

采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行快剪試驗(yàn)（不排水剪）測(cè)定土樣的剪切性能，作用于試驗(yàn)土樣上的垂直應(yīng)力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

土樣WJG-1研究剖面揭露斷層處分布最廣的褐紅色黏土的抗剪性能，土樣WJG-2是研究青灰色粉質(zhì)黏土的抗剪性能，土樣WJG-3是研究褐紅色黏土與青灰色粉質(zhì)黏土界面的抗剪性能。由于青灰色粉質(zhì)黏土以薄層形式分布于斷層面處，取樣時(shí)很難控制，故實(shí)際取樣是土樣WJG-2、土樣WJG-3中還可能包含有一定量斷層上盤(pán)出露的黃褐色密實(shí)粉土-粉砂，實(shí)際剪切面發(fā)生在界面附近范圍內(nèi)。

3組直剪試驗(yàn)得到剪切應(yīng)力-剪切位移曲線（圖 5），其中土樣WJG-2、WJG-3的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線較類(lèi)似，加載初期斜率較大，剪切應(yīng)力增速較快，而剪切位移增速相對(duì)較慢，隨著剪切位移的增大，到剪切應(yīng)力峰值后剪切應(yīng)力具明顯下降趨勢(shì)，并具明顯峰值。而土樣WJG-1的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線，到剪切應(yīng)力峰值后剪切應(yīng)力也具下降趨勢(shì)，但下降速率較土樣WJG-2、WJG-3慢，峰值不明顯。

如圖6所示，土樣WJG-1在直接快剪試驗(yàn)下的黏聚力C=21.99 kPa，內(nèi)摩擦角φ=8°35′12″;土樣WJG-2在直接快剪試驗(yàn)下的黏聚力C=19.1 kPa，內(nèi)摩擦角φ=10°28′12″;土樣WJG-3在直接快剪試驗(yàn)下的黏聚力C=31.045 kPa，內(nèi)摩擦角φ=13°31′22″。

從直接剪切試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，取自褐紅色黏土的土樣WJG-1的剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系基本遵循土的剪切規(guī)律，即法向壓應(yīng)力越大，剪切強(qiáng)度越大，且有較小峰值出現(xiàn)，顯示出一般正常壓密土或軟黏土的性質(zhì)。當(dāng)剪損區(qū)位于更靠近斷層面處的褐紅色黏土與青灰色粉質(zhì)黏土的界面及青灰色粉質(zhì)黏土?xí)r剪應(yīng)力則具明顯峰值，且C、φ值相對(duì)較高。黏性土中只有堅(jiān)硬的、超壓密的黏性土的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線常呈較大峰值，推測(cè)斷層面處以條帶形式分布的青灰色粉質(zhì)黏土，受到斷層運(yùn)動(dòng)的重塑，應(yīng)與土樣WJG-2、WJG-3中包含有黃褐色粉土-粉砂有關(guān)（表5）[8-10]。

3? 結(jié)論

（1） 王家溝斷裂斷層面處黏性土地層含水率相差不大，屬稍濕-濕土，較密實(shí)。

（2） 王家溝斷裂斷層面處黏性土粒徑分布曲線總體上較平緩，表明顆粒不均勻，粒徑變化較大。

（3） 據(jù)液、塑限指數(shù)，王家溝斷裂斷層面處青灰色黏性土應(yīng)為粉質(zhì)黏土，斷層下盤(pán)出露的褐紅色黏性土應(yīng)為黏土，并處于可塑狀態(tài)。

（4） 據(jù)壓縮系數(shù)、壓縮模量，王家溝斷裂斷層面處黏性土為中壓縮性。

（5） 王家溝斷裂斷層面處黏性土的抗剪力學(xué)性能指標(biāo)與斷層運(yùn)動(dòng)及斷層物質(zhì)組成有關(guān)，即：斷層運(yùn)動(dòng)一定程度對(duì)斷層物質(zhì)進(jìn)行了重塑，當(dāng)其中包含有青灰色粉質(zhì)黏土、黃褐色粉土-粉砂時(shí)，剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線有明顯的中間較大峰值。

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Experimental study of Physico-mechanical Properties of Cohesive Soil at Fault Plane in Wangjiagou Fault Zone，Urumqi

Meng He1，Shang Yanjun1，2，Cao Xiaohong1，Zhao Xiaocheng3

（1.Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi，Xinjiang，830023，China;2.Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100029，China;3.） Earthquake Adminsstration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi，Xinjiang，830011，China）

Abstract：The Wangjiagou fault in Urumqi is a fault group composed of four Holocene active faults. The fault disrupted the Mesopleistocene gravel platform and the Ⅲ terrace on the east bank of Wangjiagou， and its landform is very clear.The material at the fault plane is the weakest part of the geological material that constitutes the fault.In this project， the physical and mechanical properties of cohesive soil at fault plane in Wangjiagou fault zone are studied by using conventional indoor geotechnical test methods.The experimental results of basic physical properties show that：①The soil samples on the fault plane belong to slightly wet-wet soil， which is relatively dense.②On the whole， the soil particles are not uniform and the range of particle size varies greatly.③The soil samples on the fault plane should be silty clay-clay， plasticity and medium compressibility.The direct shear test results show that：The shear mechanical properties of soil samples at fault plane are related to the influence of fault movement and material composition.

Key words：Wangjiagou fault zone;Fault plane;Cohesive soil;Physical and mechanical properties test