不同覆蓋層土性下逆斷層場地破裂模型試驗分析

張建毅，白孜姍，許志杰，屈世航，田 靜

（1.防災科技學院，河北 三河 065201；2.中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室，河北 三河 065201）

0 引言

大量震害表明，活動斷層的突發性錯動是產生地震的主要根源［1-2］，且活動斷層沿線附近的建筑物破壞與人員傷亡最為嚴重［3］。然而，目前的抗震設防措施還難以阻止其錯動對附近建筑物及生命線工程造成的破壞［4］。文獻資料表明［5］，已有研究主要關注地震動對結構的影響及各類次生地質災害的產生機理，在斷層錯動導致的地表永久變形破裂方面的研究略顯不足。

目前對發震斷裂場地破壞機理的研究主要是通過現場震害資料統計、模型試驗和數值模擬等3種方法，模型試驗和數值模擬的理論均是建立在現場震害資料統計分析的基礎上［6-7］?，F場震害表明［8］：跨斷層的建筑物破壞最為嚴重，越靠近跡線建筑物破壞越嚴重，上盤效應明顯；鋼筋混凝土框架結構的抗地表斷裂能力比其他房屋結構類型好；總層數少的建筑物比多層建筑物相對破壞較輕。

由于現場震害資料有限［6］，研究手段和研究經費等因素的制約，使得強震地表破裂效應在破壞過程及地表影響范圍的定量化分析方面還缺乏說服力強、還原度高且直觀有效的地震現場實例［9］。因此，模擬發震斷裂或基巖位錯的模型試驗分析及其裝置受到關注［10］。

近年來，雖然緊鄰發震斷層的建筑物破壞機理分析和大型平臺物理模型試驗的相關資料日益豐富［11-12］，但在特殊情形下，因對地下條件探究不明，跨斷層框架結構也一直面臨更復雜的強震地表破裂風險，這需要設計多工況參數的大尺寸常重力模型箱體試驗對近斷層的建筑物斷裂機理進一步研究，提出合理的抗斷裂措施及避讓距離。

1 試驗方案設計

1.1 模型試驗系統

在前人［13-14］模型試驗基礎上，本文自行設計了常重力大尺寸強震覆蓋層土體破裂模型箱體及其模擬基巖錯動加載設備系統，與監測傳感器、數據采集系統共同組成了大尺寸強震覆蓋層土體破裂模型試驗平臺，如圖1所示。模型箱體裝置主要由大尺寸土體箱、連接裝置、角度調整支座、作動器、底座等組成。試驗箱體長4.96m、寬1.85m、高1.4m，箱體前后面安裝厚0.025m的高強有機透明玻璃，并在外側設有3條豎向剛肋，箱體側面為0.015m厚的高強度鋼板，且在下側焊“X”型鋼斜撐。箱體底部由雙層鋼板內夾“井”字鋼梁結構的兩塊絕對剛度的活動鋼板組成，用于模擬覆蓋層土體下面基巖的上、下兩盤錯動，并在上、下盤活動鋼板連接處及周圍連接處安裝高強尼龍布防止土顆粒丟漏。

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

1.2 相似關系設計

相似理論是模型試驗相似的基礎，其主要由相似正定理、π定律、相似逆定律3個相似定理組成。本次試驗模型箱體的土層厚度為1m，模擬真實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的相似性，土體及建筑物模型相似常數設計如下（表1）。

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

1.3 土樣制備與框架結構設計

本文結合前人［15］統計的緊鄰發震斷裂原型場地的工程地質概況和框架結構的原型資料，進行了土樣制備和框架結構設計。

（1）箱體內覆蓋層土樣制備工作（圖2）：天然黏性土用2mm網篩雜物制得黏性土土樣，標準砂作為砂土土樣。砂土土樣的不均勻系數Cu為2，黏性土的不均勻系數Cu為28；黏性土的黏聚力為10kPa，內摩擦角為20°，砂土的內摩擦角為30°。為控制土箱內每層土樣的相對密實度、均勻性，經過前期多次嘗試，采用分層夯實原則，每150mm 的天然土平鋪夯實至有機玻璃板100mm相對刻線處，即“定量采用、分層夯實、界面補平、多缺少補”的原則來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）鋼框架建筑結構模型（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，每層樓板采用邊長為300mm正方形鋼板、厚1.5mm。柱下獨立基礎的長、寬、高分別為200mm、200mm、30mm，以單軸抗壓強度為主要相似物理量，采用正交實驗確定獨立基礎水泥、石膏、砂和水的比例關系為3∶12∶30∶12，抗壓強度為3.75MPa。選用材料如下：輕質石膏粉、425硅酸鹽水泥、粒徑0.5～1mm石英砂。

1.4 試驗儀器布置

根據之前［16-17］試驗的覆蓋層土體剖面破裂跡線及結論，土體破裂呈“V”字型展布。因此，土壓力計、加速度計見圖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土壓力計，在基巖上、下盤底板各布置一個加速度計。對于圖中預測的“V”字型破裂帶，“V”字型的“＼”方向指箱體左側（即西側）遠離主破裂帶一定距離的上盤位置，“／”方向指箱體右側（即東側）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 試驗方案設計及加載方式

大量現場震害資料數據統計得到，逆斷層傾角一般集中在30°～60°。因此，針對黏性土、砂土的覆蓋層地基場地及其同工況下框架結構場地，基于強震覆蓋層土體破裂模型試驗平臺進行了斷層傾角45°的物理模型試驗。試驗編號及其參數見表2。

表2 模型試驗編號及其參數表Tab.2 Number of model tests and their parameter s

試驗總體步驟可概括為：按照工況要求及其試驗方案，裝土分層夯實，在相應位置放置土壓力計和加速度傳感器等，夯至土體覆蓋層表面安裝頂桿位移計；傳感器布置好后，在試驗箱體的正前方以及正上方架設攝像設備，并將采集軟件內所有數據初始值清零；然后，控制作動器以設定速率2mm／s頂升，每個試驗共分10次加載，每次加載1cm即為一個工況。

2 試驗結果分析

針對逆斷層自由場地及其典型框架結構場地，從地表破裂形態、高精度頂桿監測的地表變形量、微型土壓力計測量的土壓、土體和結構的高動態加速度等方面進行對比分析，揭示典型框架結構在逆斷層場地的震害和破壞機理，結構的避讓及抗斷裂能力等。

每次試驗，基巖位錯加載共進行10次工況。經分析，位錯較小時，破裂特征及土壓力等變化范圍不明顯；位錯較大時，破裂特征及土壓力等變化幅值較一致，因此，每次試驗均選取了工況2（出現破裂）、工況7（貫通破裂）進行對比分析。

2.1 逆斷層黏性土覆蓋層場地及其同工況框架結構試驗對比分析

2.1.1 覆蓋層土體破裂形態分析

對比試驗①③相同的加載工況，從圖5看出兩次試驗的東側淺層地表均出現了隆起現象。試驗③由于受上部建筑物的影響，其地表裂縫向東“遷移”；隨著相同基巖位錯的增大，試驗③的地表破裂跡線明顯比試驗①的更嚴重，這也可以從對應的俯視圖中得到驗證。

圖5 試驗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，隨基巖位錯加載到70mm，試驗①③場地均在主破裂帶“／”方向產生了明顯的地表不均勻變形，試驗①場地地表不均勻變形帶傾斜度約為2.3°，試驗③場地不均勻變形帶傾斜度約為2.48°。試驗①的地表土體變形“均勻平臺段”也明顯高于試驗③相同位置處，即上盤效應顯著。

圖6 試驗①和③地表變形對比圖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，隨基巖加載位錯增加，從基巖主動盤（西側）看，覆蓋層300mm 高度處，試驗③條件下土壓力略有增大，其它位置處試驗①③的土壓力均無明顯變化；從被動盤（東側）看，試驗①場地覆蓋層各個高度處土壓力幾乎無變化，試驗③土層內部550mm高度處土壓力值大，變化也明顯。

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

2.2 逆斷層砂土覆蓋層場地及其同工況框架結構試驗對比分析

2.2.1 覆蓋層土體破裂形態分析

對比試驗②④相同的加載工況，從圖8看出，隨基巖位錯增大，兩次試驗均在沿著斷層傾角右上方土體淺表層出現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域凹陷。隨基巖位錯量的增大，相比于試驗④來說，試驗②場地的地表破裂帶更明顯。這也從對應的俯視圖中得到印證。

圖8 試驗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，基巖位錯加載到70mm，地表主破裂帶即“／”方向，試驗④場地不均勻變形帶傾斜度約為3.03°，試驗②場地傾斜度約為2.69°；在遠離主破裂帶的“＼”方向，試驗②塌陷范圍更明顯，且其地表土體變形“均勻平臺段”也明顯高于試驗④相同位置處。

圖9 試驗②和④地表變形對比圖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，隨基巖位錯量增大，在主動盤（西側），試驗②場地土體內部（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④場地土體內部土壓力均有變化；在被動盤（東側），試驗②④場地土壓力在接近基巖位置處明顯變化。

圖10 試驗②和④覆蓋層內土壓力圖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，隨基巖位錯量增大，在“＼”方向（西側），試驗④場地覆蓋層的Amax比其同工況下自由場地變化更明顯，尤其是接近土層表面。在“／”方向（東側），覆蓋土層中部以下，試驗②場地的Amax比其框架結構場地略大，而在覆蓋層的頂面，試驗④場地的Amax比其自由場地大得多。

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

3 結論

（1）低傾角逆斷層框架結構黏性土覆蓋層場地幾乎沒改變其發震斷裂對自由場地土體破裂的傳播規律，即仍沿著基巖上、下盤交界處，大約在斷層傾角線處，出現明顯的破裂，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。結合宏觀土體破裂形態分析、地表不均勻變形、土壓力變化等，含框架結構的黏性土覆蓋層場地在地表主破裂帶處破裂更嚴重，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構砂土覆蓋層場地幾乎沒改變其發震斷裂對自由場地土體破裂的傳播規律，即沿斷層傾角位置的土體淺表層出現主破裂帶，向下盤擠壓，并在主破裂帶上盤土體淺表層一定區域出現凹陷（“＼”方向凹陷和“／”方向不均勻變形）。結合宏觀土體破裂形態分析、地表不均勻變形、土壓力變化等，含框架結構的砂土覆蓋層場地既在地表主破裂帶處破裂更嚴重，也在主破裂帶上盤一定距離凹陷嚴重，原因是這兩處覆蓋層土壓力改變大。同時，含框架結構的覆蓋層場地在剪切破裂帶區域峰值加速度變化大，對其上建筑物更不利。

此外，無論在黏性土、砂土覆蓋層的含框架結構場地，受建筑物影響，地表主破裂帶均出現一定的“遷移”；不同土性的逆斷層基巖錯動場地及其上有建筑物場地的震害試驗表明，上盤的建筑物上盤效應比較復雜，在地基不均勻變形及塑性顯著區，建筑物的底層破壞更明顯。因此，對于重要建（構）筑物可采取一定合理的避讓距離；而一般的建（構）筑物需要進行抗斷裂能力及措施設計。