隐伏正断层错动致地表破裂变形特征的研究

通过建立三维计算模型,对隐伏正断层在均匀错动、倾斜错动和翘倾错动方式下地表土体的应力路径、破裂和变形特征进行了研究。根据地表破裂临界值,分析了工程建设“避让带”的宽度和起始位置的变化特征。根据行业规范,提出工程建设“关注带”的确定方法,分析了“关注带”的宽度和起始位置的变化特征,得到以下主要结论:①在断层错动过程中,位于两侧的地表土体应力路径变化明显不同,下盘一侧和上盘一侧分别以三轴拉伸和三轴压缩为主;②地表强变形带与地表破裂带的分布并不一致,需要综合考虑等效塑性应变和总位移比2个指标来评价同震地表错动对建筑物的影响;③当隐伏断层错动的垂直位移达到3m时,工程建设“避让带”的宽度在10—90m范围内变化,受上覆土体厚度和断层倾角的影响最大,而工程建设“关注带”的宽度在150—400m范围内变化,受上覆土体的性质影响最大。     

断层错动引起的上覆土体破裂演化规律研究

断层引起的地面永久大变形是工程特别是生命线工程地震破坏的重要原因之一, 而研究断层错动下上覆土体变形和破裂的发展演化规律, 则是预测地面永久变形状态和分析断层危害性的基础． 本文采用有限元方法对垂直断层错动引起的上覆土体破裂演化规律进行了研究, 建立了垂直断层作用下上覆土体模拟的有限元模型, 对断层错动作用下上覆土体的破裂发展过程进行了模拟分析, 并分析了加载速率、 土体特性及断层倾角等参数对上覆土体的破裂演化发展过程的影响． 结果表明: ① 断层倾角越陡, 地表出现破裂时需要增加的垂直位移越大; ② 由于惯性力的影响, 断层加载速率对地表破裂所需施加位移和土层破裂角产生一定的影响; ③ 断层类型对土层地表破裂角与膨胀角、 摩擦角之间的关系有很大影响． 该分析结果可为新建工程的抗震设计和已建工程结构的抗震加固等工作提供依据．      

地裂缝破裂扩展的大型物理模拟试验研究

通过大型物理模拟试验,研究了具有正断层性质的隐伏地裂缝破裂扩展时,下伏断层位错引起上覆土体中的应力场和位移场等的变化规律,以及隐伏地裂缝向上破裂扩展模式和平、剖面结构特征,并对裂缝的破裂过程进行了分析;将模拟试验结果与西安地裂缝的破裂扩展模式及建筑物的破坏模式进行对比分析发现,模拟试验结果与西安地裂缝剖面结构不一致,但与地裂缝带上建筑物的破裂形式相一致,这证明了西安地裂缝的形成年代较为久远,是一种早就存在的接近地表的构造破裂面,过量开采地下水则使其重新开启而形成地表裂缝.大型物理模拟试验取得的重要成果对于揭示西安地裂缝的成因机理具有重要的指导意义.     

基于FLAC3D数值模拟的清徐地裂缝与交城断裂成因关系研究

基于断裂力学理论,应用FLAC3D数值模拟方法对交城断裂活动时附近土体的变形特征进行模拟计算。计算结果表明:断层活动带动上覆土层差异沉降及应力场变化,当断层错动量达到一定程度,断层附近出现拉应力区,土体在拉张应力和自身重力作用下产生垂直差异形变,从而产生地裂缝。将数值模拟结果与方山探槽揭示的地裂缝剖面特征进行对比,二者结果相互印证,说明清徐地裂缝是交城断裂活动的结果,二者具有明显的对应关系,地裂缝为构造成因裂缝。数值模拟结果为研究断裂和地裂缝成因关系提供了佐证。     

断层错动下盾构隧道抗震措施研究

采用混凝土塑性损伤本构模拟盾构管片,建立三维有限元壳-弹簧模型,开展了在45°断层错动下盾构隧道结构响应的静力弹塑性分析。研究表明,在正断层和逆断层错动下,衬砌受压损伤最大值均分布在拱顶处,衬砌受拉损伤最大值均分布在拱腰处;正断层错动下,环间螺栓易发生受拉破坏;逆断层错动下,混凝土管片易发生拉压损伤破坏。替换断层附近土体为软土的同时提高螺栓强度等级,可有效抵御较大的断层错动位移。研究对断层错动下盾构隧道的抗震措施具有一定参考价值。     

隐伏地裂缝扩展引起分缝式隧道衬砌结构力学性状研究

隐伏地裂缝活动引起的地面与地下建筑物破坏问题较为突出。基于隐伏地裂缝地层中黄土结构损伤问题,将黄土结构损伤研究与数值分析方法结合,分析隐伏地裂缝活动引起的上覆地层渐进性破坏发展规律,研究隐伏地裂缝扩展引起的分缝式隧道衬砌结构力学性状。结果表明:隐伏地裂缝扩展过程中,地裂缝区域隧道衬砌结构错位位移远小于地裂缝自由场地地层错位位移。隐伏地裂缝从隧道仰拱底部扩展至地表过程,下盘第一节衬砌结构受拉破坏尤为突出。隐伏地裂缝引起分缝式衬砌结构受拉破坏是地裂缝区域隧道衬砌设计的关键问题之一,地裂缝处上盘与下盘第一节衬砌结构增加端部厚度与配筋率,需满足衬砌结构抗拉强度。     

华北平原强震构造带与潜在震源区划分

在莫尔-库仑理论中引用Drucker-Prager准则,对于基岩断层及其上的覆盖土体建立相应的弹塑性模型,观察在不同力学条件下（张应力、压应力、剪应力）,以及在基岩断层分别为正断或逆断作用下,上覆粉砂质土体和粘土质土体的错动变形。结果表明：在张应力作用下,粘土比砂土更易变形;在压应力作用下,砂土更易变形;而在剪应力作用下,粘土比砂土更易变形,且粘土抗剪强度越大,变形越大。在正断层作用下,在粉砂土与粘性土中所发生的变形并没有大的不同,而在逆断层载荷作用下,粉砂质土体比粘土质土体更容易变形位错。     

于田2008年和2014年两次MS7.3地震孕育的应力环境

2008年3月21日新疆于田发生M_S7.3级地震,2014年2月12日于田再次发生M_S7.3级地震,两次地震相距约110 km.但是,前者震源机制为正断层,后者震源机制为左旋走滑断层.为进一步探讨这两次地震的孕育应力环境、发震机制及其动力学成因,本文进行三维有限元数值试验分析,计算了该区域在GPS约束条件下的速度场、应力和应变场变化,并与实际观测资料进行对比.数值计算得到的区域内几条主要大的走滑断层错动性质,与实际地质观察到的断层左旋或右旋性质吻合,验证了计算结果的可靠性.结果表明于田及其临近区域整体上处于北东-南西向挤压和北西-南东向拉张状态.在GPS速度约束条件下,2008年于田地震震中区域最大主张应变率大于最大主压应变率,处于以拉张为主的应力状态,NE走向断层受到北东-南西方向的拉应力作用,从而形成正断层;2014年于田地震处于拉张应变率与压应变率几乎一致的区域,NEE走向断层在NE-SW主压应力和NW-SE主张应力作用下发生左旋走滑.     

隐伏活断层未来地表破裂带宽度与位错量初步研究

采用Okada(1992 )有关地震断层地表位移的计算方法和程序 ,依据《建筑抗震设计规范》(GB 5 0 0 11- 2 0 0 1) ,推导了隐伏活断层突然错动产生地表破裂带的临界值 ,即在相隔 5m的水平上 ,位移差超过 0 1m。初步讨论了隐伏活断层地表破裂带随埋深、倾角、断裂力学性质和断面位错量的变化特点。结果表明 :对于隐伏正断层 ,地表破裂带宽度随覆盖层埋深的增加表现出非线性特点 ,具有从小到大 ,再变小的特点 ;地表破裂带位错量峰值随埋深线性递减。在其他参数不变的情况下 ,隐伏正断层倾角越小 ,地表破裂带越偏向下盘 ,并且 ,地表破裂带的宽度也变小。与隐伏正断层相比 ,隐伏走滑断层地表位移差随埋深衰减更快。随着隐伏活断层断面上位错量的增加 ,地表破裂带宽度会显著变宽 ,位错量也随之增大。这些认识和计算结果为城市规划、各种生命线工程和建 (构 )筑物的跨断层设防 ,提供了可以参考的依据     

地裂缝环境下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的研究

以穿越地裂缝带的西安地铁2号线为研究背景,通过数值模拟对地裂缝作用下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的机理进行了研究。研究结果表明：随着上、下盘位错量的增加,地裂缝处受影响的土体范围逐渐增大,土体的竖向位移也逐渐变大;上盘下降过程中,下盘隧道顶部沉降变形最大,上盘隧道顶部沉降变形最小;隧道的变形区域出现在预设地裂缝两侧,并且随着竖向位错的增大而增大,当错距d=100mm时,地裂缝处的隧道结构发生破坏。隧道的最大主应力位于结构出现裂缝和受剪切破坏的区域,随着位错量的增加,隧道的最大主应力变化剧烈。地裂缝处,隧道结构上部靠下盘区域受拉,靠上盘区域受压,隧道结构下部靠下盘区域受压,靠上盘区域受拉。在实际工程中,地铁隧道穿越地裂缝时,宜采用分段式隧道结构。     

Influence factors on the ground surface rupture zone induced by buried normal fault dislocation*

The seismic disaster presents a zonal distribution along the fault strike. In this paper, rupture zone of ground surface soil caused by the uniform dislocation, inclined dislocation and warped dislocation of buried normal fault are studied by constituting a three-dimensional finite element model in Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis (ADINA). According to the critical value of surface rupture, the variational features and influencing factors of width and starting position of the “avoiding zone” in engineering construction are analyzed by using 96 model calculations. The main results are as follows: (1) Since the rupture zone of the ground surface soil from the point of mechanics is different from the “avoidance zone” from the point of engineering safety, the equivalent plastic strain and the total displacement ratio should be considered to evaluate the effect of the seismic ground movement on buildings. (2) During fault dislocation, plastic failure firstly occurred on the ground surface soil of the footwall side, and then the larger deformation gradually moved to the side of the hanging wall of the fault with the increase of fault displacement. (3) When the vertical displacement of buried fault reaches 3 m, the width of “avoiding zone” in engineering construction varies within the range of 10–90 m, which is most affected by the thickness of overlying soil and the dip angle of the fault.     

Dynamic effects of surface fault rupture interaction with structures

Surface fault rupture has caused significant damage to structures in several earthquakes. The propagation of the bedrock fault rupture through the overlying soil deposit has been studied by several researchers; however, the effects of fault rupture dynamics, as opposed to pseudostatic fault movement, have not yet been evaluated. There is the potential for dynamic effects to influence significantly structural damage due to the rapid rate of deformation imposed by surface fault rupture. Numerical simulations are performed to analyze the effects of the rate of fault rupture on dip-slip surface fault rupture for free-field and soil-structure interaction conditions. The numerical results indicate that in some limited scenarios, fault rupture dynamics can influence the amount of structural damage expected for a structure located near a fault. However, in most scenarios, fault rupture dynamics is expected to play a secondary role compared to fault, soil, and structural characteristics in evaluating building performance.     

青海玉树地震(M_s=7.1)产生超剪切破裂过程的动力学机制研究

由于2010年玉树地震(Ms=7.1)产生了超剪切地震破裂,所以地震灾害特别严重.国内外地球科学家对该地震产生超剪切破裂过程的物理机制一直非常关注,但至今没有给出满意的解答.为此,文中根据玉树地震发震断层的实际几何构建有限单元数值模型,模型中的断层由2个断层段构成,它们之间有约10°的夹角,形成断层拐折.模拟结果表明,玉树地震的破裂由2个子事件组成;当破裂在震源所在的断层上成核后,先在第一个断层段上传播,其速度为亚剪切波速度;当破裂一旦越过断层拐折,在第二个断层段上传播时,破裂速度就立即转变为超剪切波速度.计算结果显示,当断层发生超剪切破裂时,断层上的位错幅度、破裂产生的地震波速度及加速度都会显著增大,从而造成地震灾害大大增加,这很可能是玉树地震的震害特别严重的重要原因.从模拟实验中还看到,若是模型中的断层没有发生拐折,在模型的其他参数都保持不变的情况下,破裂速度不会发生变化.但是,若初始应力场的方位与断层之间的夹角发生变化,这时断裂系统中尽管存在断层拐折,也不是一定能产生超剪切破裂.只有当初始应力方位与断层之间的夹角以及断层走向变化的偏角二者之间的关系恰到好处时,断层拐折才有可能促使断层破裂由亚剪切转化为超剪切破裂.所以,玉树地震之所以能产生超剪切地震破裂,恰恰是发震断层几何与初始应力场方位之间的关系达到某种"最佳状态"的结果.这也可能是天然地震中超剪切破裂事件稀少的原因之一.因此,研究超剪切地震破裂过程的动力学机制,对于深入研究地震震源过程、地震灾害评估等有着非常重要的科学意义.     

覆盖土层场地地震断裂反应分析方法

基于有限元和拟静力的根本原理，提出了一种基于断层位错的覆盖土层场地地震断裂反应弹塑性有限元分析方法，计算中考虑了土层厚度、断层种类和倾角、软弱夹层以及土的非线性等因素，通过编制的程序计算了地表断裂位移，模拟了土层的破裂过程。     

2016年阿克陶MS 6.7地震地表破裂特征和帕米尔现代构造应力场初步分析

帕米尔高原位于地中海－喜马拉雅地震带上,晚新生代以来随着印度板块向欧亚板块持续不断地挤压汇聚,其构造运动是欧亚大陆最强烈的地区。高原腹地发育一系列近SN向正断层,包括近SN向的塔什库尔干正断层所处的帕米尔中部现代区域的构造应力场以EW向水平拉张为主。2016年11月25日发生的阿克陶M_S 6.7级地震的发震构造为塔什库尔干断层分支的NWW向木吉盆地北缘断层,其具有右旋走滑兼正断性质。地震在震中附近产生同震地表形变带,全长约1km,呈近SN－NNE向水平拉伸,发育近EW—NWW向的张裂缝,为地震破裂的产物,张裂缝的最大水平拉伸位移量和最大垂直位移量分别为46cm和16cm。地表破裂带中的NE和NW向张剪裂缝只是连接贯通这些雁列的张裂缝,其水平相对位移量取决于张裂缝的水平拉伸量和张裂缝之间的几何关系。地表形变带表现的拉张性质与帕米尔高原腹地区域现代应力场最大主压应力为垂直向基本一致,可能与深部热物质上涌造成的上地壳拉伸有关。而地表形变带呈近SN向水平拉张,与区域近EW向拉张应力场之间存在显著差异,这可能是木吉盆地北缘右旋走滑正断层阶区局部应力场调整的结果。     

On the Effects of Non-planar Geometry for Blind Thrust Faults on Strong Ground Motion

— We quantify the effects of complex fault geometry on low-frequency (<1 Hz) strong ground motion using numerical modeling of dynamic rupture. Our tests include the computation of synthetic seismograms for several simple rupture scenarios with planar and curved fault approximations of the 1994 Northridge earthquake. We use the boundary integral equation method (BIEM) to compute the dynamic rupture process, which includes the normal stress effects along the curved fault geometries. The wave propagation and computation of synthetic seismograms are modeled using a fourth-order finite-difference method (FDM). The near-field ground motion is significantly affected by the acceleration, deceleration and arrest of rupture due to the curvature of the faults, as well as the variation in directivity of the rupture. For example, a 6-km-long hanging-wall or footwall splay with a maximum offset of 1 km can change 1-Hz peak velocities by up to a factor of 2-3 near the fault. Our tests suggest that the differences in waveform are larger on the hanging wall compared to those on the footwall, although the differences in amplitude are larger in the forward rupture direction (footwall). The results imply that kinematic ground motion estimates may be biased by the omission of dynamic rupture effects and even relatively gentle variation in fault geometry, and even for long-period waves.     

Response analysis of buried pipelines crossing fault due to overlying soil rupture

A 3-D soil-pipe nonlinear finite element model with contact element is suggested and the influences of the rupture mode, thickness and rigidity of overlying soil on the response of buried pipeline are analyzed. The numerical results show that the soil rupture mode determines the location of the large deformation or failure of the pipeline, and the plastic deformation of the pipeline occurs at the zone where the plastic deformation or rupture of the overlying soil appears. When the fault dip angle on bedrock...