穿越逆冲断层的埋地管道非线性反应分析

穿越逆冲断层的埋地管道在地震作用下,容易发生局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,研究逆冲断层作用下的埋地管道地震反应规律,对管道抗震设计及施工等具有重要的意义。本文将埋地管线及周围土体从半无限地球介质中取出,分别以空间薄壳单元和实体单元进行离散,采用非线性接触力学方法模拟管、土之间的滑移、分离及闭合现象;采用线性位移加载模拟断层的错动,考虑了系统初始应力状态的影响,对土体未开裂前的管土相互作用系统进行了拟静力数值分析;分析了位错量、土体刚度、埋设深度、径厚比及跨越角度对埋地管道反应的影响,得出了一些有益的结论。     

逆冲断层应力场的数值模拟

采用二维显式有限差分法与三维隐式有限单元法,分别计算了模型剖面上断层逆冲运动和三维断层逆冲运动伴随的断层邻域应力场。结果表明：（１）逆冲断层上盘下端部发育张应力场,下盘下端部发育压应力场;（２）对复杂的三维构造,在一定限定条件下,可以转化成二维问题进行计算;（３）显式差分法与隐式有限单元,都能较好地用接触模型模拟活动断层的应力场特征     

逆冲断层破裂规律的相似模拟试验与数值模拟

为了深入揭示逆冲断层在沉积层中的破裂规律,采用相似材料模拟试验和数值模拟相结合的方法,利用投影条纹法测量模型表面位移,利用ANSYS软件模拟了不同的基岩断层倾角θ和沉积层厚度δ条件下逆冲断层在沉积层中的破裂演化过程。相似试验和数值模拟结果表明:(1)基岩中逆断层的活动沿着逆断层倾角θ向沉积层内扩展,且基岩上盘破坏较下盘剧烈,断层间以挤压作用为主,θ和δ是影响逆断层破裂扩展的重要因素;(2)θ在一定范围内,且在相同沉积层厚度δ和外载条件下,θ增加使逆断层逐渐发育至沉积层表面,并在表面形成:宽度逐渐减小的变形带,宽度逐渐增大的等效应力带,表现为离面位移逐渐增大,沉积层的变形破坏更剧烈;(3)δ在一定范围内,且在相同θ和外载条件下,δ增加使沉积层的变形位移在垂向上降低并转为横向传递,且横向影响范围逐渐增大,逆冲断层破裂存在三种扩展形式。数值模拟结果与相似试验结果具有较好的一致性,研究结果为确定逆冲断层发震产生的变形和破坏提供了基本依据。     

柴达木盆地东部中新生代两期逆冲断层作用的FT定年

柴达木盆地东部都兰一带,由于一系列北东倾的、向南西推覆的逆冲断层作用和温泉断裂的右行走滑作用,将柴达木盆地的变质基底和前中生界沉积基底翘起,从而使得柴达木盆地与共和盆地分隔开来. 逆冲断层中磷灰石裂变径迹（FT）测年结果反映了柴达木盆地基底断层作用的规律性. 从FT测年结果可以看出,FT年龄分为2组,也就是2个活动时期：第1期为108 Ma至61 Ma;第2期为26.6 Ma至17.8 Ma. 第1期反映的断裂活动具有明显的规律性：从柴达木盆地南缘的东昆仑开始,向柴北缘方向,逆冲推覆的断层作用时间逐渐变年轻,从东昆仑的108.0±9.6 Ma（柴达木南缘断裂）变为63.7±4.4 Ma（柴北缘断裂）,之后可能有小的跳动. 第2期,在原有的一些逆冲断层上形成了新的活动,或形成了一些新的逆冲断层,总体上具有无序或跳跃式变动的特点.     

阿尔金构造系晚更新世中晚期以来的逆冲活动

在阿尔金构造系中,阿尔金走滑断裂具有逆冲分量。文中将阿尔金构造系的逆冲活动分为西、中、东3段描述。西段从阿依耐克至车尔臣河河口,阿尔金南缘断裂具有逆冲活动迹象,在山前发育了规模较小的逆冲断层,有较新的地貌面被错动;中段从车尔臣河河口至拉配泉一带,在阿尔金山北缘发育大规模的逆冲断层,有较新的地貌面被错动;东段从拉配泉至宽滩山,逆冲断层有2种形式,此段阿尔金北缘断裂有逆冲分量,同时在阿尔金山北缘及山前冲洪积扇上发育逆冲断裂。自晚更新世中晚期以来,中段及东段逆冲速率<2mm/a。中段西部江尕拉萨依地区自16kaBP以来逆冲速率约为0.33mm/a,中部米兰桥一带自32kaBP以来的逆冲速率约为1.42mm/a。东段最大的逆冲速率在近中部的团结乡,自约5.31kaBP以来达到约1.81mm/a,向东西两端有减小的趋势,在西部柳城子自约72.36kaBP以来的逆冲速率为0.57mm/a,而东端的红柳沟自约8.99kaBP以来仅为0.05mm/a。团结乡地区约自19kaBP以来,逆冲活动有增强的趋势     

逆冲和消减地震的应力触发及圣安德烈斯南部及其邻区逆冲和走滑断层的相互作用

指出逆冲地震的触发、抑制和丛集的主要特性可以用库仑破裂应力变化来解释。解释中我们采用了一套代表模型及详细实例。虽然地表破裂的逆冲断层使得大部分周围地壳的应力降低，但逆冲盲断层的滑动却使得某些附近区域，特别是震源断层上方的应力增加。这样逆冲盲断层可以触发浅部次生断层的滑动，并产生广泛分布的余震。短逆冲破裂对于触发大小相差不多的邻近逆冲断层特别有效。我们的计算结果表明，在加利福尼亚中部连续的逆冲序列中，1983年Mw6．7级科林加地震使得1983年Mw6．0级努涅斯地震和1985年Mw6．0级凯特尔曼山地震破裂与库仑破裂应力分别接近了10bar和1bar。理想化的应力变化计算与伴随大逆冲事件的地震活动性分布一致，这与前人的研究结果是一致的。俯冲带破裂的计算结果促使了俯冲前缘隆起发生正断层事件，并有利于地震破裂带周围及其下倾延伸区发生逆断层事件。这些特性在1957年Mw9．1级阿留申地震和其他大逆冲地震是明显的。我们进一步研究了能得到详细滑动模型的1960年Mw9．5和1995年Mw8．1级智利地震引起的破裂面上的应力变化。计算的库仑破裂应力增加为2-20bar，与余震地点和震后滑动密切相对应，而应力降低10bar的地区余震缺失。我们也提出主走滑系统的滑动调制了附近逆冲和走滑断层的应力。我们计算得到圣安德烈斯断层上1857年Mw7．9级蒂洪堡地震以及后续震间滑动使得科林加断层接近破裂约1bar，但抑制了全部海岸山岭的逆冲断层。1857年的地震也促使于1952年发生Mw7．3级科恩县地震的怀特沃尔夫逆冲断层接近破裂约10bar，但抑制了自1857年以来从来没有破裂的左旋加洛克断层上的滑动。于是我们有充分理由认为，应力转移在很宽的时间和空间尺度上对逆冲断层的地震活动性有控制作用。     

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。     

对一储配站输气管道的抗震鉴定与震害预测

基于输气管道在以往地震中的地震灾害与抗震性能,对一储配站的输气管道进行了抗震鉴定和震害预测。首先说明地下管道的3种抗震鉴定方法以及震害预测方法:规范法、近似法和反应位移法。然后具体说明了3种方法在输气管道抗震性能鉴定的应用,以可靠性理论为基础,采用抗震鉴定的综合分析方法进一步得到输气管道的震害预测结果。     

汶川MS8.0地震逆冲滑动沿断层深度的分布特征及其数值模拟解释

汶川MS8.0地震逆冲滑动量沿断层深度的分布有明显的特点,可以分解成三个破裂的滑动量叠加：深度18 km附近的底部破裂滑动、深度11 km附近的中部破裂滑动和两个局部破裂以外的主体滑动。扣除局部破裂滑动量后,沿断层走向从映秀到南坝近200 km范围内,逆冲滑动量沿断层深度的分布形态是一致的。基于滑动反演几何模型的有限元模拟显示,汶川地震逆冲滑动分布的整体性特征可能源自于断层浅部构造及巴彦喀拉块体SE向挤压强度沿断层走向上的一致性。     

跨断层水泥管试验的有限元分析

在考虑管道的材料非线性和几何非线性、管土相互作用的非线性和管道接口非线性的基础上,建立了由管体梁单元、三向土弹簧单元和接口单元组成的埋地非连续管道在断层位移作用下的有限元模型,并以美国密歇根大学Junhee等(2010)所做的跨断层水泥管试验为原型进行了模拟分析。有限元结果给出的水泥管最终变形、接口转角、接口位移与实验结果基本一致,表明本文提出的跨断层埋地非连续管道抗震计算的有限元分析方法具有一定的合理性。有限元结果和试验结果都表明,在逆冲断层作用下,水泥管的破坏主要是因为在管道接口处的轴向压力和弯矩的耦合作用,在断层附近的管道接口承受了较大的转动和压缩位移。本文所提出的分析方法可推广到埋地非连续管道在其它永久地面变形作用下的有限元分析。     

跨越断层地下管线震害因素分析

地下管线抗震安全性问题是生命线地震工程的重要研究内容,大量震害表明地下管线,特别是跨越断层的地下管线具有极大的脆弱性。分析跨断层地下管线的震害影响因素,制定有效的工程措施对于提高实际地下管线的抗震性能具有重要意义。本文回顾了地下管线遭受震害的历史背景,主要从断层参数、地震及场地参数以及管道参数三个角度分析了影响跨越断层地下管线震害的因素。在这些震害因素分析以及前人工作总结的基础上,从宏观角度和具体措施两个方面,提出了一些跨断层地下管道抗震的措施。     

考虑土结相互作用的逆断层作用下埋地管道性能离心机试验

埋地管道地震作用下的破坏因素源于地震引起的永久地面变形(PGD),其中管道-土体间相互作用决定土体位移作用到管体的大小。利用离心机试验技术模拟埋地管道在逆断层大位移下的反应特性,重点讨论断层与管道的交角、断层位移大小、管土相互作用、管径和埋深五个参数对管道破坏的影响水平。实验结果表明:上述参数对管道断层作用的反应均有明显影响,其中断层的位移量、管土相互作用、埋深和管径的影响更为显著。本文的研究结果对于管道经过断层区的抗震设计有十分重要的意义。     

中缅油气管道跨断裂地震变形的GNSS观测

中缅油气管道工程是我国重要的能源战略项目,该工程沿线地质背景复杂、破坏性地震多发,尤其是在云南境内跨越的3条大断裂曾发生过7级以上大震,有再次发生破坏性地震的可能性,对管道安全有潜在威胁。中缅油气管道地震观测项目通过在管道与3条断裂交汇处布设3组GNSS观测点,观测地震可能引起的断层位错,进而估计管道可能的变形影响。基于观测数据,分析影响观测的因素及断层位错的观测误差。管道变形承受能力对比结果表明,GNSS跨断裂变形观测系统能够有效观测断裂的位错,进而估计其对管道产生的影响。     

基于蒙特卡罗法的城市燃气管网抗震连通可靠性分析

在对燃气管道进行地震反应判别的基础上,计算管道的抗震可靠度,并结合图论将城市燃气管网简化为源点、汇点和边线,建立管网简化模型。采用蒙特卡罗法对某六节点网络模型进行抗震连通可靠性分析,结果表明:随着迭代次数的增加,近似解以更小的误差接近精确解的概率更大;迭代次数取为5 000时,能够较好地满足精度要求。通过对连通性矩阵进行分析,探讨了设定源点提高目标汇点连通可靠度的可行性。最后,以保定市区的大型燃气管网为例,计算了Ⅶ~Ⅸ度地震烈度下管网的连通可靠度,对比了设定源点对汇点连通可靠度的影响,为该市燃气管网的震害预测和抗震优化提供参考。     

断层破碎带对非发震断层场地地震动的影响

运用动接触单元对断层场地中的非发震断层的实际运动状态进行了模拟，并结合有限元模型分析了断层场地中非发震断层对场地地震动的影响。通过计算和比较无摩擦力、有摩擦力和无断层三种工况，探讨了动接触单元模拟非发震断层的合理性。计算中还考虑了断层破碎带及断层破碎带土的一些性质，结果表明考虑断层破碎带的存在对于地震动是有影响的。同时还指出，在研究实际非发震断层对场地地震动影响时，应具体考虑场地诸因素的复杂性。     

地下管网地震反应分析模型

建立了多点地震动激励作用下的地下管网地震反应拟静力分析模型。首先建立基于有限单元模型的地下管网系统刚度方程,接着给出考虑地震动空间相关性及场地条件等诸多因素的地震动场模拟思路及管网系统地震动施加策略,最后通过解析法验证了模型的正确性。采用本文方法对一＂十＂字形管网进行了地震反应分析,结果表明：①管线轴向应力沿着管线长度从管线端部向管线交叉点逐步增大,在管线交叉点处应力达到最大值;②与轴向应力相比,尽管管线的弯曲应力不是控制应力,但在管线端部及管线交叉点处弯曲应力值将会有较大突变。因此,对于地下管网而言,在受到地震作用时,不同布置方向的管线之间的相互影响是不容忽视的。     

地震属性分析在高分辨率活断层地震勘探中的应用

通过分析影响地震属性的岩石物理特性及其在地震响应上的特征,获得地震波传播过程中地震振幅、层速度与裂缝层密度、泊松比、纵横波速度、孔隙度、压力的关系。同时,结合地震属性的分析技术,利用地震正演模拟的方法提高地震勘探数据解释结果精确度和可信度,为高分辨率的活断层地震勘探研究提供更为可靠的方法手段,提高了地震数据的处理解释精度。     

广州市主要断层的危险性评价

本文在鉴定广州一从化断裂、瘦狗岭断裂和珠江口断裂活动性的基础上,通过分析区域地球动力学环境、地震活动性及历史地震资料等,估计了上述3条主要断层未来可能发生的最大地震震级为6．0≤M〈6．5。同时,根据断层活动的三维有限元数值模拟、区域中强地震发生与断裂的关系以及目标区现代小震活动分布特点,判断出未来最大地震的发震部位,即最易发生地震的地区为广州．从化断裂与瘦狗岭断裂的交汇区。