地层错动引起的上覆饱和黏土层变形特性的离心试验研究

地震断层错动会引起上覆土层变形,从而造成断层附近的建筑结构、管线产生附加的变形和内力引起破坏。通过一个土工离心机试验分析上覆饱和黏土层在4步连续断层错动作用下的静力响应行为。着重分析断层错动引起的地层变形的范围、不均匀沉降区的分布特点、剪切裂缝在土层传播路径及地表开裂的位置等工程上重点关注的问题。得到以下几点认识：(1) 基岩断层错动引起的地层变形范围基本上不受基岩错动量大小的影响。(2) 断层错动引起地层的不均匀沉降区基本呈三角形分布,其地表宽度约为1倍左右的土层厚度。(3) 基岩错动引起的主剪切裂缝基本沿竖直方向向上传播,其传播距离取决于基岩错动量及土体的破坏应变。(4) 基岩断层错动在主剪区的下盘一侧边缘会产生张拉裂缝,且产生张拉裂缝所需基岩错动量远小于产生剪切裂缝所需的错动量。     

隐伏裂缝对互层胶结土中正断层扩展影响研究

基岩断层错动引起上覆土体变形,互层胶结土体中断层破裂机制认识不足,隐伏裂缝影响规律掌握不明确。基于4个离心机试验,针对黏土与砂土构成的9层互层土,对比土体胶结特性和隐伏裂缝上断点埋深影响。试验结果表明,正断层错动影响下,互层非胶结土体受剪切作用发生变形破坏,在断层上方形成一倒梯形分布的不均匀沉降区,并形成集中剪切带。当不均匀沉降传至地表时,顶层非饱和黏土层形成地表张拉破裂。而互层胶结土则观测到受弯变形破坏,从而产生剪切破裂和张拉破裂。其中,地表张拉破裂的深度远大于互层非胶结土体的观测结果。互层胶结土中,随着隐伏裂缝上断点埋深的增加,由上断点扩展形成破裂的倾角随之增加,地表破裂向上盘一侧偏移。     

正断层错动诱发上覆黏土中隧道变形破坏数值模拟研究

针对隐伏正断层活动引发上覆黏土中的隧道位错破坏研究相对不足,基于不排水条件的总应力分析方法,展开隧道破坏的有限元计算。数值计算结果与试验数据表明,正断层错动影响下,上覆黏土变形由下盘一侧向上盘一侧可划分为静止区、剪切区和刚体位移区。上覆土体中产生的不均匀沉降区域随埋深逐渐减小,使得地下结构物的影响范围随埋深而减小,但破坏程度则逐渐增加。当隧道与周边土体可近似为绑定接触时,基岩断层投影附近区域以受弯变形破坏为主,而远离基岩断层投影的两侧区域则呈现受拉破坏。隧道拱顶衬砌在基岩下盘一侧受拉,在基岩上盘一侧则为受压。拱底与拱顶的轴向应变分量呈反对称分布。     

基岩逆断层错动引起的上覆土体变形预测

基岩逆断层错动引起上覆土体变形会导致地表及地下建筑的破坏,相应的变形预测模型仍较为缺乏,相关因素的影响规律尚未掌握。本文通过补余误差方程来表征逆断层错动引起的上覆土体变形,建立可预测不排水条件下上覆土体的变形理论计算模型,并通过离心机实验数据、数值模拟数据加以验证。对比分析结果表明,补余误差方程能表征基岩逆断层错动所引起的地表及地表以下土体变形。参数分析结果表明:基岩错动量的幅值对地表不均匀隆起区域范围的影响并不显著;形状参数的增加会使得地表不均匀隆起区域趋向集中;断层倾角的增加会使得地表不均匀隆起区域向断层上盘一侧偏移。     

正断层与逆断层错动引起的上覆黏土变形特性离心试验

采用土工离心机试验,研究正断层和逆断层错动引起上覆饱和黏土层在20步连续断层错动作用下的变形特性以及裂缝扩展的规律。研究结果显示,正断层错动后地表呈现多条且平行断层面的张拉裂缝,随着错动量的增大,正断层破裂逐渐偏离基岩断层的错动方向,偏向上盘一侧,裂缝逐渐向上盘的方向开裂,裂缝主要发生在断层延长线附近;逆断层错动后地表裂缝均分布在上盘,而且离断层尖端延长线较远,产生的裂缝较细、数量较少,随着断层错动量的增大,地表位移增大,靠近断层下盘一侧的地表受断层错动影响较小,位于断层上盘一侧的地表则随着断层错动显著移动;随着断层错动量的增大,最大地表坡度随之增大,正断层引起的最大坡度的位置逐渐向上盘方向移动,逆断层引起的最大坡度的位置逐渐向下盘方向移动,逆断层的影响范围比正断层的影响范围更广。     

正断层诱发砂土中群桩基础破坏及避让距离研究

地震中发震断层诱发桩基失效,导致上部结构破坏甚至坍塌,相关破坏机制和避让距离缺乏系统研究。通过离心机试验和数值模拟,针对基岩正断层活动诱发上覆砂土中群桩基础的静力破坏展开研究,考察不同群桩断层相对位置下群桩的破坏特征。试验与计算结果均表明,当群桩跨越断层时,正断层活动使群桩向上盘一侧倾斜,并使基桩弯向上盘一侧。基桩桩顶荷载的重分布进一步使基桩形成受拉和受压两种破坏模式。数值参数分析表明,在不同桩位上,群桩的变形响应可划分为5个特征区域。对于埋深为20.0 m的基岩正断层,群桩在上盘和下盘一侧的安全避让距离分别为23.5 m和15.9 m,其中下盘一侧离开断层7.9 m至上盘一侧离开断层4.1 m的区域需要进行重点避让。     

考虑断层效应的高铁列车动荷载对地面沉降影响机理研究——以京张高铁怀来段为例

京张高铁怀来段位于怀涿、延矾盆地复合部位,盆地内土体工程地质特性的差异及隐伏断裂稳滑活动产生的地面沉降无疑会威胁京张高铁的安全运行。依据工程地质钻孔及地球物理探测资料,构建跨活动断层地基土体二维地层结构模型,通过数值模拟手段开展考虑断层效应的高铁列车动载荷对地面沉降的影响机理研究。研究表明:列车动荷载主要影响50 m深度范围内的土体,随车速增加动荷载造成的土体竖向位移降低,随车重增加竖向位移增加;在列车动荷载和断层滑移双重作用下,随深度增加,土体竖向位移以受列车动荷载影响为主转为以断层滑移影响为主,50 m以下土体竖向位移全部由断层滑移所致,且紧邻断层两侧距离相同位置上盘土体竖向位移大于下盘。      

地震剖面中走滑断层旋向判断模型——以塔东阿拉干北断层为例

地震剖面解释中尚无走滑断层旋向的直接判别标志,本文提出了一个在地震剖面解释中直接判断走滑断层旋向的模型。该模型假定断层作用前既存的某个地层厚度有变化,则垂直或斜交地层厚度变化方向的走滑断层必定在穿过断层的地震剖面中两盘地层厚度不等。确定了地层厚度变化方向,又测定了剖面中两盘地层厚度,则走滑断层的旋向就可以唯一地确定下来。穿过塔里木盆地东部阿拉干北右行走滑断层的地震剖面资料证实了这一模型的适用性。     

新疆克拉玛依乌尔禾张扭性走滑断裂特征及其控藏作用研究

乌尔禾沥青矿断裂带位于准噶尔盆地西北缘乌夏断裂带乌尔禾鼻隆之上,是一个小型左旋走滑断裂带。断裂带形成后未发生强烈改造,断裂带内发育沥青矿脉,露头地质条件好,且有三维地震覆盖,是研究走滑断裂特征和控藏作用的天然实验室。本文采用无人机三维立体建模技术,结合野外剖面实测,对乌尔禾沥青矿走滑断裂带野外剖面露头进行定量分析和解剖。结果表明,沥青矿断裂带共发育17条断层,主断层西北侧断层呈雁列状分布,东南侧断层呈马尾状,断裂带纵向呈负花状。研究表明,断层形成于燕山期左旋剪切应力场,受拉张应力影响,整体处于张扭环境,形成张扭性走滑断裂带。断层发育空腔和诱导裂缝,尤其主动盘裂缝更为发育,空腔的开度与油气侵染宽度呈正相关。结合塔里木盆地张扭性走滑断裂与油气藏关系分析,本文认为张扭性走滑断裂是良好的垂向油气运移通道,主动盘具有侧向输导作用,被动盘具有封堵作用,走滑断裂主动盘一侧圈闭是良好的油气聚集区域。     

地铁振动作用下穿越地裂缝隧道-地层动力响应模型试验研究

以西安地铁工程为背景,设计了穿越地裂缝隧道——地层动力响应试验模型,开展了地铁振动作用下穿越地裂缝隧道——地层相互作用的动力模型试验,揭示了地裂缝活动及地铁列车振动时对位于地裂缝处地层的动力响应规律。试验结果表明:在地裂缝未活动时,隧道拱顶位置的加速度响应与拱底相比,其值相对较小,表明地铁列车振动引发拱底部的振动加速度,通过衬砌传递至上覆岩土体时,加速度发生了显著的衰减;当地裂缝上盘下降时,隧道拱底及拱顶测点产生的振动响应比地裂缝未活动时明显更为强烈。表明地裂缝的活动对隧道结构振动特性具有显著影响;受地铁列车运行位置变化和地裂缝上盘下降的双重影响,地裂缝两侧土体振动加速度幅值有明显的差异,这会对隧道结构的振动特性造成不利影响,在设计中应采取适当措施,防止造成隧道衬砌的局部损伤或破坏。     

Effects of the tip depth of a pre-existing fracture on surface fault ruptures in cemented clay

Ground deformation due to faulting can cause serious damage to buildings and structures. Much attention has been devoted to understanding fault rupture propagation in uncemented soil. However, the effects of a pre-existing fracture in cemented soil on surface fault ruptures are not fully understood. This paper describes a numerical parametric study to investigate the mechanism of normal fault rupture propagation through cemented clay. Special attention was paid to the effect of the location (or tip depth) of a pre-existing fracture on the mechanism. The numerical model and model parameters adopted were verified through two centrifuge model tests. The results show that a zone of influence consisting of a tensile failure zone and a differential settlement zone was induced by normal faulting in cemented clay both with and without a pre-existing fracture. The width of this zone of influence increased with the tip depth of the pre-existing fracture. The effects of the tip depth of a pre-existing fracture on the width of the zone of influence were more significant when the tip was located at a shallow depth.     

渤海海域埕岛低凸起东部南区新生代断裂系统及油气分布的控制作用

埕岛低凸起东部南区新生代受控于伸展与走滑作用,断裂构造复杂,传统认为中深层北东向与近东西向断层属于同期同沉积断层。针对这一观点及引起的问题,利用钻井和地震资料,运用构造地质理论解析断裂系统。研究区主要发育正断层、走滑正断层两种类型,断开层位有基底—东营组、平原组—东营组、平原组—基底三种情况,现今断裂以东营组与馆陶组之间的区域不整合面为时限划分为两期断裂系统。早期断裂主要切开基底—东下段,属于同沉积断层;晚期断裂主要切开平原组—东营组,可断达基底,其发育受早期断裂制约。北东向与近东西向断层分别属于早晚两期断裂系统,对油气分布各起关键性控制作用:先期基底升降引起的伸展作用形成北东向断层,控制洼槽地貌与深水重力流沉积环境,发育了连片的层状砂质碎屑流;后期郯庐断裂右行走滑派生了近东西向雁列断层,断层面既充当储层上倾方向的遮挡条件,又在东西向挤压时封闭性变差而变成油气垂向运移通道,断层及断层作用控制了圈闭分布与油气聚集的有序性,自东向西,圈闭及油水界面依次升高且充满度变小,呈全充满、欠充满、半充满等状态。断裂系统研究将地质体置于一定的构造应力场中,分析断层组合的空间排列和交切关系以及断层的力学机制和位移特征等,探究时空演化对油气分布的控制作用。断裂系统研究方法在构造作用叠合区具有适宜性,对该区及类似地区的勘探开发具有现实意义。     

惠民凹陷南坡北北西向走滑断裂带的发育特征及成因分析

通过对惠民南坡前中生代断裂的平面分布和三维地震剖面特征的分析,识别出了一组在平面上相互平行,在剖面上具有负花状构造的北北西向走滑断裂带。通过对负花状构造的形态及其卷入地层特征的分析,认为该组断裂带经历过两期不同性质的走滑运动,在中生代经历了较强的左行张性走滑,在新生代经历了较弱的右行压性走滑。其演化过程与鲁西地块上北北西向走滑断层的演化过程一致,均属于郯庐断裂区域性走滑作用所形成的帚状构造体系的一部分,郯庐断裂在中生代的左行走滑和新生代的右行走滑是控制其发展演化的主要因素。     

Effect of block rotation on the pitch of slickenlines

Rotation of faults or pre-existing weakness planes produce two effects on the slickenlines of fault planes. First, the rotation leads to changes in the pitch of slickenlines. As a result, the aspect of the pre-existing fault may change. For example, after rotation, a normal fault may show features of an oblique fault, a strike-slip fault, or a thrust fault. Second, due to rotation, stress states on the fault planes are different from those before the rotation. As a consequence some previous planes may be reactivated. For an isolated plane, the reactivation due to rotation can produce new sets of slickenlines. With block rotation, superimposed slickenlines can be generated in the same tectonic phase. Thus, it is not appropriate to use fault-slip data from slickenlines to analyze the stress tensor in a region where there is evidence of block rotation. As an example, we present the data of slickenlines from core samples in the Tunich area of the Gulf of Mexico. The results wrongly indicate that the calculated stress tensor deviates from the far-field stress tensor.     

辽东湾JZ27-33区块伸展型右行走滑双重构造系统

辽东湾JZ27-33区块发育3条大型NNE向走滑断裂,分别为辽中3号断裂(或者辽中1号断裂)、辽中2号断裂和辽东2号断裂,在平面上,3条走滑断裂呈"雁行式"展布,其间密集发育具有走滑性质的正断层,这些正断层在平面上成NE或者NEE走向,与主走滑断裂斜交,其锐角的指向为本盘地层在平面上的位移方向;在横剖面上,负花状构造是研究区内的大型走滑断裂在横剖面上的重要特征,综合分析认为,研究区的断裂特征在平面上表现为"双重构造"特征,在横剖面上表现为(负)花状构造,构成了典型的"伸展型右旋走滑双重构造"系统,并且认为,形成这种构造样式的控制因素主要有:郯庐断裂带的右旋走滑作用、平面展布特征、多期构造活动以及能干性特征明显的沉积地层。     

基于带状震源破裂机制的斜坡动力响应

对紧邻发震断裂带的崩滑体进行动力响应分析时,考虑断裂带宏观破裂机制,即带状震源形成的地震动力作用对斜坡的影响更符合实际。依据汶川地震震源破裂机制与其空间位置差异,将该带状震源从发震断裂起破点至终破点依次分段为逆冲震源、逆冲兼少量走滑震源、逆冲兼走滑震源与走滑兼少量逆冲震源,基于此对汶川地震触发的四川安县大光包崩滑体在龙门山发震断裂带即带状震源作用下的动力响应特征进行了离散元数值模拟,揭示了其动力形成机制、触发主控因素和损伤、崩滑及堆积动态特征。研究表明：（1）依据该崩滑体离散元数值模型临界崩滑状态形成时间与此时发震断裂带破裂前锋所处位置关系,可判断其临界破坏是受到逆冲兼少量走滑震源引起的地震动力作用所致,而临界崩滑之前的坡体损伤主要由纯逆冲震源所致,其后的抛射碰撞破碎与堆积则主要受临界破坏时的地震惯性力和自身重力耦合作用所致,但由逆冲兼走滑与走滑兼少量逆冲震源形成的地震力仅对上述两个破坏过程起到了一定影响;（2）该崩滑体在带状震源作用下的动力响应过程为：在损伤至崩滑临界破坏阶段,坡体整体向其临空面发生了较大程度的水平位移后,潜在滑床又向坡体临空面反方向发生了一定程度的水平位移,致使潜在滑体完全破碎并处于与滑床彻底分离的临界状态;在坡体崩滑抛射阶段,坡体滑床发生了相当规模的反方向水平位移,其后滑床又开始做向坡体临空面方面的水平位移并直至其总体位移为0,而在此过程中竖向位移相对较小。对滑体而言,其在损伤、临界崩滑和抛射阶段则主要做向其临空面的水平位移,直至堆积自稳阶段其位移趋于稳定;（3）该坡体的损伤和临界崩滑破坏主要受纯逆冲震源及其少量走滑震源形产生的水平地震力作用所致,而在坡体抛射碰撞破碎与堆积阶段,滑体的动力响应主要是基于地形因素控制上的地震惯性力与自身重力作用所致,而后两种类型震源机制形成的水平和竖向地震力仅起到一定影响。     

与大型走滑断裂相关的旋转

与大型走滑断裂有关的旋转一方面起因于断裂带的大规模走滑,另一方面也与大断裂带内部及外围次级断裂系的水平运动密切相关.尽管前人提出了一些有关断裂带走滑与旋转的动力学模式,但由于不同走滑断裂系变形环境及边界条件的差异,断裂走滑导致块体旋转的机制是非常复杂的,很难用统一的动力学模式来解释.对美国西海岸圣安德列斯断裂、美国盆岭区Lake Mead断裂系、中国西南哀牢山-红河走滑断裂系以及新西兰Alpine断裂带、土耳其北安那托利亚断裂等的研究结果均表明,在断裂带走滑过程中,相关构造及块体的旋转非常明显.运用古地磁学、磁组构、构造分析、高精度GPS监测及构造模拟等方法,可以对这些构造及块体的旋转方向和幅度进行研究.由于大规模旋转会导致构造格局及地质地貌特征的改变,因此在走滑断裂带的研究中必须加以重视.     

断层端部裂纹扩展相似模拟试验及力学机理

基于相似理论制作符合实际地层力学性质的先存断层模型试件,分析在一定地应力条件下试件破坏过程;利用断层端部应力场理论,揭示先存断层构造产生相应破坏模式的机理。结果表明,随着载荷的增加,微裂纹逐渐发育扩展,扩展路径逐渐趋向于加载方向,在裂纹扩展的过程中会伴随产生多条分支路径,随后裂纹相互汇合贯通使试件破坏,利用断层端部应力场理论可以判定新产生的破裂方向,其与先存断层产生的主要破坏的角度具有一致性。      

2022年1月8日青海门源MS 6.9地震地表破裂考察的初步结果及对冷龙岭断裂活动行为和区域强震危险性的启示

2022年1月8日青海门源M_S 6.9地震发生在青藏高原东北缘的祁连山断块内部,仪器震中位于海原活动断裂系西段的冷龙岭断裂带上,是该断裂系自1920年海原8.5级大地震后再次发生M>6.5的强震。考察结果的初步总结表明,此次门源地震产生了呈左阶斜列分布、总长度近23 km的南北两条破裂,在两者之间存在长约3.2 km、宽近2 km的地表破裂空区。南支破裂(F₁)出现在托来山断裂的东段,走向91°,长约2.4 km,以兼具向南逆冲的左旋走滑变形为主,最大走滑位移近0.4 m。北支主破裂(F₂)出现在冷龙岭断裂的西段,总长度近20 km,以左旋走滑变形为主,呈整体微凸向北东的弧形展布,包含了走向分别为102°、109°和118°的西、中、东三段,最大走滑位移出现在中段,为3.0±0.2 m。此外,在北支主破裂中—东段的北侧新发现一条累计长度约7.6 km、以右旋正断为主的北支次级破裂(F₃),累计最大走滑量约0.8 m,最大正断位移约1.5 m。综合分析认为,整个同震破裂以左旋走滑变形为主,具有双侧破裂特点,宏观震中位于北支主破裂的中段,其地表走滑位移很大可能与震源破裂深度浅有关,其中的右旋正断次级破裂可能是南侧主动盘向东运移过程中拖曳北侧块体发生差异运动所引起的特殊变形现象。印度与欧亚板块近南北向强烈碰撞挤压导致南祁连断块沿海原左旋走滑断裂系向东挤出,从而引发该断裂系中的托来山断裂与冷龙岭断裂同时发生破裂,成为导致此次强震的主要动力机制。在此大陆动力学背景下,以海原左旋走滑断裂系为主边界的祁连山断块及其周边的未来强震危险性需得到进一步重视。      

鹤庆-洱源断裂带中段晚更新世以来的走滑活动

鹤庆–洱源断裂带是滇西北活动断裂系的重要组成部分,对其性质、特征和活动历史的研究可为区域地震活动评价和震害防御提供依据,也可为青藏高原东南缘构造变形特征、历史和方式提供基础数据。通过对鹤庆–洱源断裂带中段基岩山区的室内外调查和研究,结合光释光和14C 定年,初步查明该段断裂具有复杂的空间展布格局,由多条左旋走滑性质的分支断裂构成,它们共同吸收了断裂带在鹤庆盆地南端与洱源盆地北端之间的走滑分量;运动性质以左旋走滑为主,局部地段兼具正断或逆冲性质;剖面地层断错和覆盖关系表明该段断裂在晚更新世活动强烈,现有证据表明最新活动时代约为距今2万年。结合区域构造环境,作者认为鹤庆–洱源断裂带中段晚更新世以来的活动是对青藏高原强烈隆升的响应,其左旋走滑符合滇中次级块体顺时针转动模型,是块体旋转在角端的局部应变响应。