逆断层上覆土层地表破裂影响因素的数值模拟

强震发生时,震源断层错动引发上覆土体变形破裂是地面建(构)筑物破坏的重要原因。为研究和分析上覆土层地表变形与破裂特征及其影响因素,文中通过有限元数值模拟方法,综合分析断层倾角、断层错动位移量、上覆土层厚度对上覆土层地表变形与破裂的影响及其规律。结果表明:1)断层垂直位错量为上覆土层厚度的3.3%、倾角仅为30°时,发生地表破裂;断层垂直位错量为上覆土层厚度的5%、倾角为30°、45°时,发生地表破裂;断层垂直位错量为上覆土层厚度的6.6%、倾角为30°、45°、70°时,发生地表破裂;断层垂直位错量为上覆土层厚度的10%、倾角为30°、45°、70°与逼近90°时,均发生地表破裂。2)随垂直位错量的增加或上覆土层厚度与断层倾角的减小,地表等效应变逐渐变大,越容易发生地表破裂。3)随着断层倾角由30°、45°增加至70°,上、下盘地表破裂宽度比值从约3︰1增加至3︰2~1︰1。4)上覆土层的变形与破裂,首先始于断层基岩与土体交界面的土体破裂,随着位错量的增加,当断层倾角为30°、45°、70°时,地表均出现了1个初始破裂点;当断层倾角逼近90°时,地表出现了2个初始破裂点,最后上覆土层出现贯通破裂。

断层错动引发基岩上覆土层破裂过程模拟

利用有限元方法对断层基岩错动引发上覆土层破裂过程进行数值模拟,展示场地土层破裂形成和扩展特征,以及场地地表出现破裂并不一定形成土层贯通破裂的地震现象。研究表明,土层破裂始于土层与基岩的交界面并向上扩展,而随着断层基岩错动量的增加,场地地表出现破裂(单个或两个)并向下扩展,在断层基岩错动量达到一定值时上下扩展的破裂在土层某一深度位置相连形成土层贯通破裂;不同的断层基岩错动量和覆盖土层条件将导致隐覆破裂、非贯通地表破裂和贯通破裂3类不同的场地地震破裂现象。研究进一步揭示土层厚度和特性对土层破裂特征的影响。当出现地表破裂时,土层越厚破裂带的宽度越大,砂土形成的破裂带宽度小于黏土;土层越硬,越易于形成贯通破裂;土层厚度和土质特性对土层破裂的破裂角影响不明显;对于逆冲断层,地表土层初始破裂出现所需的基岩位错量约为贯通破裂位错量的80%或更小,50m以内的覆盖土层产生贯通破裂的基岩位错垂直量小于上覆土层厚度的5%。