緊鄰傾滑型強震地表破裂帶場地的地震動分析

　　摘要：強震地表破裂對破裂帶附近的建筑物造成巨大的破壞，如何在工程建設(shè)的場址選擇中避開活斷層是工程地質(zhì)界和巖土工程抗震設(shè)計者關(guān)心的問題。利用汶川、玉樹及數(shù)次強震斷裂現(xiàn)場科考資料，基于破裂主要特征、模式、機理等構(gòu)建了典型的傾滑型活動斷層附近地質(zhì)力學(xué)模型及工況，考慮貫通地表的基巖位錯和強震動效應(yīng)，結(jié)果表明：①在脈沖型地震動輸入下，上盤均有明顯的上盤效應(yīng)，上盤效應(yīng)外一定距離內(nèi)有明顯的“減震”作用;②對于具有速度脈沖的波，在0.2 g、0.4 g地震動輸入時，Amax在上盤20 m范圍內(nèi)顯著增大，下盤10 m范圍內(nèi)增大;③對于速度脈沖更明顯的波，在0.2 g地震動輸入時，Amax在上盤40 m范圍內(nèi)顯著增大;在0.4 g地震動輸入時，Amax在上盤30 m范圍內(nèi)顯著增大在下盤10～20 m范圍內(nèi)增大;④應(yīng)用地表地震動的參數(shù)合理分析確定了避讓距離的數(shù)值，給出了一定解釋。

　　關(guān)鍵詞：活動斷層;地表破裂;地震動;避讓距離

　　《安徽地質(zhì)》：本刊1991年創(chuàng)刊，已有12年歷史，原為安徽省地礦局主管和主辦，自2003年始改版，現(xiàn)由安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局主管，安徽省地質(zhì)學(xué)會主辦。

　　0 引言

　　當(dāng)代地震學(xué)普遍認為強震和活動斷層相關(guān)，強震的發(fā)生往往都伴隨著活斷層的錯動。在合適的條件下，活斷層的錯動會產(chǎn)生地表破裂，地表破裂對破裂帶附近的建筑物往往造成巨大的破壞(胡平，2009;李小軍等，2009;李秀菊，李鴻晶，2012;彭建兵等，2008;于江等，2018;Ng et al，2012;Anastasopoulos，2008)。

　　上述破壞稱之為強震地表破裂效應(yīng)，目前對于地表破裂及其緊鄰地震動的分析研究并不多。有些學(xué)者(楊笑梅，2006;溫瑞智等，2002;李山有等，2003)通過總結(jié)地震斷層破碎帶的規(guī)律來構(gòu)建簡化模型，對其附近不同位置處的加速度時程及反應(yīng)譜進行分析，但輸入的地震動(人造地震動或簡單的脈沖波)及其它有關(guān)參數(shù)較簡單，也未討論與避讓距離有關(guān)的問題。

　　因為近場地震動非常復(fù)雜(王海云，謝禮立，2008)，表現(xiàn)出上盤效應(yīng)、方向性效應(yīng)、永久地面位移(Fling-Step效應(yīng))、速度脈沖效應(yīng)等，這里的近場一般是指50～60 km，也有人指10～20 km。本文認為這和緊鄰地表破裂附近的地震動分析有一定可比性，但可能緊鄰地表破裂附近更關(guān)心的是場地效應(yīng)。

　　本文研究的是出露地表且多次原地重復(fù)破裂的強震地表破裂帶及其地表附近的地震動響應(yīng)，分析地表破裂附近(200 m以內(nèi))的地震動特征，如峰值加速度、反應(yīng)譜等。

　　1 模型建立

　　1.1 平面動力分析方法

　　采用張建毅(2007)改進的土體非線性二維平面動力有限元程序SD4軟件包進行建模分析。采用了等參數(shù)任意四邊形單元，由Wilson-θ逐步積分法求解，并由土體等價非線性粘-彈塑性模型進行等效線性化插值來考慮非線性，可以同時輸入水平和豎向地震加速度來計算絕對和相對加速度反應(yīng)譜;計算包括各節(jié)點的最大加速度、給定節(jié)點的加速度時程，各單元的最大應(yīng)力以及給定單元的應(yīng)力時程等地震反應(yīng)。

　　有限元離散后粘彈性體的運動方程為：

　　[M]{u¨}+[C]{u·}+[K]{u}=[P](1)

　　式中：[M]為質(zhì)量矩陣，可用集中質(zhì)量法求解;[C]為阻尼矩陣，[C]=α[M]+β[K]，α=λω，β=λ/ω;[K]為剛度矩陣，可用常規(guī)有限單元法求出;[P]為荷載矩陣;λ為阻尼比;ω為基本頻率;u¨，u·，u為分別為結(jié)點相對于基巖的加速度、速度、位移。具體求解步驟如下：

　　由開始時刻體系的狀態(tài)確定剪切模量Gt和各單元平均阻尼比λt，在完成一次應(yīng)力循環(huán)和迭代后，要求：①形成質(zhì)量矩陣[M]和剛度矩陣[K];②計算Wilson-θ逐步積分法的參數(shù)b2-b12;③形成有效剛度矩陣[K′]。

　　在每一時間步長內(nèi)，要求：①計算有效荷載向量{P′}t+Δt;②求解有效位移向量{u′}t+Δt;③計算t+Δt時刻的位移、速度、加速度;④由位移計算各單元的剪應(yīng)變;⑤由雙曲線應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系求出各單元剪切模量或阻尼比;⑥對下一時間間隔重復(fù)上述計算。

　　為了考慮土的非線性，可計算各單元的平均剪應(yīng)變或最大剪應(yīng)變的折減值作為等效應(yīng)變，從剪切模量和阻尼比的試驗曲線，插值求得與等效應(yīng)變相應(yīng)的模量和阻尼比，并和初始值對比迭代滿足要求后，再開始下一個計算。

　　考慮基巖位錯并輸入地震動，利用該程序計算并分析距離永久地質(zhì)變形帶(地表破裂帶)地表不同位置處的地震動，主要分析地表不同點的反應(yīng)譜形狀;并通過最大峰值加速度指標給出地表破裂帶產(chǎn)生的最大影響范圍及避讓距離的數(shù)值。

　　1.2 破裂帶類型

　　結(jié)合周榮軍等(2008)和徐錫偉等(2011)的地表破裂特征分析結(jié)論，對于場地的覆蓋層厚度內(nèi)的土體，大多數(shù)為傾滑型地表破裂模型，如圖1所示，其中覆蓋層厚度取30 m(盡量使其能出露地表破裂);黑色區(qū)域為多次地震破裂事件導(dǎo)致的破裂區(qū)，可由張建毅(2015)統(tǒng)計給出的地質(zhì)強變形帶寬度平均值分析后選取為10 m;破裂區(qū)兩側(cè)土體的邊界尺寸由水平避讓距離、震害指數(shù)及數(shù)值模擬邊界效應(yīng)等綜合確定，兩側(cè)各選取200 m，且由大量典型的探槽記錄選取傾滑斷層傾角為常見的70°。

　　1.3 土體參數(shù)

　　本文針對中國西部地區(qū)破裂帶附近土體的特點，研究了川滇地區(qū)砂卵石土較廣分布的特性，總結(jié)了近年來國內(nèi)外粗粒土動力特性研究的現(xiàn)狀和成果，整理分析了中國地震局工程力學(xué)研究所在綿陽市城區(qū)地震小區(qū)劃報告中給出的類似土層結(jié)構(gòu)的動力參數(shù)，得出了砂卵石土在研究范圍內(nèi)的基本動力性狀參數(shù)和剪切波速(表1)。