地裂缝破裂扩展物理模型试验和数值模拟探究现状

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1、地裂缝破裂扩展物理模型试验和数值模拟探究现状　　摘要地裂缝是发育于地壳表层岩土介质的不连续或错断现象，地裂缝发生的频率和灾害程度正逐年加剧，对城市的建设造成了很大程度的破坏，国内许多专家学者对地裂缝的研究进行了研究，本文对地裂缝的物理模型试验及数值模拟研究进行了阐述。关键词地裂缝破裂扩展数值模拟物理模型试验中图分类号：TV543文献标识码：A文章编号：开展地裂缝调查和探测，并确定隐伏地裂缝可能出露地表的位置、影响带宽度，是进行地裂缝灾害有效防治的基础，也是当前地裂缝研究中的重要任务，对于认识地裂缝致灾机理和有效避免地裂缝灾害具有重要的理论和工程实际意义。下面就从地裂缝物理模

2、型试验及地裂缝影响带宽度数值模拟两个方面分别阐述地裂缝影响带宽度的研究现状。（1）物理模型试验地裂缝的破裂扩展试验包括平面方向的扩展试验（走滑型）和剖面方向的扩展试验，而剖面方向的破裂扩展又包括逆断型和正断型的破裂扩展，这里只介绍剖面方向的破裂扩展研究现状，并以正断型为主。HorsfieldW.T.6[1]采用不同倾角的基底正断层砂箱模型，模拟了theNorthSea的正断层构造形成过程，断层演化过程分成两个阶段：先形成一些位于下降盘且向下降盘弯曲的断裂，这些断裂又可地表产生逆冲挤压断裂；然后，更多的处于中密、干砂环境中的正断型断层面形成，当基底断层倾角较小（30°～60°

3、）时可产生倾向相反的正断层，从而和前面的正断层构成地堑。赵其华等[2]采用相似材料的地质力学机制物理模型试验，得出构造重力扩展机制是西安地裂缝形成的根本成因，认为西安地裂缝最大可能延深为老第三系地层的中上部等重要结论，解释了西安反倾向地裂缝是属于主裂缝（正倾向为南东）上盘的分支裂缝，且与主缝在剖面上构成“Y”型，同时指出反倾向裂缝是地裂缝发育演化历史中的阶段产物，随着沉积物的加厚和地裂缝向上延伸，其活动方式仍将被倾向南东的主裂缝所取代。董津城和刘守华等采用土工离心模拟技术研究了4种不同土质的上覆土层在地下垂直位错正断型和水平位错型基岩断裂活动时的性状反应，其主要结论是：正断

4、错位引起的破裂面倾向与基底断层方向相反（图1）；张性的正断错位比水平错位对上部土层的开裂影响要大；上部覆盖为单一的软–中等强度的土层比粗细相间沉积的土层影响要大；当断裂位错1～3m时，其破裂高度均在20m以内；当断裂位错增大到4.5m时，土层破裂在30m以内。6（a）粉质粘土（b）粘土（c）粗砂（d）粗砂与卵砾石互层图1正断层破裂扩展离心模型试验结果彭建兵等[3]和黄强兵等[4]通过大型物理模拟试验和应力、变形量测，研究了正断型隐伏地裂缝在垂直位错下的破裂扩展引起上覆土体应力、位移的变化规律，破裂向上的扩展模式以及破裂的平、剖面结构特征，并对裂缝的破裂过程进行了分析，同时指

5、出模拟试验结果（图2）与西安地裂缝剖面结构不一致，认为西安地裂缝是早就存在的接近地表的构造破裂面。（2）数值模拟ScottR.F.等(1974)[5]采用二维平面应变有限元方法和土的VonMises理想弹塑性本构模型计算了800m厚的冲积层在基岩垂直错动下的反应。WaltersJ.V.等采用非线性应变软化模型模拟了逆断层在非粘性土中的破裂扩展行为。SeedR.B.是为数不多的从震害资料分析、物理模型试验及数值模拟分析等几个方面来综合研究发震断层上覆盖土层破坏情况的学者，并采用非线性有限元方法分别对正断层和逆断层上覆砂层的破裂扩展进行了研究。TaniyamaH.和Watana

6、beH.(2000)采用土的弹塑性模型和平面应变有限元方法对砂箱模型试验45°倾角的逆断层在地震波作用下的破裂扩展反应进行了模拟，其结论为：当土层厚度630～50m和75m时，贯通破裂所需的断层竖向位移为覆盖土层厚度的3～5%和7%，而当覆盖土层厚度超过100m时，很难发生贯通破裂。韩竹军等用YoshimitsuOkada的理论模拟计算隐伏活断层未来地表破裂带宽度与位错量，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。郭恩栋等和周庆等采用弹塑性计算方法对正、逆断层覆盖土层地震断裂反应进行了对比研究，考虑了土层厚度、断层种类和倾角、软弱夹层以及土

7、的性质等因素的影响。石玉玲等采用FLAC软件对西安城区地裂缝破裂扩展进行了弹塑性分析，得到了与大型物理模拟试验近一致的结果。LoukidisD.等采用FLAC软件对正、逆断层上覆土层的破裂扩展进行了研究，并得到如下结论：破裂向上扩展时偏离原断裂延伸方向；对于正断层倾角较小和砂层的情况可在地表形成地堑；破裂扩展到地表的最小断层位错量对于正断层为土层厚度的0.2～0.4%，逆断层为0.2～2.4%（随着倾角的减小而增大）；地表强变形带宽度为土层厚度的0.8～1.6，逆断层比正断层稍大一些；地表变形区的中心位于隐伏断裂的