乌鲁木齐王家沟断裂带断层面处黏性土物理力学性质试验研究

孟和 尚彦军 曹小红 赵晓成

摘  要：乌鲁木齐王家沟断裂带是由4条全新世活动断层组成的断层组，其断错了中更新世砾石台地及王家沟东岸的Ⅲ级阶地，地貌形迹清晰。断层面是组成断层地质材料中力学性质最薄弱的部分，项目采用室内常规土工试验方法，研究王家沟断裂带断层面处黏性土的物理力学性质。结果表明：①断层面土样属稍湿-湿土，较密实;②土样总体上土粒不均匀，粒径变化较大;③断层面土样应属粉质黏土-黏土，处于可塑状态，中压缩性。直剪试验表明，断层面土样的抗剪力学性能指标与断层运动影响及物质组成有关。

关键词：王家沟断裂带;断层面;黏性土;物理力学性质试验

乌鲁木齐王家沟断层组位于西山隆起北翼，展布于西山岭北岭北坡王家沟河谷两岸的中更新统乌苏群老砾石台地上。该断层向西延伸至头屯河东岸，向东经王家沟至苜蓿沟附近区域（图1）[1]。

王家沟断层组断层面北倾，为逆断层，该断层切割了王家沟东岸的Ⅲ级阶地和西山北麓中更新世砾石台地。断层倾角30°～70°。王家沟断裂的断层面不是一条简单断面，其在近地表处断面分散成多条倾角不同的滑动面[1-3]。新疆工程学院新校区位于乌鲁木齐市头屯河区王家沟东岸Ⅲ级阶地上，主要由晚更新世洪积砂、冲洪积卵砾石及古近—新近系基岩组成，西侧及北侧多覆盖晚更新世洪积、坡积为主的砂、卵砾石层。海拔高程840～870 m，区域上地形波状起伏，地势总体呈南高北低、向西微倾，王家沟断裂沿SW向经过新校区，对正在进行的新校区建设可能会造成一定影响。

1  野外采样

乌鲁木齐王家沟断裂在新疆工程学院新校区出露，连续展布近1 km。野外采样点（N43°50'35.85"，E87°24'43.36"）位于新疆工程学院新建体育场开挖剖面上（图2），取样点处已开挖深度为2.5 m。据试验总数要求取得断层面处原状土样3组，分别命名为WJG-1、WJG-2、WJG-3。

取样工作于2018年7月进行，由于外露断层物失水坚硬，使用铲、地质锤等进行人工开挖取样，将开挖过程中的扰动降至最低，并废弃0.2 m厚的表层土。取样时发现，所开挖深度范围内，离暴露表面越深，断层物质含水量越大，土质越软，失水坚硬的断层物质可见贝壳状断口。通过野外观察，判断断层下盘出露具油脂光泽的褐红色黏土，其上可见镜面、擦痕;青灰色粉质黏土-粉土以薄层形式分布于断层面处，应为多次断层运动留下的信息，其上挤压层状结构及断层面上擦痕记录了断层活动方式及附近地面运动特征;黄褐色粉土-细砂出露于断层上盘（图3）。土样WJG-1取自剖面揭露断层下盘处分布最广的褐红色黏性土，土样WJG-2取自断层面处薄层形式分布的青灰色粉质黏土-粉土，土样WJG-3取自褐红色黏性土与青灰色粉质黏土-粉土的接触面。

2  试验方法及结果

本文涉及的所有试验环节均按土力学试验方法，据规范进行[4-7]。

2.1  基本物理性质试验

实验采用烘干法测定土样天然含水量，环刀法测定土样天然密度，比重瓶法测定土粒比重，并计算孔隙比及干密度。

按上述方法测得3组土样基本物理参数（表1）。3组土样含水率相差不大，属稍湿-湿土;土样WJG-2的密度、干密度相对较高，土样WJG-3次之，土样WJG-1最小;土样WJG-1、WJG-2、WJG-3的孔隙比相差不大，相对较小，为0.30

2.2  颗粒分析试验

本试验通过筛分法来测定分析土样的颗粒级配情况（表2）。

如图4所示，土样WJG-1、WJG-2、WJG-3的粒径分布曲线总体上较平缓，表明颗粒不均，粒径变化范围较大。从粒径分布曲线可知，土样粒径在0.1～0.25的土粒较少，土样WJG-3中还含有一定量的粗颗粒物质。

2.3  液塑限联合测定试验

本实验采用风干土样，使用南京土壤仪器厂GYS-2型数显式土壤液塑限测定仪测定土样的液限、塑限，并用图解法确定液限和塑限后计算液、塑性指数（表3）。据计算结果，得到土样WJG-1塑性指数Lp>17，属黏土;土样WJG-2、WJG-3的塑性指数，为10

2.4  压缩试验

采用南京土壤仪器厂生产的WG型单杠杆固结仪（三联高压）进行标准压缩试验，取得数据进行计算（表4）。据计算结果，得到3组土样的压缩系数，为0.1

2.5  直剪试验

采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪进行快剪试验（不排水剪）测定土样的剪切性能，作用于试验土样上的垂直应力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

土样WJG-1研究剖面揭露断层处分布最广的褐红色黏土的抗剪性能，土样WJG-2是研究青灰色粉质黏土的抗剪性能，土样WJG-3是研究褐红色黏土与青灰色粉质黏土界面的抗剪性能。由于青灰色粉质黏土以薄层形式分布于断层面处，取样时很难控制，故实际取样是土样WJG-2、土样WJG-3中还可能包含有一定量断层上盘出露的黄褐色密实粉土-粉砂，实际剪切面发生在界面附近范围内。

3组直剪试验得到剪切应力-剪切位移曲线（图 5），其中土样WJG-2、WJG-3的剪切應力-剪切位移曲线较类似，加载初期斜率较大，剪切应力增速较快，而剪切位移增速相对较慢，随着剪切位移的增大，到剪切应力峰值后剪切应力具明显下降趋势，并具明显峰值。而土样WJG-1的剪切应力-剪切位移曲线，到剪切应力峰值后剪切应力也具下降趋势，但下降速率较土样WJG-2、WJG-3慢，峰值不明显。

如图6所示，土样WJG-1在直接快剪试验下的黏聚力C=21.99 kPa，内摩擦角φ=8°35′12″;土样WJG-2在直接快剪试验下的黏聚力C=19.1 kPa，内摩擦角φ=10°28′12″;土样WJG-3在直接快剪试验下的黏聚力C=31.045 kPa，内摩擦角φ=13°31′22″。

从直接剪切试验结果可见，取自褐红色黏土的土样WJG-1的剪应力-剪位移关系基本遵循土的剪切规律，即法向压应力越大，剪切强度越大，且有较小峰值出现，显示出一般正常压密土或软黏土的性质。当剪损区位于更靠近断层面处的褐红色黏土与青灰色粉质黏土的界面及青灰色粉质黏土时剪应力则具明显峰值，且C、φ值相对较高。黏性土中只有坚硬的、超压密的黏性土的剪应力-剪应变曲线常呈较大峰值，推测断层面处以条带形式分布的青灰色粉质黏土，受到断层运动的重塑，应与土样WJG-2、WJG-3中包含有黄褐色粉土-粉砂有关（表5）[8-10]。

3  结论

（1） 王家沟断裂断层面处黏性土地层含水率相差不大，属稍湿-湿土，较密实。

（2） 王家沟断裂断层面处黏性土粒径分布曲线总体上较平缓，表明颗粒不均匀，粒径变化较大。

（3） 据液、塑限指数，王家沟断裂断层面处青灰色黏性土应为粉质黏土，断层下盘出露的褐红色黏性土应为黏土，并处于可塑状态。

（4） 据压缩系数、压缩模量，王家沟断裂断层面处黏性土为中压缩性。

（5） 王家沟断裂断层面处黏性土的抗剪力学性能指标与断层运动及断层物质组成有关，即：断层运动一定程度对断层物质进行了重塑，当其中包含有青灰色粉质黏土、黄褐色粉土-粉砂时，剪应力-剪应变曲线有明显的中间较大峰值。

参考文献

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[3]    沈軍，宋和平.乌鲁木齐城市活断层探测与地震危险性评价主要成果简介[J].地震地质，2008，30（1）： 273-288.

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[6]    侯龙清，黎剑华.土力学试验[M].中国水利水电出版社， 2012.

[7]    陈希哲，叶菁.土力学地基基础（第五版）[M].清华大学出版社， 2013.

[8]    李碧雄，邓建辉.龙门山断裂带深溪沟段断层物质的物理力学性质试验研究[J].岩石力学与工程学报， 2011（s1）：2653-2660.

[9]    耿乃光，姚孝新， 陈颙.小江断裂带断层泥的基本力学性质[J].地震研究，1985（4）：65-74.

[10]  陈颙，姚孝新，耿乃光.红河断裂带断层泥基本力学性质的初步研究[J].地震学报，1985（1）：93-101.

Experimental study of Physico-mechanical Properties of Cohesive Soil at Fault Plane in Wangjiagou Fault Zone，Urumqi

Meng He1，Shang Yanjun1，2，Cao Xiaohong1，Zhao Xiaocheng3

（1.Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi，Xinjiang，830023，China;2.Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100029，China;3.） Earthquake Adminsstration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi，Xinjiang，830011，China）

Abstract：The Wangjiagou fault in Urumqi is a fault group composed of four Holocene active faults. The fault disrupted the Mesopleistocene gravel platform and the Ⅲ terrace on the east bank of Wangjiagou， and its landform is very clear.The material at the fault plane is the weakest part of the geological material that constitutes the fault.In this project， the physical and mechanical properties of cohesive soil at fault plane in Wangjiagou fault zone are studied by using conventional indoor geotechnical test methods.The experimental results of basic physical properties show that：①The soil samples on the fault plane belong to slightly wet-wet soil， which is relatively dense.②On the whole， the soil particles are not uniform and the range of particle size varies greatly.③The soil samples on the fault plane should be silty clay-clay， plasticity and medium compressibility.The direct shear test results show that：The shear mechanical properties of soil samples at fault plane are related to the influence of fault movement and material composition.

Key words：Wangjiagou fault zone;Fault plane;Cohesive soil;Physical and mechanical properties test