不同覆盖层土性下逆断层场地破裂模型试验分析

张建毅，白孜姗，许志杰，屈世航，田 静

（1.防灾科技学院，河北 三河 065201；2.中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室，河北 三河 065201）

0 引言

大量震害表明，活动断层的突发性错动是产生地震的主要根源［1-2］，且活动断层沿线附近的建筑物破坏与人员伤亡最为严重［3］。然而，目前的抗震设防措施还难以阻止其错动对附近建筑物及生命线工程造成的破坏［4］。文献资料表明［5］，已有研究主要关注地震动对结构的影响及各类次生地质灾害的产生机理，在断层错动导致的地表永久变形破裂方面的研究略显不足。

目前对发震断裂场地破坏机理的研究主要是通过现场震害资料统计、模型试验和数值模拟等3种方法，模型试验和数值模拟的理论均是建立在现场震害资料统计分析的基础上［6-7］。现场震害表明［8］：跨断层的建筑物破坏最为严重，越靠近迹线建筑物破坏越严重，上盘效应明显；钢筋混凝土框架结构的抗地表断裂能力比其他房屋结构类型好；总层数少的建筑物比多层建筑物相对破坏较轻。

由于现场震害资料有限［6］，研究手段和研究经费等因素的制约，使得强震地表破裂效应在破坏过程及地表影响范围的定量化分析方面还缺乏说服力强、还原度高且直观有效的地震现场实例［9］。因此，模拟发震断裂或基岩位错的模型试验分析及其装置受到关注［10］。

近年来，虽然紧邻发震断层的建筑物破坏机理分析和大型平台物理模型试验的相关资料日益丰富［11-12］，但在特殊情形下，因对地下条件探究不明，跨断层框架结构也一直面临更复杂的强震地表破裂风险，这需要设计多工况参数的大尺寸常重力模型箱体试验对近断层的建筑物断裂机理进一步研究，提出合理的抗断裂措施及避让距离。

1 试验方案设计

1.1 模型试验系统

在前人［13-14］模型试验基础上，本文自行设计了常重力大尺寸强震覆盖层土体破裂模型箱体及其模拟基岩错动加载设备系统，与监测传感器、数据采集系统共同组成了大尺寸强震覆盖层土体破裂模型试验平台，如图1所示。模型箱体装置主要由大尺寸土体箱、连接装置、角度调整支座、作动器、底座等组成。试验箱体长4.96m、宽1.85m、高1.4m，箱体前后面安装厚0.025m的高强有机透明玻璃，并在外侧设有3条竖向刚肋，箱体侧面为0.015m厚的高强度钢板，且在下侧焊“X”型钢斜撑。箱体底部由双层钢板内夹“井”字钢梁结构的两块绝对刚度的活动钢板组成，用于模拟覆盖层土体下面基岩的上、下两盘错动，并在上、下盘活动钢板连接处及周围连接处安装高强尼龙布防止土颗粒丢漏。

图1 大尺寸强震覆盖层土体破裂模型试验平台Fig.1 The test platform of lar ge-scale strong earthquake overburden layer soil r uptur e model

1.2 相似关系设计

相似理论是模型试验相似的基础，其主要由相似正定理、π定律、相似逆定律3个相似定理组成。本次试验模型箱体的土层厚度为1m，模拟真实地基覆盖层厚度范围在20～30m，这是在与原土一样的容重相似比为1的先决条件下，选择覆盖层土体破裂大变形的定性为主、定量为辅的模型方法。为了满足模型物理力学的相似性，土体及建筑物模型相似常数设计如下（表1）。

表1 模型中土与建筑物参量及其相似常数Tab.1 Parameters of the soil and the building and their similarity constants in the model

1.3 土样制备与框架结构设计

本文结合前人［15］统计的紧邻发震断裂原型场地的工程地质概况和框架结构的原型资料，进行了土样制备和框架结构设计。

（1）箱体内覆盖层土样制备工作（图2）：天然黏性土用2mm网筛杂物制得黏性土土样，标准砂作为砂土土样。砂土土样的不均匀系数Cu为2，黏性土的不均匀系数Cu为28；黏性土的黏聚力为10kPa，内摩擦角为20°，砂土的内摩擦角为30°。为控制土箱内每层土样的相对密实度、均匀性，经过前期多次尝试，采用分层夯实原则，每150mm 的天然土平铺夯实至有机玻璃板100mm相对刻线处，即“定量采用、分层夯实、界面补平、多缺少补”的原则来制备模型覆盖层地基土体。

图2 箱体覆盖层土体制备Fig.2 Preparation of the soil of the overburden layer inside the box

（2）钢框架建筑结构模型（图3）：地上6层建筑模型用65Mn钢制成楼板和立柱，每层立柱高度为150mm，立柱采用宽20mm、厚2.5mm钢板，每层楼板采用边长为300mm正方形钢板、厚1.5mm。柱下独立基础的长、宽、高分别为200mm、200mm、30mm，以单轴抗压强度为主要相似物理量，采用正交实验确定独立基础水泥、石膏、砂和水的比例关系为3∶12∶30∶12，抗压强度为3.75MPa。选用材料如下：轻质石膏粉、425硅酸盐水泥、粒径0.5～1mm石英砂。

1.4 试验仪器布置

根据之前［16-17］试验的覆盖层土体剖面破裂迹线及结论，土体破裂呈“V”字型展布。因此，土压力计、加速度计见图4，在其周边（即距基岩高度为300mm、550mm、900mm 处）分别布置传感器，由于靠近基岩位置处土压力较大，在300mm高度处多布置了两个土压力计，在基岩上、下盘底板各布置一个加速度计。对于图中预测的“V”字型破裂带，“V”字型的“＼”方向指箱体左侧（即西侧）远离主破裂带一定距离的上盘位置，“／”方向指箱体右侧（即东侧）主破裂带位置附近的上盘位置，为方便后文用“＼”和“／”方向做阐述。

图4 试验方案及仪器布置剖面图Fig.4 The test plan and the profile of sensors layout

1.5 试验方案设计及加载方式

大量现场震害资料数据统计得到，逆断层倾角一般集中在30°～60°。因此，针对黏性土、砂土的覆盖层地基场地及其同工况下框架结构场地，基于强震覆盖层土体破裂模型试验平台进行了断层倾角45°的物理模型试验。试验编号及其参数见表2。

表2 模型试验编号及其参数表Tab.2 Number of model tests and their parameter s

试验总体步骤可概括为：按照工况要求及其试验方案，装土分层夯实，在相应位置放置土压力计和加速度传感器等，夯至土体覆盖层表面安装顶杆位移计；传感器布置好后，在试验箱体的正前方以及正上方架设摄像设备，并将采集软件内所有数据初始值清零；然后，控制作动器以设定速率2mm／s顶升，每个试验共分10次加载，每次加载1cm即为一个工况。

2 试验结果分析

针对逆断层自由场地及其典型框架结构场地，从地表破裂形态、高精度顶杆监测的地表变形量、微型土压力计测量的土压、土体和结构的高动态加速度等方面进行对比分析，揭示典型框架结构在逆断层场地的震害和破坏机理，结构的避让及抗断裂能力等。

每次试验，基岩位错加载共进行10次工况。经分析，位错较小时，破裂特征及土压力等变化范围不明显；位错较大时，破裂特征及土压力等变化幅值较一致，因此，每次试验均选取了工况2（出现破裂）、工况7（贯通破裂）进行对比分析。

2.1 逆断层黏性土覆盖层场地及其同工况框架结构试验对比分析

2.1.1 覆盖层土体破裂形态分析

对比试验①③相同的加载工况，从图5看出两次试验的东侧浅层地表均出现了隆起现象。试验③由于受上部建筑物的影响，其地表裂缝向东“迁移”；随着相同基岩位错的增大，试验③的地表破裂迹线明显比试验①的更严重，这也可以从对应的俯视图中得到验证。

图5 试验①和③覆盖层土体破裂图Fig.5 Diagram of soil ruptures of the overburden layer in test①and test③

2.1.2 地表变形量分析

由图6可知，随基岩位错加载到70mm，试验①③场地均在主破裂带“／”方向产生了明显的地表不均匀变形，试验①场地地表不均匀变形带倾斜度约为2.3°，试验③场地不均匀变形带倾斜度约为2.48°。试验①的地表土体变形“均匀平台段”也明显高于试验③相同位置处，即上盘效应显著。

图6 试验①和③地表变形对比图Fig.6 Comparison of surface deformations between test①and test③

2.1.3 覆盖层土压力分析

由图7可知，随基岩加载位错增加，从基岩主动盘（西侧）看，覆盖层300mm 高度处，试验③条件下土压力略有增大，其它位置处试验①③的土压力均无明显变化；从被动盘（东侧）看，试验①场地覆盖层各个高度处土压力几乎无变化，试验③土层内部550mm高度处土压力值大，变化也明显。

图7 试验①和③覆盖层内土压力图Fig.7 Comparison of soil pressures in the overburden layer in test①and test③

2.2 逆断层砂土覆盖层场地及其同工况框架结构试验对比分析

2.2.1 覆盖层土体破裂形态分析

对比试验②④相同的加载工况，从图8看出，随基岩位错增大，两次试验均在沿着断层倾角右上方土体浅表层出现主破裂带向下盘挤压，并在主破裂带上盘土体浅表层一定区域凹陷。随基岩位错量的增大，相比于试验④来说，试验②场地的地表破裂带更明显。这也从对应的俯视图中得到印证。

图8 试验②和④覆盖层土体破裂图Fig.8 Diagrams of soil ruptures of the overburden layer in Test②and④

2.2.2 地表变形量分析

从图9可知，基岩位错加载到70mm，地表主破裂带即“／”方向，试验④场地不均匀变形带倾斜度约为3.03°，试验②场地倾斜度约为2.69°；在远离主破裂带的“＼”方向，试验②塌陷范围更明显，且其地表土体变形“均匀平台段”也明显高于试验④相同位置处。

图9 试验②和④地表变形对比图Fig.9 Comparison of surface deformations between test②and test④

2.2.3 覆盖层土压力分析

从图10可知，随基岩位错量增大，在主动盘（西侧），试验②场地土体内部（尤其中间位置）土压力变化明显，而在土层顶面变化不大，试验④场地土体内部土压力均有变化；在被动盘（东侧），试验②④场地土压力在接近基岩位置处明显变化。

图10 试验②和④覆盖层内土压力图Fig.10 Comparison of soil pressures in the overburden layer in test②and test④

2.2.4 覆盖层土体加速度分析

由图11可知，随基岩位错量增大，在“＼”方向（西侧），试验④场地覆盖层的Amax比其同工况下自由场地变化更明显，尤其是接近土层表面。在“／”方向（东侧），覆盖土层中部以下，试验②场地的Amax比其框架结构场地略大，而在覆盖层的顶面，试验④场地的Amax比其自由场地大得多。

图11 试验②和④峰值加速度对比图Fig.11 Comparison of peak accelerations for test②and test④

3 结论

（1）低倾角逆断层框架结构黏性土覆盖层场地几乎没改变其发震断裂对自由场地土体破裂的传播规律，即仍沿着基岩上、下盘交界处，大约在断层倾角线处，出现明显的破裂，直至贯通覆盖层土体，并在浅地表形成陡、宽的不均匀变形主破裂带。结合宏观土体破裂形态分析、地表不均匀变形、土压力变化等，含框架结构的黏性土覆盖层场地在地表主破裂带处破裂更严重，原因是主破裂带处覆盖层中部土压力改变大。

（2）低倾角逆断层框架结构砂土覆盖层场地几乎没改变其发震断裂对自由场地土体破裂的传播规律，即沿断层倾角位置的土体浅表层出现主破裂带，向下盘挤压，并在主破裂带上盘土体浅表层一定区域出现凹陷（“＼”方向凹陷和“／”方向不均匀变形）。结合宏观土体破裂形态分析、地表不均匀变形、土压力变化等，含框架结构的砂土覆盖层场地既在地表主破裂带处破裂更严重，也在主破裂带上盘一定距离凹陷严重，原因是这两处覆盖层土压力改变大。同时，含框架结构的覆盖层场地在剪切破裂带区域峰值加速度变化大，对其上建筑物更不利。

此外，无论在黏性土、砂土覆盖层的含框架结构场地，受建筑物影响，地表主破裂带均出现一定的“迁移”；不同土性的逆断层基岩错动场地及其上有建筑物场地的震害试验表明，上盘的建筑物上盘效应比较复杂，在地基不均匀变形及塑性显著区，建筑物的底层破坏更明显。因此，对于重要建（构）筑物可采取一定合理的避让距离；而一般的建（构）筑物需要进行抗断裂能力及措施设计。