温国春
中国铁路南昌局集团有限公司永安工务段
摘要：断层错动引起上覆土层破裂造成的灾害日益成为人们重点关注问题。本文采用PLAXIS 3D建立逆冲断层数值仿真模型，通过改变逆冲面受力面积研究不同逆冲面大小对场地逆冲断层响应，主要结论有：在断层逆冲错动下，模型的位移响应主要发生在断层顶升侧。随着逆冲面受力面积的增大，断层交界面位移变化不大，顶升侧地表位移逐渐增大，且最大位移响应位置由断层交界面向顶升侧转移。而模型的塑性区主要分布在断层固定盘地表处，少量分布在逆冲面受力临界位置处。此外，随着断层逆冲面受力面积的逐渐增大，岩土体结构的受力形式和传力途径发生改变，进而影响了塑性区的分布，破坏点的数量并非一直呈线性增长或下降。
关键词：逆冲；断层面；PLAXIS 3D；位移响应；数值仿真
Study on Response Law of different thrust surface size to thrust fault in site
Abstract: The disaster caused by the rupture of overlying soil layer caused by fault dislocation has increasingly become a focus of attention. In this paper, PLAXIS 3D is used to establish the numerical simulation model of thrust fault. By changing the stress area of thrust surface, the response of different thrust surface size to the site thrust fault is studied. The main conclusions are as follows: under the fault thrust dislocation, the displacement response of the model mainly occurs at the uplift side of the fault. With the increase of thrust surface stress area, the displacement of fault interface changes little, the surface displacement of lifting side increases gradually, and the maximum displacement response position shifts from fault junction to lifting side. The plastic zone of the model is mainly distributed on the surface of the fault fixed plate, and a small amount is distributed at the critical position of thrust surface. In addition, with the gradual increase of the stress area of the fault thrust surface, the stress form and transmission path of rock and soil structure change, and the number of failure points does not always increase or decrease linearly.
Keywords: thrust; fault plane; PLAXIS 3D; displacement; numerical simulation
1 引言
随着“一带一路”建设的深入推进，川藏高速公路即将全线通车，川藏铁路正在稳步建设，西南山区的交通网正在逐步加密。然而，该地区受印度洋板块与欧亚板块碰撞影响，活动断裂密集展布，交通基础设施不可避免的邻近或跨越断层。当活动断层发生错动后，引起上覆土层发生破裂，造成地表建筑物、地下管线和隧道等设施严重破坏，严重威胁人民的生命财产安全[1-2]。
目前，国内外学者主要通过现场调查、模型试验以及数值模拟等方法研究断层错动引起上覆土层破裂造成的灾害[3-5]。Bray等[6-7]通过震后现场调查，发现地层类型、深度以及断层位移量会对断层破裂扩展产生影响，并总结了走滑断层、逆断层等不同类型断层引发的破裂迹线传播路径；代树红等[8-9]针对隐伏走滑断层错动开展室内模型试验，通过数字图像相关方法研究土层表面的动态响应；沈超等[10]基于土工离心模型试验，模拟100g离心加速度下逆断层的错动过程，研究地表变形演化过程和内部变形特征；Chang[11]、Nien[12]分别采用FPC2d离散元软件模拟了逆断层和正断层错动引起的剪切带在上覆砂层中的发展。对于相同的逆冲断层而言，逆冲量和逆冲面大小无疑是对逆冲断层破裂扩展影响较大的因素，有必要对其进行深入研究。
基于此，本文采用PLAXIS 3D建立三维数值仿真模型，研究逆冲断层错动下断裂迹线扩展规律，并考虑不同逆冲面大小对其造成的影响，以期为断层附近交通基础设施设计和建造提供技术支撑。
2 数值模拟介绍
已有研究结果表明，数值模拟研究能够再现真实的应力场，可以有效地模拟土体动力响应[13]。因此，本文采用PLAXIS 3D建立逆冲断层数值仿真模型，该模型主要由上层土层和下层岩层两部分组成，且断层面倾角为45°。如图1所示，逆冲断层模型尺寸为100m*50m*50m，其边界条件为沿高度方向有自由度其余方向均为固定约束。为真实地模拟岩土体的非线性行为，本次仿真分析采用HSS本构模型，该模型充分考虑了三轴试验和固结试验等不同应力路径下的土体性能，非常适合分析岩土体的力学属性，材料的具体参数见表1。
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在本次数值模拟试验中，将位移荷载设置在模型底面以模拟断层逆冲错动，通过改变逆冲荷载面的大小研究不同逆冲面对场地逆冲断层响应规律的影响，共设置5种荷载工况，其面荷载的面积分别为50m×10m、50m×20m、50m×30m、50m×40m、50m×50m，如图2所示。
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3 数值分析结果
本文通过分析计算得到的不同逆冲面下模型的位移响应和塑性区分布，探究逆冲面的大小对相同逆冲模型的响应规律。
3.1 逆冲断层模型位移响应
图3至图7为通过改变逆冲面积大小计算得到逆冲模型总位移云图，图中以深蓝色的冷色调表示位移较小的单元，而以红色为暖色调表示位移较大的单元。
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综合分析图2至图6可知，当逆冲模型的逆冲面大小分别为50m×10m、50m×20m、50m×30m、50m×40m、50m×50m时，模型位移最大值分别为0.1070m、0.1093m、0.1114m、0.1125m、0.1222m。可见，随着逆冲面受力面积的增大，模型的位移最大值逐渐越大。进一步分析模型中总位移最大值出现的位置，当逆冲面大小为50m×10m时，位移最大值出现在断层交界面中间位置；当逆冲面大小为50m×20m时，位移最大值同样出现在断层交界面中间位置；继续增大逆冲面面积，当逆冲面大小为50m×30m时，位移云图的最大值发生于断层交界面处，但发生最大值位移的面积相比于50m×20m的面积要小的多。当逆冲面大小为50m×40m和50m×50m时，总位移的最大值发生于断层顶升一侧的地表土层区域。而总位移量的最小值发生于固定盘底板的底面，且随着逆冲面的面积增大逐渐向左移动。
可见，在断层逆冲错动下，模型的位移响应主要发生在断层顶升侧。随着逆冲面受力面积的增大，断层交界面位移变化不大，顶升侧地表位移逐渐增大，且最大位移响应位置由断层交界面向顶升侧转移。
3.2 逆冲断层模型塑性区分布
为研究逆冲断层错动的破坏规律，计算得到的逆冲面大小为50m×10m、50m×20m、50m×30m、50m×40m、50m×50m时塑性区分布如图8至图12所示。
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综合分析图7至图12可知，在断层逆冲错动下，模型的塑性区主要分布在断层固定盘地表处，少量分布在逆冲面受力临界位置处，出现这种现象的主要原因可能是上述位置在断层逆冲下出现应力集中，且应力大于岩土体的屈服强度。此外，与位移响应不同，随着断层逆冲面受力面积的逐渐增大，破坏点的数量并非一直呈线性增长或下降。其中，当逆冲面尺寸为50m×50m时，模型破坏点的数量最多，其次为逆冲面尺寸50m×40m、50m×20m、50m×10m，而逆冲面尺寸为50m×30m时，模型的破坏点最少。可见，逆冲面受力面积的增大，改变了岩土体结构的受力形式和传力途径，进而影响了塑性区的分布。
3 结论
本文采用PLAXIS 3D建立逆冲断层数值仿真模型，通过改变逆冲面受力面积研究不同逆冲面大小对场地逆冲断层响应，主要结论有：
（1）数值模拟能够清晰地再现真实的应力场，有效地模拟岩土体在断层错动下的动力响应。
（2）在断层逆冲错动下，模型的位移响应主要发生在断层顶升侧。随着逆冲面受力面积的增大，断层交界面位移变化不大，顶升侧地表位移逐渐增大，且最大位移响应位置由断层交界面向顶升侧转移。
（3）在断层逆冲错动下，模型的塑性区主要分布在断层固定盘地表处，少量分布在逆冲面受力临界位置处。此外，随着断层逆冲面受力面积的逐渐增大，岩土体结构的受力形式和传力途径发生改变，破坏点的数量并非一直呈线性增长或下降。当逆冲面尺寸为50m×30m时，模型的破坏点最少。
参考文献
[1] 张建毅. 工程场地活断层避让距离研究[J]. 国际地震动态, 2016, 000(004):47-48.
[2] 徐锡伟, 闻学泽, 叶建青,等. 汶川Ms 8.0地震地表破裂带及其发震构造[J]. 地震地质, 2008.
[3] 徐泽龙. 逆断层错动引起上覆土层破裂的模型试验研究[D]. 浙江大学.
[4] 石吉森, 凌道盛, 徐泽龙,等. 倾斜场地中逆断层错动对上覆土体影响的模型试验研究[J]. 工程力学, 2018(7).
[5]谢文波, 马润勇, 李焱, et al. 基底伸展型地裂缝破裂扩展的物理模拟试验研究[J]. 河北工程大学学报(自然科学版), 2019, 036(004):98-105.
[6] Bray J D , Seed R B , Seed H B . Analysis of Earthquake Fault Rupture Propagation through Cohesive Soil[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1994, 120(3):562-580.
[7] Bray J D , Seed R B , Cluff L S , et al. Earthquake fault rupture propagation through soil[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1994, 120(3):543-561.
[8] 代树红, 马胜利, 潘一山, et al. 隐伏走滑断层破裂扩展特征的实验研究[J]. 地震地质, 2006, 28(004):635-645.
[9] 代树红, 马胜利, 潘一山, et al. 隐伏逆断层破裂扩展特征的实验研究及其地震地质意义[J]. 地震地质, 2008(04):945-956.
[10] 沈超, 薄景山, 张雪东,等. 断层上覆土体破裂的离心试验模型参数设计及应用[J]. 水利学报, 2020, 051(005):569-579,588.
[11] Chang Y Y , Lee C J , Huang W C , et al. Use of centrifuge experiments and discrete element analysis to model the reverse fault slip[J]. International Journal of Civil Engineering, 2013, 11(2):79-89.
[12] Nien, Wei-Tung, Huang, et al. Simulation of growth normal fault sandbox tests using the 2D discrete element method[J]. Computers & Geosciences, 2015.
[13] 周庆, 周本刚, 冉洪流. 不同土质条件下断层地表破裂对比研究[J]. 震灾防御技术, 2006, 1(003):225-233.
作者信息：温国春，1974生，工程师，主要研究方向为铁道工程。