紧邻倾滑型强震地表破裂带场地的地震动分析

　　摘要：强震地表破裂对破裂带附近的建筑物造成巨大的破坏，如何在工程建设的场址选择中避开活断层是工程地质界和岩土工程抗震设计者关心的问题。利用汶川、玉树及数次强震断裂现场科考资料，基于破裂主要特征、模式、机理等构建了典型的倾滑型活动断层附近地质力学模型及工况，考虑贯通地表的基岩位错和强震动效应，结果表明：①在脉冲型地震动输入下，上盘均有明显的上盘效应，上盘效应外一定距离内有明显的“减震”作用;②对于具有速度脉冲的波，在0.2 g、0.4 g地震动输入时，Amax在上盘20 m范围内显著增大，下盘10 m范围内增大;③对于速度脉冲更明显的波，在0.2 g地震动输入时，Amax在上盘40 m范围内显著增大;在0.4 g地震动输入时，Amax在上盘30 m范围内显著增大在下盘10～20 m范围内增大;④应用地表地震动的参数合理分析确定了避让距离的数值，给出了一定解释。

　　关键词：活动断层;地表破裂;地震动;避让距离

　　《安徽地质》：本刊1991年创刊，已有12年历史，原为安徽省地矿局主管和主办，自2003年始改版，现由安徽省地质矿产勘查局主管，安徽省地质学会主办。

　　0 引言

　　當代地震学普遍认为强震和活动断层相关，强震的发生往往都伴随着活断层的错动。在合适的条件下，活断层的错动会产生地表破裂，地表破裂对破裂带附近的建筑物往往造成巨大的破坏(胡平，2009;李小军等，2009;李秀菊，李鸿晶，2012;彭建兵等，2008;于江等，2018;Ng et al，2012;Anastasopoulos，2008)。

　　上述破坏称之为强震地表破裂效应，目前对于地表破裂及其紧邻地震动的分析研究并不多。有些学者(杨笑梅，2006;温瑞智等，2002;李山有等，2003)通过总结地震断层破碎带的规律来构建简化模型，对其附近不同位置处的加速度时程及反应谱进行分析，但输入的地震动(人造地震动或简单的脉冲波)及其它有关参数较简单，也未讨论与避让距离有关的问题。

　　因为近场地震动非常复杂(王海云，谢礼立，2008)，表现出上盘效应、方向性效应、永久地面位移(Fling-Step效应)、速度脉冲效应等，这里的近场一般是指50～60 km，也有人指10～20 km。本文认为这和紧邻地表破裂附近的地震动分析有一定可比性，但可能紧邻地表破裂附近更关心的是场地效应。

　　本文研究的是出露地表且多次原地重复破裂的强震地表破裂带及其地表附近的地震动响应，分析地表破裂附近(200 m以内)的地震动特征，如峰值加速度、反应谱等。

　　1 模型建立

　　1.1 平面动力分析方法

　　采用张建毅(2007)改进的土体非线性二维平面动力有限元程序SD4软件包进行建模分析。采用了等参数任意四边形单元，由Wilson-θ逐步积分法求解，并由土体等价非线性粘-弹塑性模型进行等效线性化插值来考虑非线性，可以同时输入水平和竖向地震加速度来计算绝对和相对加速度反应谱;计算包括各节点的最大加速度、给定节点的加速度时程，各单元的最大应力以及给定单元的应力时程等地震反应。

　　有限元离散后粘弹性体的运动方程为：

　　[M]{u¨}+[C]{u·}+[K]{u}=[P](1)

　　式中：[M]为质量矩阵，可用集中质量法求解;[C]为阻尼矩阵，[C]=α[M]+β[K]，α=λω，β=λ/ω;[K]为刚度矩阵，可用常规有限单元法求出;[P]为荷载矩阵;λ为阻尼比;ω为基本频率;u¨，u·，u为分别为结点相对于基岩的加速度、速度、位移。具体求解步骤如下：

　　由开始时刻体系的状态确定剪切模量Gt和各单元平均阻尼比λt，在完成一次应力循环和迭代后，要求：①形成质量矩阵[M]和刚度矩阵[K];②计算Wilson-θ逐步积分法的参数b2-b12;③形成有效刚度矩阵[K′]。

　　在每一时间步长内，要求：①计算有效荷载向量{P′}t+Δt;②求解有效位移向量{u′}t+Δt;③计算t+Δt时刻的位移、速度、加速度;④由位移计算各单元的剪应变;⑤由双曲线应力-应变关系求出各单元剪切模量或阻尼比;⑥对下一时间间隔重复上述计算。

　　为了考虑土的非线性，可计算各单元的平均剪应变或最大剪应变的折减值作为等效应变，从剪切模量和阻尼比的试验曲线，插值求得与等效应变相应的模量和阻尼比，并和初始值对比迭代满足要求后，再开始下一个计算。

　　考虑基岩位错并输入地震动，利用该程序计算并分析距离永久地质变形带(地表破裂带)地表不同位置处的地震动，主要分析地表不同点的反应谱形状;并通过最大峰值加速度指标给出地表破裂带产生的最大影响范围及避让距离的数值。

　　1.2 破裂带类型

　　结合周荣军等(2008)和徐锡伟等(2011)的地表破裂特征分析结论，对于场地的覆盖层厚度内的土体，大多数为倾滑型地表破裂模型，如图1所示，其中覆盖层厚度取30 m(尽量使其能出露地表破裂);黑色区域为多次地震破裂事件导致的破裂区，可由张建毅(2015)统计给出的地质强变形带宽度平均值分析后选取为10 m;破裂区两侧土体的边界尺寸由水平避让距离、震害指数及数值模拟边界效应等综合确定，两侧各选取200 m，且由大量典型的探槽记录选取倾滑断层倾角为常见的70°。

　　1.3 土体参数

　　本文针对中国西部地区破裂带附近土体的特点，研究了川滇地区砂卵石土较广分布的特性，总结了近年来国内外粗粒土动力特性研究的现状和成果，整理分析了中国地震局工程力学研究所在绵阳市城区地震小区划报告中给出的类似土层结构的动力参数，得出了砂卵石土在研究范围内的基本动力性状参数和剪切波速(表1)。