緊鄰傾滑型強震地表破裂帶場地的地震動分析

　　摘要：強震地表破裂對破裂帶附近的建筑物造成巨大的破壞，如何在工程建設的場址選擇中避開活斷層是工程地質界和巖土工程抗震設計者關心的問題。利用汶川、玉樹及數次強震斷裂現場科考資料，基于破裂主要特征、模式、機理等構建了典型的傾滑型活動斷層附近地質力學模型及工況，考慮貫通地表的基巖位錯和強震動效應，結果表明：①在脈沖型地震動輸入下，上盤均有明顯的上盤效應，上盤效應外一定距離內有明顯的“減震”作用;②對于具有速度脈沖的波，在0.2 g、0.4 g地震動輸入時，Amax在上盤20 m范圍內顯著增大，下盤10 m范圍內增大;③對于速度脈沖更明顯的波，在0.2 g地震動輸入時，Amax在上盤40 m范圍內顯著增大;在0.4 g地震動輸入時，Amax在上盤30 m范圍內顯著增大在下盤10～20 m范圍內增大;④應用地表地震動的參數合理分析確定了避讓距離的數值，給出了一定解釋。

　　關鍵詞：活動斷層;地表破裂;地震動;避讓距離

　　《安徽地質》：本刊1991年創刊，已有12年歷史，原為安徽省地礦局主管和主辦，自2003年始改版，現由安徽省地質礦產勘查局主管，安徽省地質學會主辦。

　　0 引言

　　當代地震學普遍認為強震和活動斷層相關，強震的發生往往都伴隨著活斷層的錯動。在合適的條件下，活斷層的錯動會產生地表破裂，地表破裂對破裂帶附近的建筑物往往造成巨大的破壞(胡平，2009;李小軍等，2009;李秀菊，李鴻晶，2012;彭建兵等，2008;于江等，2018;Ng et al，2012;Anastasopoulos，2008)。

　　上述破壞稱之為強震地表破裂效應，目前對于地表破裂及其緊鄰地震動的分析研究并不多。有些學者(楊笑梅，2006;溫瑞智等，2002;李山有等，2003)通過總結地震斷層破碎帶的規律來構建簡化模型，對其附近不同位置處的加速度時程及反應譜進行分析，但輸入的地震動(人造地震動或簡單的脈沖波)及其它有關參數較簡單，也未討論與避讓距離有關的問題。

　　因為近場地震動非常復雜(王海云，謝禮立，2008)，表現出上盤效應、方向性效應、永久地面位移(Fling-Step效應)、速度脈沖效應等，這里的近場一般是指50～60 km，也有人指10～20 km。本文認為這和緊鄰地表破裂附近的地震動分析有一定可比性，但可能緊鄰地表破裂附近更關心的是場地效應。

　　本文研究的是出露地表且多次原地重復破裂的強震地表破裂帶及其地表附近的地震動響應，分析地表破裂附近(200 m以內)的地震動特征，如峰值加速度、反應譜等。

　　1 模型建立

　　1.1 平面動力分析方法

　　采用張建毅(2007)改進的土體非線性二維平面動力有限元程序SD4軟件包進行建模分析。采用了等參數任意四邊形單元，由Wilson-θ逐步積分法求解，并由土體等價非線性粘-彈塑性模型進行等效線性化插值來考慮非線性，可以同時輸入水平和豎向地震加速度來計算絕對和相對加速度反應譜;計算包括各節點的最大加速度、給定節點的加速度時程，各單元的最大應力以及給定單元的應力時程等地震反應。

　　有限元離散后粘彈性體的運動方程為：

　　[M]{u¨}+[C]{u·}+[K]{u}=[P](1)

　　式中：[M]為質量矩陣，可用集中質量法求解;[C]為阻尼矩陣，[C]=α[M]+β[K]，α=λω，β=λ/ω;[K]為剛度矩陣，可用常規有限單元法求出;[P]為荷載矩陣;λ為阻尼比;ω為基本頻率;u¨，u·，u為分別為結點相對于基巖的加速度、速度、位移。具體求解步驟如下：

　　由開始時刻體系的狀態確定剪切模量Gt和各單元平均阻尼比λt，在完成一次應力循環和迭代后，要求：①形成質量矩陣[M]和剛度矩陣[K];②計算Wilson-θ逐步積分法的參數b2-b12;③形成有效剛度矩陣[K′]。

　　在每一時間步長內，要求：①計算有效荷載向量{P′}t+Δt;②求解有效位移向量{u′}t+Δt;③計算t+Δt時刻的位移、速度、加速度;④由位移計算各單元的剪應變;⑤由雙曲線應力-應變關系求出各單元剪切模量或阻尼比;⑥對下一時間間隔重復上述計算。

　　為了考慮土的非線性，可計算各單元的平均剪應變或最大剪應變的折減值作為等效應變，從剪切模量和阻尼比的試驗曲線，插值求得與等效應變相應的模量和阻尼比，并和初始值對比迭代滿足要求后，再開始下一個計算。

　　考慮基巖位錯并輸入地震動，利用該程序計算并分析距離永久地質變形帶(地表破裂帶)地表不同位置處的地震動，主要分析地表不同點的反應譜形狀;并通過最大峰值加速度指標給出地表破裂帶產生的最大影響范圍及避讓距離的數值。

　　1.2 破裂帶類型

　　結合周榮軍等(2008)和徐錫偉等(2011)的地表破裂特征分析結論，對于場地的覆蓋層厚度內的土體，大多數為傾滑型地表破裂模型，如圖1所示，其中覆蓋層厚度取30 m(盡量使其能出露地表破裂);黑色區域為多次地震破裂事件導致的破裂區，可由張建毅(2015)統計給出的地質強變形帶寬度平均值分析后選取為10 m;破裂區兩側土體的邊界尺寸由水平避讓距離、震害指數及數值模擬邊界效應等綜合確定，兩側各選取200 m，且由大量典型的探槽記錄選取傾滑斷層傾角為常見的70°。

　　1.3 土體參數

　　本文針對中國西部地區破裂帶附近土體的特點，研究了川滇地區砂卵石土較廣分布的特性，總結了近年來國內外粗粒土動力特性研究的現狀和成果，整理分析了中國地震局工程力學研究所在綿陽市城區地震小區劃報告中給出的類似土層結構的動力參數，得出了砂卵石土在研究范圍內的基本動力性狀參數和剪切波速(表1)。