2011, Vol. 54
2. 香港科技大学,香港;
3. 中国水利水电科学研究院,北京 100038
2. Hong Kong University of Science and Technology, HKSAR, China;
3. 3 China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China
当一次地震发生时，造成场地和建(构)筑物的破坏有三个主要原因:一是地震波动引起的强地震动造成的震动破坏(波及范围较大，离发震断层震中区越近破坏越严重)；二是沿发震断层或受其影响的断层发生同震错动造成的直接错动破坏(沿破裂带近旁，破坏大大加剧)；三是其他次生灾害破坏(情况多样).
实际震例让人们认识到，沿活动断层由断层错动的直接作用会造成场地和建(构)筑物的严重破坏，形成地震灾害最严重的线状破坏带.然而在距断层错动形成的破裂带20~30 m 以远的场地，灾害就明显大大减轻[1]，而表现为强地震动造成的震动破坏.因此，使建(构)筑物合理有效地避让由于同震错动造成破裂带的活断层，具有重大的防震减灾意义.
基岩地区断层出露于地表，避让断层同震错动对建(构)筑物造成的破坏不存在技术上的问题.但对于第四纪覆盖地区，要合理避让活断层从而避免被其同震错动的直接破坏，目前是一个亟待解决的探索性问题.
从20世纪70年代以来，以地震地质等研究工作为主导，主要从地表面或能够开挖出的极浅部地表层中可以观测的现象来研究断层同震错动的形变、地表破裂带结构、展布特征等等问题.国内外地震地质学者对造成地表破坏的强烈地震做了大量研究工作[2].但一来具有可供研究的震例并不足；二来现场工作中揭示较深地层中断层错动现象的难度巨大，并不能满足研究需要；再者事后的现场工作并不能了解震时破裂过程，而这对于灾害发生的机理研究又至关重要；另外，不便于从地下断层构造体系出发，通过它与地表同震错动现象相联系，从整体认识不同断层体系的地震同震错动的行为特征.这就使得研究者探寻新的模拟研究方法.
模拟方法研究包括数值模拟和物理模拟，其中数值模拟以量化计算结果与实际震害资料及试验结果的对比分析研究土层破裂问题[3].但人们对自然界的认识还不能够做到提出确切的边界条件、模型参数等用于数值模拟计算.而物理模拟(试验模拟)多是根据研究问题的实际情况制作相对应的试验模型，对其进行模拟试验，分析认识问题是行之有效的.
数值模拟和试验模拟的有关研究都已经有了多年的经验积累[4~8]，1).Quaker项目是近年来有关问题最具规模的系列研究项目，即利用离心机和数值模拟方法研究地震同震错动时的土层、结构和生命线工程对破裂及其扩展的相互作用[9, 10].但过去的工作都存在一个关键问题:即在研究第四纪地层覆盖区的断层同震错动时都只针对基岩断层模型进行其同震错动的有关问题研究，而没有一项研究工作是针对第四纪活动断层同震错动情况进行的.这样就导致了研究结果与实际情况严重不符且难以应用等问题，如有研究认为100m 厚的上覆土层就很难出现从基岩贯穿到地表的破裂，而近年来我们通过深、浅部物探，钻探、槽探等综合探测工作确认，在第四纪覆盖层厚度大于400 m 的北京顺义附近，顺义-前门-良乡断裂就从基岩一直贯穿到地表.问题在于实际震例中第四纪覆盖区发震断层多为活动断层，基本上是近十万年以来有过活动的断层.因此，在建立、设计数字模型或试验模型中，应该考虑第四纪活动断层，其上断点应该已经达到了基岩上覆第四纪地层中一定的高度，而不是仅研究前第四纪断层.
1) 董津城、曹佑裕、刘守华、徐光明、蔡正银等.发震断裂上覆土层厚度对工程影响离心模拟试验研究报告.1999.10.
目前对第四纪地层中存在的断层的物理性质研究不够，使得在数值模拟工作中，如何建立准确的第四纪土层中的第四纪活动断层模型还缺乏相关的研究依据.因此目前情况下应利用离心机模拟重力场中原型应力状态，对在第四纪地层中地震活断层同震错动进行模拟试验研究，以推进相关的基础研究工作.
基于上述认识，针对前面提出的第四纪地层中断层的同震错动行为研究问题，利用离心机模拟重力场中原型应力状态，原创性提出了在试验模型中预制断层的方法，对在第四纪地层中不同活动年代、不同上断点深度的断层错动行为特征进行模拟试验研究.从地下断层与地表现象的联系出发，认识断层同震错动时破裂面扩展、地表形变、地表破裂带位置分布等有关问题.为认识场地和建(构)筑物破坏的场地背景条件、避让距离及其他相关问题提供基础研究依据.
2 离心机模拟试验的基本原理土体材料的特性对应力状态和应力路径依赖性很强，因此任何涉及土体特性的室内试验或者现场试验若不考虑应力水平和应力路径的影响，都将会产生错误的结论.
当物体作圆周运动时，会受惯性离心力作用.以角速度ω 作匀速圆周运动时，距圆心为r处的单位质量受惯性离心力的幅值为F=ω2r.利用这一原理，通过设定离心机的旋转速率就可以对运载的模型施加设定量的惯性离心力，从而使模型处于幅值为ng=ω2r的模拟重力场环境中(g即为重力加速度).模拟试验中，模型物理量与原型物理量的关系见表 1.可见，当用离心机对1 m 的模型施加100g惯性离心力时，就可以模拟100m 的原型物体处于自然重力场中的情况.因此，利用土工离心机可以用小尺寸模型土体来研究处于自然重力场中的大尺寸原型土体的问题.
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表 1 离心机试验物理量的相似关系 Table 1 Scaling laws in centrifuge modeling |
图 1为离心机试验模型箱体装置，箱体的底部为模拟基岩面，液压装置向下或向上运动模拟地震时的正断层或逆断层错动，箱体中承载按选定研究场地地层参数、用当地第四纪粘土和(或)砂土级配制作第四纪地层模型.与过去同类工作不同的是，本项工作原创了在第四纪地层模型中预制断层的设计，通过预制断层上断点在模型中不同的高度位置模拟第四纪地层中不同活动年代、不同上断点深度的断层，从而实现了对在第四纪地层中的那些前第四纪以来有过活动的断层现今地震时的同震错动的研究.试验模型中预制断层的上下盘之间用滤纸作为隔离材料，这样适度地解决了试验模型中预制断层两盘隔离不当产生粘连或分离的问题(在走滑断层震动试验中，通过对比预制断层两盘加速度幅值的变化，证实了这种预制断层方法的有效性).
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图 1 离心机试验箱体装置与预制断层模型 Fig. 1 Centrifuge model package and soil model with a pre-existing fault |
根据大多数实际断层的考察结果，特别是北京地区的实际情况，本次试验模型中预制正断层的角度Φ(断层面与竖直方向的夹角)取20°.预制断层上断点的高度设计为四种情况:预制断层上断点在模型上部(模型高度3/4 处)，预制断层上断点在模型中部(模型高度1/2 处)，预制断层上断点在模型底部(模型高度1/3处)和无预制断层(即前第四纪断层，便于与过去工作结果的对比).
4 试验要素 4.1 试验选用离心机本次工作选用的香港科技大学(HKUST)离心机[11, 12]，不仅配备有高速的数据采集装置和先进的控制系统，而且还拥有世界上首台离心机专用双向振动台，可以在离心重力场下进行地震的仿真模拟.此外，实验室还拥有一台先进的四轴机械操作手[13]，可在离心机试验当中实现多种复杂的施工模拟.该离心机的主要技术参数如表 2.
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表 2 香港科技大学土工离心机主要技术参数 Table 2 Technical specifications for HKUST centrifuge |
试验土料取自北京的粘土和砂土，其密度分别取1.92mg/m3 和1.69mg/m3，含水量分别取20%和5.5%(这些参数是根据对北京地区约400 个不同地点样品的多项参数进行统计而确定的).其级配曲线和相关物性见图 2.
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图 2 粘土和砂土的级配曲线及物性指标 Fig. 2 Gradation curve and physical index of clay and sand |
试验模型分为三类:均质粘土模型、均质砂土模型以及由粘土和砂土组成的(三层、五层和九层)粘土-砂土互层模型.试验模型的预制断层如前述，由上断点位置分为上部、中部、下部、无(即基岩断层)四种断层情况.
试验在2D 模型箱中进行(图 1)，模型箱尺寸为1245mm×350 mm×851 mm, 置于其中的土料模型尺寸为1160 mm(长)×350 mm(宽)×583 mm(高).在离心机设定为120g的试验运转下，相当于原型尺寸为139.2m(长)×42m(宽)×70m(深).
4.3 试验测量、观察试验过程中用到的测量设备主要有三类，分别为孔隙水压力传感器(PPT)，位移传感器(LVDT)以及录像(Video)和照相设备.这些测量设备的布置见图 3.
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图 3 测量、观察设备布置图 Fig. 3 Details of instrumentation in centrifuge test |
本次试验以不同基岩错动量来模拟不同的地震烈度.地震烈度和同震错动量的关系一直是学者们研究的课题[2, 14~17]，也是本项试验研究的关键问题，因此特别进行了专门的立项研究2).在对全球39次地震和十几种经验关系式进行了地震烈度-位移量的统计分析，发现其离散性很大，综合分析发现正、逆、走滑断层的同震错动量没有明显不同.本项试验中地震烈度-基岩错动量关系取为:Ⅷ 度-0.5 m, IX度-1.5m, X 度-5.0~5.5m.
5 试验现象分析及结果 5.1 第四纪覆盖层为单一粘土的情况对于单一粘土模型进行了5 个正断层错动试验.分别是预制断层上断点在上部的地震烈度IX度错动量1号试验、X 度错动量2 号试验和分四步错动其总量达到X 度错动量的3号试验，上断点在下部Ⅷ度错动量的4号试验和无预制断层Ⅷ度错动量的5号试验.这5 项试验的地表破裂现象及相关的主要试验测量参数见图 4.通过对这5 项粘土模型试验的观察、测量分析，取得如下认识:
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图 4 粘土模型试验现象及测量结果 Fig. 4 Test results in clay |
(1) 不同预制断层上断点埋深的同震错动行为不同
预制断层上断点埋深对地表形变影响不大.预制断层上断点埋深越浅(断层活动年代越新)，地表破裂条数越少且越向1-1′线(沿预制断层向上与地表的交线)近旁集中、主破裂宽度越宽、主破裂深度越深；反之则反.但主破裂仍在1-1′线近旁，见图 4.试验测量和由图 4可以换算出:70m 厚度单一粘土第四纪覆盖层中断层同震错动时，Ⅷ 度地震烈度作用产生的地表破裂与1-1′线距离最大不超出20 m(5号试验).
(2) 不同地震烈度对其同震错动行为作用不同
对比图 4中1、2、4、5号试验:随着地震烈度的增大，地表破裂宽度明显加宽，断层两盘之间的地表差异沉降形变明显加剧，这会使在这个范围内地表建筑的破坏程度明显加剧；不同地震烈度对应地表破裂位置无明显不同，均在沿预制断层向上与地表交线1-1′近旁.
(3) 相同基岩错动量一步和多步错动完成对其同震错动行为作用不同
对比图 4中2、3号试验:一步错动和多步错动达到相同基岩错动量(即在相同基岩错动量条件下，一次大震和多次小震对比)时，对于地表形变的形变量和形变形态影响不大；对地表破裂的行为却作用不同，虽然这两种错动方式下地表主破裂缝宽度相同且位置都一致集中在基岩断层延长面同地表的交线上，但多步错动比一步错动地表的破坏影响范围加大，破裂缝条数增多.
(4) 相同基岩错动量不同错动速度对试验现象无明显不同
图 4中2号和3号试验基岩错动量相同但错动速度分别为0.11 m/s和0.01 m/s, 虽然分别是一步错动和多步错动，试验工况并不一致，但整体上看试验现象无明显不同.这对试验中错动速度选取与试验现象的关系有参考意义.
5.2 第四纪覆盖层为单一砂土的情况对单一砂土模型进行了4个正断层错动试验.分别是预制断层上断点在上部的X 度错动量6 号试验、上断点在下部分错动量约为X 度但分四步错动达到的7号试验和一步错动达到的8 号试验、无预制断层Ⅷ度错动量的9 号试验.这4 个试验的地表破坏现象及相关的主要试验测量参数见图 5.砂土作为松散介质，同震错动行为表现形式与粘土不同，其地表破裂不是形成破裂缝而是破裂纹和陡降形变带.
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图 5 砂土模型试验现象及测量结果 Fig. 5 Test results in sand |
当砂土中预制断层上断点埋深浅，陡降形变带则靠近1-1′线，而上断点埋深深，陡降形变带沿上盘一侧偏离1-1′线，见图 5.试验测量和从图 5 可以换算出:70m厚度单一砂土第四纪覆盖层中断层同震错动时，X 度地震烈度作用产生的地表破裂与1-1′线距离最大不超出45m.
5.2.2 不同地震烈度同震错动行为表现出显著差别不同地震烈度的错动对砂土中断层同震错动的地表破裂和地表差异形变影响显著不同.对应于X度地震烈度的6、7、8号试验(图 5)会出现明显的地表破裂纹和陡降形变带的现象，但对应于Ⅷ 度地震烈度的9号试验却无明显试验现象，即Ⅷ 度地震烈度并不出现地表破裂现象.表明砂土作为松散介质在地震时对断层错动能量的吸收较粘土明显强的多.
5.2.3 相同基岩错动量一步和多步错动完成对其同震错动行为没有明显影响对比图 5中7、8号试验，相同基岩错动量一步和多步错动完成时，从地表形变陡降带的位置看，并没有明显的差别，均位于预制断层在地表投影线(1-1′线)断层上盘一侧.地表差异形变也无明显不同.
5.2.4 相同基岩错动量不同错动速度对试验现象无明显不同见图 5，7号和8号试验基岩错动量相同但错动速度分别为0.003m/s和0.01m/s, 虽然分别是一步错动和多步错动，试验工况并不一致，但整体上看试验现象无明显不同.这对试验中错动速度选取与试验现象的关系有参考意义.
5.3 第四纪覆盖层为粘土-砂土互层的情况对于粘土-砂土互层模型进行了6 个正断层错动试验.为对比不同地层层数对断层同震错动行为的影响，先进行了10 号(三层)、11 号(五层)和13号(九层)试验(预制断层上断点均在模型上部)，没有发现互层层数对同震错动行为的明显影响.据此确定了后续预制断层上断点在中部(14 号)、下部(15号)、无(16 号)情况的对比试验均选取九层模型，以使模型更接近北京地区粘土和砂土多层互层的实际情况.这6个试验的地表破裂现象及相关的主要试验测量参数见图 6.
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图 6 互层模型试验现象及测量结果 Fig. 6 Test results in clay-sand multilayer models |
10号3 层模型试验由于基岩错动量较小(仅0.53m, 为摸索控制错动量的初期试验)，没有出现明显的试验现象(尚找不到其他原因).11号五层和13号九层模型试验错动量分别为0.75m 和0.66m, 地表破裂宽度相同、位置也相同位于1-1′线近旁；11号五层模型试验地表破裂深度为8.3 m, 没有穿透厚14.8m 的第一层粘土层，而几个九层模型试验地表破裂均穿透厚为7.0m 的第一层粘土，并立即止于下一层砂土顶面.互层试验中没有发现互层层数对同震错动行为的明显影响.
5.3.2 砂土层的隔震作用显著从互层试验地表破裂穿透第一层粘土即止于下一砂土层顶面，可见砂土层对地震破坏有显著的隔离作用.
5.3.3 不同预制断层上断点埋深同震错动行为特点预制断层上断点埋深对地表形变(地表差异沉降量和形态)影响不大.预制断层上断点埋深越浅(断层活动年代越新)，地表破裂条数越少且越向1-1′线(沿预制断层向上与地表的交线)近旁集中、主破裂宽度越宽，破裂深度会受到第一层砂土层的限制而终止于砂土层顶面.反之上断点埋深越深(断层活动年代越老)，地表破裂条数越多、越分散、影响范围越大，但主破裂仍在1-1′线近旁、主破裂宽度越小.预制断层对同震地表破裂有方向定位、集中引导作用，特别是对比无预制断层16 号试验，上述趋势十分明显.试验测量和从图 6 可以换算出:70 m 厚度粘土和砂土互层的第四纪覆盖层中断层同震错动时，Ⅷ度地震烈度作用产生的地表破裂与1-1′线距离最大不超出27m.
6 结论从本次试验研究分析第四纪地层中断层同震错动有以下特点:
(1) 地表形变
不同土性地层地表形变均受基岩错动量影响显著.但基岩错动量相同时，不同土性地表形变相似.从对比5 号、9 号和16 号这三个分别是粘土、砂土和互层的无预制断层试验，基岩错动量均是0.67m, 断层两盘地表差异形变量分别是几乎相等的0.60m、0.60m 和0.58m.从前述分析还可见预制断层上断点埋深对地表形变影响也不大.
(2) 地表破裂
总体看来，较致密的粘土地表破裂现象明显，表现丰富、细致；较松散的砂土除了地表面细小的破裂纹外，同震错动破裂现象只能以陡降形变带形式稳定保留.砂土对地震时断层错动能量吸收强(表现出Ⅷ度地震烈度并不出现地表破裂现象)，隔震作用明显.粘土-砂土互层的地层中，粘土和砂土各自保持着同震错动行为特征外，相互影响产生了另一个新的特征现象即砂土层会阻隔穿透粘土层破裂的继续发展.
(3) 地表破裂的避让距离
本试验表明70m 厚度第四纪覆盖层中断层同震错动时，Ⅷ度地震烈度作用产生的地表破裂距断层面向上与地表交线的最大距离:在单一粘土地层情况下不超出20 m, 在粘土-砂土互层地层情况下不超出27m, 在单一砂土地层情况下不出现地表破坏.单一砂土地层在X 度地震烈度作用下产生的地表破坏距断层面向上与地表交线距离最大不超出45m.建设工程只要避开地表破裂带就可以避免地震造成的直接错断破坏，因此这些距离参数正好可以作为相应地震烈度和场地条件下建设工程对第四纪断层的避让距离.确定避让距离的基准线是断层面与地表的交线，此交线位置可以通过地震活断层探测工作来确定，但应注意建设工程的具体情况以及不同抗震设防重要性对此交线探测精度的要求.
(4) 其他相关认识
第四纪覆盖层中断层同震错动的速度对其行为特征影响不明显；比较一次和多次错动达到相同错动量的情况，对同震错动行为没有明显的影响，只是经多次错达会对致密土料(如粘土)地表破坏产生影响范围加大、破裂缝条数增多的现象；粘土-砂土互层地层中的互层层数对同震错动行为的影响不明显.
| [1] | 周庆, 徐锡伟, 于贵华, 等. 汶川8.0级地震地表破裂带宽度调查. 地震地质 , 2008, 30(3): 778–787. Zhou Q, Xu X W, Yu G H, et al. Investigation on widths of surface rupture zones of the M8.0 Wenchuan Earthquake, Sichuan Province, China. Seismology and Geology (in Chinese) , 2008, 30(3): 778-787. |
| [2] | Wells D L, Coppersmith K J. New Empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement. BSSA , 1994, 84(4): 974-1002. |
| [3] | 李小军, 赵雷, 李亚琦. 断层错动引发基岩上覆土层破裂过程模拟. 岩石力学与工程学报 , 2009, 28(增1): 2703–2707. Li X J, Zhao L, Li Y Q. Simulation of fault movement induced rupture process of overlaying soil of bedrock. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering (in Chinese) , 2009, 28(增1): 2703-2707. |
| [4] | 刘守华, 董津城, 徐光明, 等. 地下断裂对不同土质上覆土层的工程影响. 岩石力学与工程学报 , 2005, 24(11): 1868–1874. Liu S H, Dong J C, Xu G M, et al. Influence on different overburden soils due to bedrock fracture. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering (in Chinese) , 2005, 24(11): 1868-1874. |
| [5] | Lee Jeawoo. Study on earthquake fault rupture propagation through sandy soil deposit. Tokyo: Waseda University, 2005 . |
| [6] | 胡平. 第四纪地层中断层同震错动行为的离心机试验研究. 北京: 中国科学院研究生院, 2009 . Hu P. Centrifuge modeling on the behavior of co-seismic fault dislocation in the Quaternary stratum (in Chinese). Beijing: Graduate University of Chinese Academy of Sciences, 2009 . |
| [7] | 董津城. 发震断裂的安全距离规定简介—《建筑抗震设计规范》修订简介(五). 工程抗震 , 1999(2): 14–16. Dong J C. Brief introduction to the stipulations related safety distance from Earthquake causative fault. Earthquake Resistant Engineering (in Chinese) , 1999(2): 14-16. |
| [8] | 董津城. 地震区规划建设中场地断裂对建筑物影响问题的探讨. 工程勘察 , 1992(4): 12–15. Dong J C. Discussion on the influences of site faults in planned construction in seismic area to buildings. Geotechnical Investigation and Surveying (in Chinese) , 1992(4): 12-15. |
| [9] | Bransby M F, Davies M C R, Nahas A El. Centrifuge modelling of normal fault-foundation interaction. Bull. Earthquake Eng. , 2008, 6(4): 585-605. DOI:10.1007/s10518-008-9079-0 |
| [10] | Paolucci R, Yilmaz M T. Simplified theoretical approaches to earthquake fault rupture-shallow foundation interaction. Bull. Earthquake Eng. , 2008, 6(4): 629-644. DOI:10.1007/s10518-008-9081-6 |
| [11] | Ng C W W, Pun W K, Kwok S S K, et al. Centrifuge modelling in engineering practice in Hong Kong. Proc. of the Geotechnical Divisions Annual Seminar, Hong Kong Institution of Engineers (HKIE), 2007. 55~68 |
| [12] | Ng C W W, Van Laak P A, Tang W H, et al. The Hong Kong Geotechnical Centrifuge. Proceedings of the Third International Conference on Soft Soil Engineering, Hong Kong, 2001. 225~230 |
| [13] | Ng C W W, Van Laak P A, Zhang L M, et al. Development of a four-axis robotic manipulator for centrifuge modeling at HKUST. Proceedings of the International Conference on Physical Modelling in Geotechnics, St. John's Newfoundland, Canada, 2002. 71~76 |
| [14] | Nowroozi A A. Empirical relations between magnitudes and fault parameters for earthquakes in Iran. Bull. Seismol. Soc. Am. , 1985, 75(5): 1327-1338. |
| [15] | Waldhauser F, Ellsworth W L. A double-difference earthquake location algorithm: method and application to the northern Hayward fault, California. Bull. Seismol. Soc. Am., 2000, 90(6): 1353~1368 |
| [16] | 邓起东, 于贵华, 叶文华. 地震地表破裂参数与震级关系的研究. 见: 国家地震局地质研究所编. 活动断裂研究(2). 北京: 地震出版社, 1992. 247~264. Deng Q D, Yu G H, Ye W H. Relationship between earthquake magnitude and parameters of surface ruptures associated with historical earthquakes. In: Institute of Geology, SSB, ed. Research on Active Fault (2) (in Chinese). Beijing: Seismological Press, 1992. 247~264 |
| [17] | 郭增建, 马宗晋. 中国特大地震研究. 北京: 地震出版社, 1988 . Guo Z J, Ma Z J. Research on Catastrophic Earthquakes in China (in Chinese). Beijing: Seismological Press, 1988 . |