（工程力学专业论文）城市隐伏活断层破裂成灾的模型试验及DSCM方法的研究.pdf

摘要 摘要 城市地下跨伏活断层能够直接触发地表破裂、地震等多种地质灾害，对城 市的地裹建筑、离浆桥、工业设施，城市生命线等构成严踅威胁，因而近年来 得到了各国赢度重视，也成为了地质力学鞠灾害力学界的藿耍课题。地表破裂 是断层作用在她表最直接的灾害响应，所以对于她表破裂的研究有助于活断层 成灾的枧理探讨。本文结合现场瓷料，邋过模型试验对该课题拜展了实验室研 究，并结合其成灾过程的特点狃数字散斑相关方法( d s c m ) 的基本原理，发展了 一套d s c m 观测分析系统，该系统被弓i 入了模型试验的观测中。 论文结合城市地下隐谯活断层成灾的现场资料和模型试验的基本原理，设 计了走滑断层孀滑运动弓l 起地表破裂的模型试验，势采用自光数字敝斑相关法 观测了模型内的地表部分，褥到了地表的全场位移量和应变量分布，主要成果 为：( 1 ) 设计7 走滑断层蠕滑运动引起媲袭破裂的相似模型，该模型可以有效 的模拟断层蠕滑运动引起她表破裂的成灾过程；( 2 ) 采用臼光数字散斑法，观 测了模型地表的变形场，得到了位移场和应变场的全场分布；( 3 ) 分析了定沉 积屡蓐度条僚下蠕滑运动位移曩同地表破裂的产生、扩展及成灾程度闯的关系i “) 分析了沉积层厚同地表破裂的产生、扩展及成灾程度间的关系。 论文发展了适用于模型试验过程中进行变形场测量的d s c m 观测系统，其 主要成果为：( 1 ) 发展了适于模型试验测量的d s c m 关键技术，包括分剐用于 俊速预分析和高精度最终分析的相关公式、搜索算法以及距像素估计算法；( 2 ) 设计和实现了用予模型试验过程中进行交形场测量的d s c m 的硬件和软件系 统，可以完成她质力学模型实验环境下对模型表面内变形场的动态图像采集及 按不问要求懿处毽及分析；( 3 ) 探讨了模型表瑟散斑颗粒尺度积分布对测曩结 果的影晌，并得到了一个最伉设计方案# ( 4 ) 分析了窗口尺寸对予精发的影嚼， 并讨论了搜索窗口的平滑效应。上述研究成果为地质力学模型的变形场观测， 提供了一种更加适合的测试方法，为通过模型试验方法研究城市地下隐伏活断 层的成灾枫理提供了有效的观测手段。 关键谓：活断层，数字敖斑相荚方法，模型试验，成灾机理，地表地裂缝 m o d e l i n gt e s ta b o u tg r o u n df i s s u r ec a u s e db ys t r i k e - s l i pf a u l tw a sd e s i g n e d ， a n dt h ef u l lf i e l dd e f o r m a t i o no ft h eg r o u n ds u r f a c ec a u s e db yt h em o v e m e n to f f a u l tw a sg o tb yd s c m t h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa b o u tt h i sp a r ta r e ： ( 1 ) d e s i g n e dam o d e lt e s ts y s t e m ，t h em o d e lc a ne f f e c t i v e l yr e p r e s e n tt h e e v o l u t i o n a r yp r o c e s so fg r o u n df i s s u r ec a u s e db ys t r i k e s l i pf a u l t ( 2 ) m e a s u r e dt h ed e f o r m a t i o nf i e l do fg r o u n ds u r f a c eb yd s c m f u l l f i e l d so fd i s p l a c e m e n ta n ds t r a i nw a s g o tb yi t ( 3 )a n a l y z e dt h ea f f e c t i o no fd i s p l a c e m e n tc a u s e db yf a u l tc r e e p i n g m o v e m e n tt ot h ee v o l u t i o n a r yp r o c e s so fg r o u n df i s s u r e “)a n a l y z e dt h ea f f e c t i o no fs e d i m e n t a r yd e p o s i tt ot h ee v o l u t i o n a r y p r o c e s so fg r o u n df i s s u r e d s c mi s i m p r o v e da n da p p l i e di nm o d e lt e s ti nt h et h e s i s ，a n dt h e a c h i e v e m e n t sa b o u tt h i sp a r ta r e ： ( 1 )i m p r o v e dk e yt e c h n o l o g yo fd s c m ，s oi tc a nb eu s e di nm o d e l t e s t ( 2 ) d e s i g n e d am e a s u r e m e n ts y s t e mi n c l u d i n gh a r da n ds o f ts y s t e m 。 ( 3 )a n a l y z e dt h ea f f e c t i o no fs p e c k l ep a t t e r nq u a l i t yt ot h ec o m p u t i n g e r r o r ，a n dp u tf o r w a r da no p t i m a lm e t h o d ( 4 )a n a l y z e de r r o rc a u s e db yt h es c a l eo fs e a r c hw i n d o w ，a n dd i s c u s s e d s m o o t h i n ge f f e c to ft h es e a r c hw i n d o w t h ea b o v er e s e a r c hw e r kc a r r i e do u ti nt h et h e s i s i tc a nh e l pu st ol e a r nt h e m e c h a n i c so ft h o s eh a z a r d sc a u s e db ya c t i v ef a u l t s t h er e s e a r c ha l s op r o v e dt h a t d s c mh a sab r i g h tf u t u r ei nm o d e l i n gt e s t k e yw o r d s ：a c t i v ef a u l t ，d s c m ，m o d e l i n gt e s t ，m e c h a n i c so fh a z a r d s ，g r o u n d f i s s u r e s i i 1钾j 、i ? 第一章综述 第一章综述 1 1 城市地下活断层引发的地质灾害 城市建筑物密集、人口密度大、基础设施网络化、系统本身存在着 严重的脆弱性活断层是地壳中最重要的构造，也是引发地震、地裂缝、 地表沉陷、坍塌、滑坡等地质灾害的罪魁祸首，因此严重威胁着城市和 人类的安全n 】。面对活断层引发的地质灾害，人们通过对不良地质的调 查，圈定潜在的灾害区，从而制定相应的防灾措施。但目前人们对活断 层引发地质灾害的机理还不清楚，所以对于潜在的危害程度还不能做出 有效的评测。活断层的运动是其本质特征，也是其成灾的根本原因，对 于活断层运动规律和引发地表破坏的研究，一方面有助于分析其成害机 理，另一方面有助于对活断层的探测与识别。因此开展活断层的研究有 助于城市和人类的安全保障。 断层是地壳表层中岩层顺破裂面发生明显位移的构造。岩石发生相 对位移的破裂面被称为断层面，断层面之上的一侧称为上盘，之下的一 侧称为下盘心”。上盘相对是下滑错动的称为正断层，多是由于受拉张 造成；上盘相对是上冲错动的称为逆断层或逆冲断层，多是由于受挤压 造成：两盘沿断层走向作相对水平错动的称为平移断层或走滑断层，如 图卜l 所示。断层有各种不同的尺度，从较小的破裂，到上千公里( k m ) 的板块边界的断裂带。小断层在地表的出露近似为一条线，很多大断 图卜1 断层的基本构造类型 层则常是包括多条断层集合的宽阔的地带。一般称单条的为断层，而多 条断层的集合带则称作断裂带。断层存在的深度不同，较小的断层一般 存在于地壳表部，巨大的断层一般可达到地壳的脆韧性转换带，在韧性 区位错迹象难于长时间的保留，因此断层一般在中上地壳最为明显，大 多数的地震也是发生在二三十k m 以上这一深度的范围内。深部的断 层有的直接出露地表，有些则是隐伏的，它们在深部的位置和延伸情况 第一章综述 要靠地球物理等方法间接测定。在漫长的地质历史过程中，地球表面曾 形成过不计其数的大大小小的断层，它们形成与活动的时代新老不同， 许多断层经过强烈滑动位移之后早已停止了活动，成为已愈合的死断 层，这类断层一般不再具备引发地质灾害的危险。对研究现代断层引发 的地质灾害的危险性来说，更关心现代仍在活动着的断层，即活断层 从地质学角度看，一条断层如果在现代构造应力场的背景下，或者说是 在现代构造环境下曾是活动的，它就可被视为活动断层h 1 。工程意义 上的活断层，是指晚更新世( 1 2 万年前左右) 以来的活断层。这些活 断层在我国大陆内广泛分布，尤其是在中国的西部地区，如图卜2 所示， 活断层规模大、活动性强，造成了严重的地质灾害。大断层常常构成区 域地质格架，控制区域地质结构的演化，而小断层由于数量多，分布广 范、隐蔽性强，其破坏性更不容忽视，分布于城市地下的断层多属于这 一类型，因此对城市地表建筑和地下生命线构成严重威胁。 图1 - 2 中国大陆活断层分布图 2 第一章综述 活断层引发的相关地质灾害可分为：活断层快速活动灾害、活断层 缓慢活动灾害、活断层次生灾害三种类型。 断层快速活动形成地震。板块运动，使地壳积累了大量的能量， 当地应力达到一定的限度，岩层发生突然的破裂，能量从地壳断裂处 释放出来，形成巨大的地震波。一次6 级地震瞬间释放的能量就相当 于美国二战时在日本广岛投下的原子弹释放的能量。而活断层正好是 地壳最易破碎的位置，破坏性地震震中大都分布在活断层带上，地表 与活断层相应位置又是发生形变和位移最大的地方城市人1 ：3 和财富高 度集中，其破坏性和危害性更大。早在2 0 世纪初，1 9 0 6 年美国旧金山7 9 级 地震和1 9 2 3 年日本东京8 2 级地震就使这两个大城市遭到毁灭，其中的旧金山 地震沿s a n a n d r e a s 断裂发生，右旋水平位移达6 i m 。1 9 7 6 年我国唐山7 8 级 地震使这一百万人口的重要工业城市毁于旦，仅死亡人数即达2 4 万以上，经 济损失达数百亿人民币，沿通过市区的发震活动断裂唐山断裂发生了长约1 0 k m 的地表破裂，右旋水平位移达2 - 3 m ，垂直位移0 7 1 m 。1 9 9 5 年1 月1 7 日日本沿大阪一神户地区发生7 2 级地震，就是由于北东东向隐伏活断 层活动，地震发生后活断层带上的生命线工程全部毁坏，建筑物倒塌， 铁轨变形，高架路翻身，煤气管破裂燃烧，造成6 4 0 0 多人死亡，经济 损失达1 0 0 0 多亿美元，沿断裂产生的地表位移大于i m 1 ，造成无法抗拒的 地面错动带，从而大大加重了地面建筑物的破坏。1 9 9 9 年8 月1 7 日土耳其 伊兹米特市发生7 8 级地震，地震发生在有名的安那托利亚活断层上， 破裂带从伊兹米特东侧穿过萨帕贾湖一直向北东东向延伸，长度达 1 8 0 k m ，破裂以水平错动为主，最大水平错距5 m ，垂直错距0 5 1 5 m ， 破裂带最大宽度5 7 m ，主震后，余震活动频繁，密集分布在安那托利 亚活断层带上，使已遭受严重毁坏的建筑物雪上加霜造成1 6 0 0 0 多人 死亡，直接经济损失超过2 0 0 亿美元。1 9 9 9 年9 月2 1 日台湾南投县 发生7 6 级地震，开始是双冬活断层活动，同时牵动相邻的车笼埔断 层大规模错动，破裂长度超过8 0 k m ，水平位移达1 0 m ，垂直位移高达 4 m ，断层沿线的道路、桥梁、水库坝体和建筑物均遭到毁灭性的破坏， 造成2 4 0 0 多人死亡，直接经济损失达1 1 8 亿美元。国内外大量震例和 科学研究均表明，活断层沿线是震灾最为集中，人员伤亡最严重的部 位，其损失程度均明显大于断层两侧其它区域，尤其是7 级以上的地 震往往造成断层以上地表数米的错动，形成毁灭性灾害带，而目前抗 震设防措施还难以阻止这样大的错动对人工地面设施的直接毁坏。 第一章综 述 图1 - 3 断层通过的公路 图1 4 断层通过的高架桥 断层缓慢活动造成地表变形和破裂。最典型的断层缓慢活动( 断层 蠕滑) 的例子是美国西部的圣安德烈斯断层。美国旧金山市南约1 5 0 k m 的霍利斯特( h o l l i s t e r ) 市，1 9 4 8 年建筑的阿尔马登( a l m a d e n ) 酿酒 厂，1 9 5 6 年其墙壁和楼板开裂，虽多次修缮但裂缝却继续产生和发展。 最后查明，该厂房正好建在圣安德烈斯断层上，该断层正以平均每年 几厘米的速度运动，断层上覆沉积层出现带状破裂，破裂带的宽度为 3 1 7 米，这就是酿酒厂建筑为何屡次遭受破坏的原因。2 0 世纪6 0 7 0 年代以来，沿着穿过霍利斯特市的圣安德烈斯断层，出现了人行道的 错动、房墙的开裂、篱笆的相对位移等变化，如图卜5 ，图卜6 所示。 图1 - 5 地下有断层穿过的篱笆墙图卜6 圣安德烈斯断层 4 第章综述 如今，霍秘斯特市已经园其地下断层的持续蠕动两闻名于世卿。土耳其境内有 条东西向的活断层，位于北安娜托剃亚山区的南麓，与其走向平行。该断层常有 大地震发生，如：1 9 4 4 年哈马穆利7 6 级地震和1 9 5 1 年的6 5 级地震，1 9 5 7 年 在1 9 5 1 年震后发生错动的位置建起了一堵石墙，到1 9 6 9 年发现石墙已经被剪切 错开，左旋锚动2 4 c m 。前苏联中贬阿尔姆地区，断层一侧以速率1 c m a 蠕动上 升，另一侧不动。日本中部也发现了一些断层，如：阿寺断层、山崎断层，其蠕 动速率为0 1 4 ) 5 e r a a ；印度沃纳( w a r n a ) 坝区地袭出现地裂缝，据分析与沃纳 ( w 引潮断层近年柬的蠕滑运动有关。在我国，断层缓慢活动造成她表变形 现象中最常见的为地裂缝。截止1 9 9 9 年底统计，全国发现具有一定规模能引 起人们重视的地裂缝有60 0 0 余彩引，其中构造地裂缝约占8 0 左右。如汾渭 盆地有地裂缝1 0 1 处2 8 6 条，其中构造地裂缝占8 2 、非构造地裂缝占1 8 。 河北平原有她裂缝2 0 1 处4 4 9 条，构造地裂缝占7 9 3 、非构造地裂缝占2 0 7 婀。目前，我国西安、邯郸，大同等城市地下活断层满滑运动造成的破 坏，以成为这些城市的严重地质灾害。 活断层次生灾害是指出于断层活动造成利于灾害形成的地质、地貌条件。如 断层破碎带、节理带、断层陡坎等均利于滑坡、泥石流的发生。小江断裂带是西 南地区重要的活动断裂带，该带也是中国泥石流最早发育的地区之一，仅小江谷 底两岸一级支流沟分布的泥石流就有近酉条。藏东一j | 西地区，区内频繁发生的 地质灾害，是j f | 藏公路畅通率极低的主要原因之一。 1 2 城市隐伏活断层破裂成灾的研究意义 城市建筑物密集、人口密度大、基础设施网络化、系统本身就存在 菅脆弱性，因此隐伏子城市地下的活酾层较分布予城市外的活断层产生 的破坏性更大，造成的生命和财产损失更为严重。由于活断层探测和鉴 定手段的复杂，专业性强，影响了在灾害防治中活断层探溺工作的大规 模开展。可以说城市地下活断层直接威胁到城市建设和市民的生命及财 产安全。在美国、日本等地的大地震中，由于位于所在城市或附近的断 层活动，在活断层上或附近的建筑物大多数都遭受了毁灭性的摧毁，这 种现象在断裂沿线长达几十公里甚至上百公墨范围内存在。国内以西安 市为例，由于城市地下活断层引发的她裂缝灾害，1 9 7 7 年至今已造成 部分建筑物及生命线工程破坏、工业停工停产、地使用价值降低，直 接造成经济损失达1 6 ，8 9 亿元之多，成为严重影响城市建设和发展的城 市地质灾害。与此同时，大同，榆次、雅汾，韩城、泰安、兖州、邯郸 第一章综述 等中小城市也出现了活断层引起的地袭构造她裂缝口，。 目前，钟对活断层灾害评价工作仅在重大工程和重要地区有所涉 及。在地震医划和重大工程她震安全性评价项目中活断层是要考患鹩重 要因素，一些对社会有鬟大徐蕊或者有重大影响的工程，如核电站的建 设工程选址，制定了专门针对活断层的安全规范。在些重大工程的施 工设讦中，活断层灾害_ 弼= 始被引起关注，如青藏铁路项目开展了活断层 灾害的评价工作。城市地下活断层产，鬟钓地质灾害中，直接作用并显露 予地袭的是她裂缝灾害，它是龋瑶构造活动产生的力累积并超过沉积层 内部的结合力对，沉积屡发生破裂，当其遭到连续性破坏后在地表形成 一定宽度的破裂带。地裂缝是城市地下活断层成灾的最蠹观约灾害现 象，同时也是寻找和探测活断层的依据，对地表破裂以及地裂缝的研究 能够反演断层的成灾过程，探讨其成灾和破坏机瑷。 在西安、大同等城市地下活断层的观测，发现由于断层的蠕滑作用 在地袭形成严格受断层控制的破裂带。位予破裂带上的建筑物，受到蛊 断层一地基土一地基一建筑物，自下丽上的瘦力传递、集中和释放，从 而发生连续破坏。大量建筑物的破坏表明，在现有通常的建筑物结构形 式下，各粪建筑物对于断层的影响都是不可抗拒豹，并将产生严重破坏 西安大酒店因来考虑地下断层的影响，损失近l 亿元”3 。然丽，避开活 断层几十米，建筑物受损明显减轻，或基本保持完好。为此，世界器国 都投入巨资开展活断层探测工程，有的国家还通过立法来规定开展活断 层探测和建筑_ i 程必须避让活断层研究断层在缝表的空闯影响范隧， 确定建筑物在地表地裂缝两侧安全距离，可以为城市建设和规划提供依 据疆前人们虽然已经认识到了城市地下活断层的危害，僵对于该弼题 系统研究还没有开展。 。 在1 9 6 6 年美国帕克菲尔德5 3 级地震两周静，野外考察团在其震 中附近圣安德列颠断层地表蕊发现了新的地裂缝，并预测了这地方将有 大地震发生。艾伦私史密颠认为，在郡个融媛该处的她下断层出现了赢 速的蠕动。虽然断层活动弓 起的地裂缝很容易被人们发现，但同地震前 兆有着缀大的不确定性。嚣为断层孀潜移地震弓l 发的玩裂缝的楣似署目人 们对地震的恐惧。斯层引起的地裂缝通常会被人们误认为地震的前兆， 从而引发市民的恐慌。一些寓目的避震，将导致停工，停产、防震物资 储备和群众巯散等，造成极大的经济损失和浪费。由予对地下活断层引 发的构地裂缝的形成枫理积演化规律尚不清楚，蜀静仍无法有效的鉴别 第一章综述 地裂缝同地震前兆闽的关系。 地下活断层引发地袭破裂的实须是力作用在岩层和土层中的体现， 其中包含着不同介质在同一应力场下的破坏机理淘题和岩层弱土层间 的祸合作用闯题。李四光教授认为；可以“把它们( 地下活断层引起的 构造逾裂缝) 童律是魄下构造活动的地面投影”。通过对断层活动引起 的地裂缝的研究，可以反演地下源部的裂陈构造和发育。 总之，活断层控制着地表附近最具活力的地带，它与众多地质灾害 有关，加强对活辑层的研究和调查，将进一步深化和完善与活断层相关 的地质灾害防治工作。 1 3 国内外的研究现状 近年来，世界上许多国家都开始重视对活断层的研究工作。美国 南搬州地区1 9 9 4 年洛杉矾靶蛉地震后，在该地区开展了大规模的活断 层探测；1 9 9 9 年l o 月加州7 1 级赫克托矿地震发生质，政府又投入 巨资，安施l a r s e 计划，在洛杉矾周围9 3 个地点实施人工地震探溯， l ：l 确定来来可能威胁洛杉矾的直下型缝震豹震源位嚣。日本政府在 1 9 9 5 年阪神地震屠，加强了内陆活断层的研究，在原青投入的基础上 又追加了6 7 9 亿日元，对8 个地区的主要活断层进行紧急诵查研究， 并针对活断层在东京等地区实施三大城市密集区的综合地球物理探测 计翎。台湾1 9 9 9 年“9 2 1 ”大地震后，“国科会”投资1 5 亿新台币， 实施“地震与活断层”研究计划，对几个重点地震危险逸进行活断层 探测研究。 中国是一个活断层广泛分布的国家，也是一个多地质灾害的国家， 有近曼分之= 的超百万人口太城市，位予地震基本慰度七度或七度以 上地送。据资料统计，全球的地震活动水平是稳定的，但由于全球城 市化步伐的加快，当前世界5 0 的人口生活在城市，7 0 的财产集中 在城市，一旦城市遇到地震，人员伤亡和经济损失都是空前巨大的， 而引发城市地质灾害和加剧地震损失的重要元凶之一就是隐伏在城市 地下的活断层。丽由于各种条件所限，中国至今未能对全部城市滔断 层的分布位置及其缝震危险性做出清楚了解，给城市安全留下了严重 的隐患2 0 0 0 年1 月云南姚安缝震屠，汪泽民总书记指如：“西部大 开发建设地区要注意避玎活断层”。温家宝副总理2 0 0 0 年1 月视察中 国地震局时指出；“酋先要加强探明城市地下活断层的分布及其危害 7 第一章综 述 性的评估工作”。 我国2 0 世纪8 0 年代以来在主要地震带与地震重点监视防御区开 展了活断层的探测与研究，对近2 0 条主要断裂带进行大比例尺地质填 图，参与了国际活断层对比，在若干历史强震区开展了多学科，多手 段深浅孕震构造的探测研究。为摸清大城市活断层灾害的潜在危险性， 对大城市防御活断层灾害起到重要作用，2 0 0 1 年国务院投资数l o 亿 元，由中国地震局牵头，会同各目标城市所在的省市人民政府、省地 震局共同组织实施“中国地震活断层探测技术系统建设”1 。该项目 主要针对北京、上海、天津等二十一个城市进行活断层探测，查明活 断层准确的空间位置、规模，活动性和地震危险性，使城市新建的重 要设施、生命线工程、居民小区等尽可能地避开活断层，使已建在活 断层上的重要建筑设施尽早采取防范措施。以有效减轻城市地震等地 质灾害，确保社会稳定和经济建设可持续发展。目前，国内的一些大 城市已经开展了活断层探测与地震危险性评价的研究工作，如：上海、 杭州、苏州、南京。以南京为例，目前在南京市及周边地区查明存在 着4 条断层，分别是：南京一湖熟、幕府山一焦山、江浦一六合和方 山一小丹阳。南京市地震活断层探测主要是通过地质、地球物理、地 球化学等多种方法来查明主城区及其邻近地区内主要活动断层的位 置、产状、规模和活动性。我国幅员范围广，强地震带多，经济实力 有限，不可能“撒大网”在全国范围内开展活断层探测，因此，分期 分批地逐步开展大城市活断层的探测和地震危险性评价，准确确定大 城市地下活断层的分布及其危害性。城市规划把活断层两侧断层影响 区域作为绿化带，避免在活断层上进行建设，至少不建学校、医院、 影院、商场等重要公共建筑物，近断层采取分级抗震设防等措施，是 城市发展建设中一项不容迟缓的基础性工作，是造福当代、造福子孙 的爱民工程。 地下隐伏活断层的产生发育和成灾机制是一个非常复杂的地质力 学问题，其构造特征具有非线性。断层的运动和破裂机理尚不清楚 n “”1 ；在其成灾过程中断层直接对其上覆沉积层作用( 在地表产生地裂 缝) ，断层和沉积层间具有耦合作用关系，同时断层的活动受所处地 下应力场影响。由于对断层成灾现象的认识和了解有限，目前该问题 的研究从理论和计算的角度还不能有效解决，所以试验是研究该问题 的首选方法 8 第一章综述 1 4 本文主要工作 活断层的运动是其成灾根源，该研究将有助于分析活断层的成灾 机理，有助于对隐伏活断层的识别和断层潜在危害的评测。同样面对 隐伏活断层，由于城市人口和财产集中以及城市保障体系脆弱，分布 于城市地下的隐伏活断层较分布于城市外的，在成灾过程中所造成的 生命财产损失更大。目前该问题，还没有可靠的研究方法和指导性的 研究成果。本文工作在认真总结活断层分布和成灾规律的基础上，通 过模型试验的方法研究了断层活动过程中引发的灾害，研究工作的主 要内容如下。 1 提出模型实验的研究方法。重点研究走滑活断层造成的地表破 裂灾害，应用白光数字散斑观测方法( d i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o n m e t h o d d s c m ) 分析地表破裂过程中变形场的演化规律。 2 设计模型实验。基于走滑断层成灾特征，结合相似模型设计 基本原理( 量纲理论和相似理论) ，研究如何通过模型试验再现成灾过 程测定基岩和沉积层材料的物理力学参数，研究相似材料配比，制 作相似模型。研究有效的试验数据记录和分析系统，对断层活动规律 和地表破裂场内变形数据进行分析和监测。 3 研究d s c m 方法在模型试验中的应用与改进。重点研究白光数 字散斑相关法的关键技术。研究在模型实验中的可行性，分析散斑质 量对实验的影响和能够引起误差的因素，提出相应的改进方法 4 结合活断层实际成灾案例分析试验结果。首先，分析走滑活 断层错动位移量对地表破裂带的影响，和带内破裂形式及分布规律； 其次，应用分形方法分析沉积层厚度对于地表破裂的影响，分析沉积 层厚度对于地表破裂行迹的影响；最后，研究活断层引发的构造地裂 缝同地震前兆的关系。 5 。给出了本文最后的研究结论。 9 第二章城市隐伏活断层破裂成灾的模型试验研究方法 第二章城市隐伏活断层破裂成灾的模型试验研究方法 目前城市地下活断层的成灾机理和主要影响因素，还没有被人们 所揭示，关于该课题还没有合理的力学模型，也就无法开展有效的数 值分析。本章，将结合其成灾特征，讨论模型试验方法及d s c m 观测 方法在该课题研究中的研究优势。 2 1 活断层的分布与成灾特征 活断层分布研究涉及内容可主要归纳为：“有没有、活不活、深 不深、震不震、错不错”。“有没有”是指探明城市地下有没有断 层，有几条，展布位置；随之开展断层活动年代测定与构造应力场测 量，以确定该断层的性质，查明是活断层还是固化断层( 死断层) ，解 决。活不活”的问题；对于被确定为活动的断层，则要进行详细勘探， 使水平定位精度达到1 5 m 以内，更要查明其深部延伸，揭示出城区在 深部的地震孕育条件和构造背景，即“深不深”：评估工作的最后两 步集中在“震不震”和“错不错”上，前者是指评估在该断层上发生 直下型或边缘型地震的危险性，后者是指评估一旦发生地震之后或在 没有地震发生时期，断层的运动会不会引起地面的错动和开裂，定量 地给出地面错动的距离和对建筑设施毁坏的影响程度。 活断层的探测研究，特别是大城市地下活断层的探测，由于地表 密集分布的建筑物遮挡与深达几十至几百米第四世纪土层的覆盖，给 城市活断层的探测带来了很大的难度，仅仅使用传统地震地质的方法 和技术，只能查明活断层的静态学面貌，很难进行活断层的地震危险 性和危害性评价，所以“中国地震活断层探测技术系统”计划使用目 前世界上最先进的技术设备，采用地球物理、地球化学、遥感、钻探、 槽探、采样，测试等手段，多学科、多兵种联合作战，综合研究，通 过一个由粗到细，自浅入深的筛选过程，来揭开城市活断层的分布。 活断层作为基岩内主要构造，其活动特性和基岩所处的地应力场 和基岩所经历的历史承载过程密切相关。活断层的活动是导致断层成 灾的动力因素，现场资料表明活断层引发的地表破裂严格受断层走向 控制，而且同位移量相关。断层成灾是通过沉积层上传的断层激励的 地表响应，沉积层厚度是这一系统的关键因素，厚度直接影响到灾害 程度。所以，断层位移量和沉积层厚度是影响活断层成灾的两个关键。 1 0 第二章城市隐伏活断层破裂成灾的模型试验研究方法 2 2 模型试验方法的优势 地下隐伏活断层的产生发育和成灾机制是一个非常复杂的地质力 学问题，其构造特征具有非线性，断层的运动和破裂机理尚不清楚； 同时在其成灾过程中断层直接对其上覆沉积层作用( 在地表产生地裂 缝) ，断层和沉积层间具有耦合作用的关系，同时断层的活动受其地 下应力状态影响。由于对断层成灾现象的认识和了解有限，对于该问 题的研究还不能提出合理的理论模型，数值分析的方法也就无从着手 所以试验是研究该问题的首选方法。 目前世界很多国家的地质工作者对分布在各地的断层进行了现场 研究，获得了大量的现场数据，对于活断层的深入全面的研究打下了 基础，但现场勘测过程中也存在着很多实际问题。断层多数隐伏于地 下，而且深度分布区间很大，只有部分有在地表露头现象，这样就很 难勘测出断层的产状；断层空间分布广泛，地质钻孔的方法获得的数 据有限，开挖的方法能够获得更为详实的资料但工程量巨大，如果对 一断层的研究采用全部开挖的方法根本不可能实现，最多也只能在部 分观测点开挖；同时断层的作用与时间效应关系密切，由于对断层进 行现场观测的时间跨越，观测环境变化很大，观测结果不同程度的受 环境的干扰，所以现场观测受实际问题的影响所获得的数据十分有限， 可信程度也会降低。 活断层的地质力学模型试验，可以有效的解决以上研究方法中遇 到的问题和不足。模型试验受环境干扰因素少，不需要投入大量人力、 物力、财力和时间。通过模型试验可以再现活断层成灾过程，而且可 以多次重复再现，不受时间空问限制。研究成灾的主要因素时，能够 调整相应因素参数，分析该因素对于成灾的贡献，揭示成灾机理在 模型试验的基础上建立成灾过程的理论模型，并指导数值方法反演成 灾过程，指导城市建设和防灾减灾工作。 本文开展的模型试验研究，将要模拟城市地下走滑断层的活动和 成灾过程，研究断层错动过程中地表位移场的演化和地表破裂带的形 成，分析该问题的成灾特征和机理。模型试验将断层位移量、上覆沉 积层厚度作为研究断层成灾的两个影响指标。重点研究断层位移量对 地表破裂的影响，给出不同位移量下的地表变形场；研究沉积层不同 厚度下的地表变形场和破裂特征。 第二章城市隐伏活断层破裂成灾的模型试验研究方法 2 3d s c m 方法的先进性 试验的观测方法是保障试验成功的关键环节。本文开展的模型试 验中观测区域是地表部分，要获取地表变形场内的位移和应变参量。 模型实验所关心的观测区域较一般岩石试件的尺寸大，本文实验中的 观测区域平面尺寸是0 8 x0 8 m 2 ，实验要求观测方法要有足够的观测 范围；根据实验的要求需要分析模型整个地表变形场内的位移和应变 参量，观测方法要满足全场的要求；模型的地表部分相似材料的材质 非常松软，观测方法要具备非接触的能力；地表变形场内的位移量和 应变量非常敏感，观测方法要有足够的精度和灵敏度；相似模型实验 的系统较大，实验所受影响因素多，观测系统要有较强的抗干扰能力。 地表变形、裂纹扩展演化路径、破坏形态是本文模型试验中最主 要的测量内容。应力值的大多数测量方法从实质上讲都是量测变形值， 且变形的测量比应力的测量更加直观，根据材料的本构关系很容易地 利用应变分布导出应力分布，因此变形测量在模型试验中居于十分重 要的位置。目前，变形测量方法主要有：格栅法、机械法、电测法、 光测法、声测法、热测法等n ”。 格栅法是试验变形分析中最古老的技术之一。格栅法在大变形测 量中十分有效，但本文的模型实验需要获得整个变形场的演化过程， 在断层发生位移初期变形量非常小，格栅法在测量微小变形时无法使 应变测量达到足够的精度。同时，由于底片上的格栅经过放大后，通 常都不够分明，以至在位移读数中引入误差。 机械法是一种接触式量测方法，具有直观、设备简单、抗外界干 扰能力强，稳定可靠等优点，但设备体积大，大多不能远距离观测及 自动记录，而且测点有限，难以测到全场位移。所以根本不能满足本 文实验中提出的非接触和全场的要求 目前电测法普遍采用电阻应变片作为传感器，它对弹模较高的整 体模型较为有效，对于模拟节理岩体的小块体模型只能测出单个小块 体的弹性应变，而不能测得节理变形量，且此法抗干扰性能差和传送 距离短。而且要将应变片贴到模型表面，由于本文模型表面的相似材 料非常松软，所以在本文实验中根无法应用。 声测法的实质是利用有关仪器和传感器测量在岩体中传播的声波 速度和衰减值n “川。岩体声波测试按其声源不同，分为声波探测与声 第二章城市隐伏活断层破裂成灾的模型试验研究方法 发射研究声波测试可用于测量岩体内主应力的大小和方向，可利用 声发射信号长期监测缺陷的发展和材料的安全性及稳定性。该方法简 便，测试面广，耗费人力、财力和时间较少，但该方法在确定缺陷具 体位置和裂纹扩展路径时精度较差，而且测点数目有限。声测方法在 本文的实验中无法满足对含断层结构的模型进行观测的要求。 光测力学方法是用光学的方法和技术进行力学参量测试的方法。 目前的光测技术主要有：全息法、莫尔云纹法、散斑法，自动网格法， 光扫描法、光衍射法及实时干涉法、外差法、激光多普勒法、光纤法 等，图像信息的采集和处理技术不仅适用于可见光，也适用于x 射线、 紫外线，红外线、放射线、超声波、微波及热成像等。光测力学方法 具有非接触、能测全场位移、灵敏度高、精度高、实时、遥测、快速， 自动化程度高等优点。随着光测技术及计算机图像处理技术的迅猛发 展，光测法的应用日益广泛n 5 】。 白光数字散斑相关法法具有光测力学方法的基本优点，而且系统 实现简单成本低，抗环境干扰能力强，可以无限次的重复观测。结合 本文模型试验研究特点，以及同以上观测方法进行比较，白光数字散 斑相关法有明显优势，是能够满足本文实验的最佳选择 目前，白光数字散斑相关方法一d s c m 已经成功应用于岩石材料力 学实验“”1 ，复合材料力学实验他”，木材瞳”、金属材料。”川等力学实 验，但在模型实验中的应用在目前文献中还没有报导。为保障模型实 验的顺利开展，还要对白光数字散斑相关方法进行相应的改进，以期 达到更好的实验效果 2 4 本章小结 本章，介绍了活断层的分布特征和探测研究的基本方法和城市地 下活断层探测过程中的干扰因素，并结合现场研究资料，给出了影响 活断层成灾的两个关键因素：活断层错动位移量、沉积层厚度。在第 一章提出模型试验的基础上，进一步介绍了模型试验的优势，确定本 文将要模拟走滑活断层成灾问题，将位移量和沉积层厚度作为主要成 灾影响因素。分析这两个因素对于地表位移场和地表破裂的影响，揭 示成灾过程及机理。对比电测、声测、机测、光测等变形测试方法后， 结合本文模型试验，确定将d s c m 作为试验观测方法，并介绍了该方 法的优势。 第三章模型试验设计 第三章模型试验设计 本章将要建立模拟城市地下走滑活断层成灾的地质力学模型实验系统。在 对基岩和沉积层材料物理力学性质测定的基础上，进行相似材料配比，制作相似 模型。实验的目的是通过模型实验，重点研究断层位移量、沉积层厚度对于地表 破裂特征的影响，分析活断层引发的地质灾害破发生机理和破坏机理。 3 1 模型试验的基本原理 通过模型试验研究工程中存在的力学问题，首先要解决以下两个问题：( 1 ) 如何使模型反映原型的客观规律；( 2 ) 如何将模型中得到的研究结果应用到原型 上去。相似理论和量纲原理分别从理论和应用方面初步解决了以上两个问题，因 而成为模型实验的理论基础”州。 3 1 1 量纲原理 任何物理量可分为有单位型和无单位型两大类，物理量的单位又可以分为基 本单位和导出单位两大类。物理学中常见的基本单位系是l m t 系，其中表示 长度单位、m 表示质量单位、r 表示时间单位；力学中常用的基本单位系为l k t 系，其系中足表示力的单位，虽然足在l k t 系是基本单位，但k 在l m t 系下为 导出单位可表示为k = 朋2 ，所以基本单位和导出单位并不是绝对的。 任何物理量的单位都可以由基本单位导出，以缸) 表示物理量口的单位，缸) 可以通过基本单位系表示为函) = m ”r 而且表示方法具唯一性( 已通过数学 证明) ，这种表示称为物理量的“量纲”或“单位因次”。如果在模型中以厘米、 克、秒等为单位研究得到的规律，可以用无量纲的量表示，那么该规律对于以公 里、千吨、百年等单位表示的自然现象同样适用。 量纲原理就是基于以上理论，在模型研究中用一组单位作为这个模型单位的 基本单位体系，可将这组单位中的各个单位称为独立单位，再将研究得到的规律 用无量纲函数或一定的比例关系应用到原型中。量纲原理简化了研究内容，凝练 出了影响问题的本质因素，将模型研究和原型应用有机的结合到了一起。 3 1 2 相似原理 模型试验依据的相似原理要求模型与原型( 实体) 相似，通过模型中的规律 能够反映原型的规律。模型与原型除了几何相似外，同类物理量，如应力、应变、 位移等也必须按比例相似，这些比例必须满足各种力学条件。 1 4 第三章模型试验设计 要使模型中所发生的情况，能如实反映原型中所发生的情况，就必须根据问 题的性质，找出主要矛盾，并根据主要矛盾，去确定原型与模型之间的相似关系 和相似准则，原型与模型相似必须具备下面几个条件。 ( 1 ) 几何相似 要求模型与原型的几何形状相似。为此，必须将原型的尺寸，包括长，宽， 高等都按一定比例缩小或放大，并应用到模型设计中。设以。和“分别代表原 型和模型长度，脚标h 表示原型m 表示模型，吼代表“和k 的比值，称长度 比尺，则几何相似要求，吒为常数。 吼= 告= 常数 ( 3 - 1 ) l m 因为面积单位是长度单位的二次方，所以面积比尺为鲁2 瓯2 ；体积单位是长度 单位的三次方，所以体积比尺为岂2 口：。 一般来说，模型越大，越能反映原型的实际情况，原型实际上口，= 1 ，但是 由于各方面条件限制。模型又不能做的太大，通常长度比尺口：取在5 0 1 0 0 间。 ( 2 ) 运动相似 要求模型与原型中，所有各对应点的运动情况相似，即要求各对应点的速度， 加速度，运动时间等都成一定比例。设以0 和t 。分别表示原型和模型中对应点 完成沿几何相似的轨迹所需的时间，以口，代表t 。和。的比值，称为时间比尺， 则运动相似要求为常数。即 口，= 卫= 常数( 3 - 2 ) | h ( 3 ) 动力相似 要求模型与原型的所有作用力都相似，以地压问题为例，按抓主要矛盾的观 点进行分析，主要是考虑重力作用，要求重力相似设以易，倍，和气，分 别表示原型与模型对应部分的重力，视密度和体积，因为 ph=7hyh(3-3) 易=(3-4) 第三章模型试验设计 账每= 善懈： ( 3 5 ) 所以在几何相似条件下满足重力相似，还要求白，嘞的比尺口，为常数，即口，为视 密度比尺。 贝0 ：口，= 三奠= 常数 ( 3 6 ) 由上述三个比尺，吼，q ，口，根据各对应关系组成的物理方程式，还可推得 位移，应变，应力等其它比尺 = 嚣= 邑= 每= 詈吨 c 。m 牵h = 牵。 p h 2 弘m ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) 式中：，g ，晶，如，鳓，c m ，丸，砌分别代表原型与模型内的应 力，粘聚力，弹性模量，内摩擦角，泊松比。 相似理论帮助我们建立了在室内有限的空间和时间条件下，通过试验获得的 各种物理量，与实际自然条件下的规模巨大的和时间悠久的各种物理量之间的对 应关系。 3 2 试验设计 模型试验设计主要包括：实验系统设计、相似模型设计，两部分 内容。该实验是一个研究型实验，不同于一般的教学实验或常规实验， 所以没有标准的实验设备，而且目前文献中报道的该类实验较少，可 参考的资料非常有限，所以实验系统的设计是要在深刻了解活断层成 灾现象的基础上开展，因此试验设计是保证实验成功和可靠的关键环 节。模型能够有效反映原型规律的关键在于对原型的深入了解，和在 设计中对相似材料的准确应用。对于相似模型的设计和相似材料的应 用，我们的研究组有多年设计经验，并有多位老师长期从事这一方向 的研究。 试验系统如图3 1 所示，由图像采集系统、卧式模型架、液压控制 系统、位移记录系统、采集监视与控制系统构成。 1 6 第三章模型试验设计 画一 藩蠢 虱一 l 厂 位移传感器。少转换了= = 舀* * 图3 - i 实验系统示意图 图像采集系统主要由，c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) 和计算组成。 c c d 的主要技术参数如下：分辨率为1 2 8 0 1 0 2 4 像素，感光单元尺寸 为5 2 u m x 5 2 u r n ；图像信号为数字化光强信号( 8 b i t ) ；图像的最高采集 频率为1 5 帧，秒，采集频率可通过计算机程序控制；同计算机的接口方 式为u s b 2 0 接口，图像信号分帧存入内存的两块数据区，一块负责显 示，另一块负责将数据写入硬盘，图像数据的文件为b m p 格式的灰度 图。c c d 外观见图3 2 。图像信号的采集、传输和存储由计算机及控制 软件完成。 图3 - 2c c d 相机图3 - 3 模型架 相似模型安装在卧式模型架内，通过油压系统加载，卧式模型架 尺寸为：长1 2 m ，宽1 2 m ，高0 2 m ，该模型架设置在四周用高标号 水泥和钢筋混凝土砌筑的基坑内，并在四周用2 0 c m 槽钢固定在钢筋 混凝土的四面侧壁上，其基坑尺寸长度为2 4 5 m ，宽度为2 4 5 m 深度 为0 4 m 。模型架四周设置加载装置，共2 4 个卧式千斤顶，千斤顶可 1 7 第三章模型试验设计 以左右上下旋转，每侧设置6 个，该模型架四周可同时加载或者只有 单一方向加载，同时对每个千斤顶是否参与加载可进行控制。在基坑 上面设置加载控制台，采用液压稳压器可自动控制不同压力输出而且 保持压力恒定。平面加载模型架及压力控制台，参见图3 4 所示。 断层位移记录设备为h y 6 5 数码位移传感器，传感器固定于模型 架内的断层中，记录断层间