震后地表破裂的动力分析方法

震后地表破裂的动力分析方法

1地表和地表破坏研究通用工程材料有两种类型。一类是人工材料,它们是在工厂中冶炼、制造出来的,属于产品范畴,有相应的质量标准,如金属、合金、混凝土、砖等,总的说来其破坏研究有规律可循;另一类是天然材料,它们是自然的产物,如岩、土,它们具有强烈的区域性和历史未知性,破坏研究有很多和很大困难,因此,这方面的研究一般聚焦在某些具体的工程问题,并具体为某一特定的领域。本文以地震地表破坏的主要现象展开,探讨破坏形式对应的一些力学破坏机制,以及破坏过程定量分析的可能手段。从地震地表破裂现象出发,归纳出地表破裂几个重要特征,依据材料的破坏准则和边值问题的稳定性讨论地震地表破坏的本质。2强烈地震造成的地表破坏2.1golcum分级和地表断裂的地表变化土耳其处于欧亚大陆的接壤处,其主要构造作用是在非洲大陆和阿拉伯板块向北运动,使Levantine海底向上提升。同时,阿拉伯板块相对于非洲大陆向北运动造成了Anatolian板块向西走滑和旋转、东北Anatolian板块向东走滑和旋转,使NAF和EAF构成了Anatolian板块向西运动的北、南的边界;东北Anatolian板块的运动非常复杂,它受到板块沿一系列共轭断层造成的强烈的内部变形,见图1。土耳其域内的地震发生多集中在NAF、EAF、WAFS和NEAF四条断层上,震源深度一般在10~20km之间。NAF大体上可分为三段,北段通过Izmit湾、Marmara、Saros峡谷,然后伸向希腊;中段通过Geyve、Iznik、Mudanya、BandRma和Biga;南段通过Bursa、Manyas湖、BalKesir和Edremit湾。大多数破坏性地震发生在NAF北段上。1999年8月17日,Kocaeli发生了7.4(MW)级地震,震中处于东经29.97,北纬度40.77,震源深度17km。地震引起了由Golcuk到Duzce约100km长的地表破裂,地面运动的主要形式为走滑破裂,地表位移为2~4m;走滑断裂在Golcuk引起的次生正断层有3km长,很大面积下沉了2~3m,海边区域也被海水淹没,海床滑坡和下沉使得在Izmit湾引起了4~12m高的海啸。地表破裂非常接近已知活断层的位置,图2为地表断裂的主干,在Golcuk右旋走滑位移超过4m,它越过位于Golcuk的海军基地伸入Izmit湾、Sapanca湖,在Kullar形成2m左右的右旋位移,巨大的位移造成了铁路和堤岸变形;到Arifiye,地表破裂使跨越亚欧公路桥发生严重破坏。在Golcuk的很大区域内还发生了地表沉降,最大的竖向位移超过了2m,它可能是由走滑断层间的张拉力形成的次生正断层引起的,方向并不规则,但次生正断层的南端并没有发现走滑断层,因此设想在IZMIT湾存在一个很大的地堑,这次地震导致一块很大不稳定沉积物滑进地堑,导致Golcuk地区的下沉和海啸。同时,在Adapazari和Sapanca湖区域,发生了严重的土壤液化,引起了房屋的倾斜,地下管道破裂,液化也引发了Sapanca湖边的很大的地表侧移。2.2苗兰—集集地震台湾位于欧亚大陆板块与菲律宾海板块挤压和碰撞带上,菲律宾海板块上的吕宋岛每年约以70~~80mm之速率向西北方向挤压欧亚大陆,造成台湾岛抬升,同时使台湾岛的岩层产生一系列断层与褶皱。1999年9月21日晨1时47分,台湾地区发生了里氏7.3(M)地震,震中处于东经120.81,北纬度23.85,震源深度7.0km。地震是由车龙埔断层活动引起的,造成长约105km以上的地表破裂(见图3),逆冲断层活动造成的断层上下盘间形成的最大高差为11m。地表破裂南以古坑断层(草岭)为界,约以南-北走向向北延伸83km至丰原,破裂转折呈東北東-西南西走向延伸至苗栗县卓兰镇內湾村,长约15.5km,此后以一系列略呈西北-东南走向至南-北走向之正断层(长约6.5km)向东与双冬-大茅埔断层相接。其中,古坑至丰原一段的地表断裂与原本认识的车龙埔断层相近,丰原以北的断层在以往的文献资料中没有描述。古坑-丰原段,地表破裂走向以南北向为主,主要由一条连续的主破裂及局部少数分枝破裂所组成。主破裂分布在西部丘陵地带与西部平原之交界处,即著名的车龙埔断裂。主破裂面的断面向东倾斜,倾角在30°~50°之间。南北段主破裂面两侧的垂直落差变化较大,在名间(4.2m),草屯(3.9m),及丰原(6.44m)可见到较大的三个峰值。除了垂直落差之外,主破裂面也有不等量之走向滑移分量。整体而言,主破裂面在竹山-名间段主要以向西逆冲运动的滑移为主;往北除逆冲外还有较大的左滑分量;往南则呈现逆冲兼有少量右滑分量。同时,地表主断裂的上盘方位角为300°~310°,与菲律宾板块挤压方向(305°)一致。丰原以北之后,南北向的地表破裂发生了转折。在丰原-校栗埔段,地表断裂转向东北-西南西走向,在教师研习所附近主断层分叉形成宽为2km的变形带,它由5~6条1~8km的地表断裂所组成,断层带的南北边界均为向东倾斜的逆冲断层,其间分布着几条西倾逆冲断层,其中最长的一条从教师研习所以东北-西南走向经丰势路到大甲溪北岸,其后转成东西方向切过岗坝。这条断裂的地表位错变化很大,有倾滑分量,也有走滑分量,其中在大甲溪北岸垂直落差达11m。在校栗埔-內湾段主要有两条呈东北-西南走向的地表破裂,这两条破裂以逆冲运动为主,靠东边的破裂面倾向朝东,西边的破裂朝西,形成一上拱构造(PopStructure)。在內湾-双琦段破碎带为2~3km,主要由一系列彼此平行呈南-北走向或东北-西南走向之正断层组成,具有明显的张拉分量,在单一断层上上下盘的高差最多达2m,张拉量为0.50m,最大右移分量达2.5m。同时,地震也引起了滑坡、山崩、堰塞湖、液化等現象。3地震资料稳定性分析上述两次造成巨大地表破裂的地震都是板块构造发育、地质构造变化的结果。本节概述地震发生机理及其地震发生过程的分析方法。从大尺度的角度来讲,地球板块及它们之间的接触界面组成了一个大的且不稳定系统,地球内部物质和表面洋流规则扰动、非规则的混沌摄动,太阳系内星体对地球的扰动,同时也由于其材料性质的限制,板块之间的应力、变形经常处于调整过程中,调整过程大部分时间处于平稳、连续的;在特定的时间、特定的地点这种调整是剧烈的、不连续的,剧烈的应力释放过程一般伴随着地震,剧烈释放能量以波动的形式向四周传播。需要强调一点,如果没有外部或内部的扰动,不稳定系统也没有明显的失稳表现,不同的扰动形式,失稳表现为地震震源不同的破裂方式,如正断裂、逆断裂和走滑断裂。同时,失稳表现在某一个很小时间段,强度和刚度基本上完全丧失,但是随着时间的流逝,地质材料也逐渐自愈,恢复了强度和刚度。相关的稳定分析有两方面比较突出。其一,Rice及其合作者的弹性动力学理论,结合与率和状态(粗糙度)相关界面摩擦率的单个界面不稳定系统,在外界蠕动(板块挤压)失稳分析,分析表明了界面失稳存在一定的周期性,这部分反应了地震的周期特性。其二,石根华的DDA和其后发展的数值流形方法,主要用来进行岩石力学中块体系统分析,块体之间由界面静或动摩擦相联系。这也是传统摩擦律的弊端再一次阻碍新理论的建立,事实上,只有存在相对运动,摩擦才能产生,静动也没有明确的界限,摩擦系数应与运动速度有关,且在速度轴上是连续变化的,这从率相关摩擦、状态相关摩擦的试验中已得到验证。最有潜力的地球板块-界面系统的稳定分析方法是上述两者的结合。系统放大至整个地球时,模型趋于完美,但我们无从下手。比较实际的做法定义一个小区域、由两到三个活断层和相应岩体组成的系统,它的失稳外部因素一般是板块的挤压、板块之间的界面蠕动,当应力积累达到较大凹凸体破裂时,积累的能量瞬时释放,一方面岩体沿界面突然加速运动,同时释放的振动能量降低了界面上其它凹凸体的抗力,使源破裂面进一步开展,当失稳或震源深度较浅时,界面向地面方向开展,到达地面形成地表破裂。但作为动力学分析的主要困难是岩体现阶段的应力和变形状态、岩体和界面材料的本构特性及其界面几何描述,这方面研究有一些进展,但很有限。4地震地表破坏的特征从上面两次主要地震破坏的叙述可以发现,地震引起的地质材料的破坏类型很多,我们不便也没有能力细化,而是从公众一般认识角度出发,把地震地表破坏主要特征分为以下5个方面。4.1地表走滑位移常见于走滑和逆冲形成了地表破裂。Kocaeli地震引起了地表走滑位移2~4m,在沿公路、栅栏、管道等处,视觉尤为强烈。集集地震中的南北段,以逆冲为主破裂面的两侧垂直落差,在名间、草屯、丰原分别为4.2m、3.9m、6.44m。4.2lm-4izmo常见于正断层引起的地表破裂。Kocaeli走滑断裂引起的次生正断层有3km长,很大面积下沉了2~3m,海边区域也被海水淹没,海床滑坡和海床下沉使得在Izmit湾引起了4~12m高的海啸。集集地震中的校栗埔-內湾段内上拱构造主要由一系列彼此平行呈南-北走向或东北-西南走向之正断层组成,具有明显的张拉分量,张拉量为0.50m。4.3变形带的主断层所有地震地表破坏中均可见到。集集地震中的教师研习所附近主断层分叉形成宽为2km的变形带,它由5~6条1~8公里的地表断裂所组成,断层带的南北边界均为向东倾斜的逆冲断层。4.4golc料区域内地表沉降与场地沉积层厚度、沉积的性质有关。Kocaeli地震引起的Golcuk区域内地表沉降,最大的竖向位移超过了2m。集集地震中的光复国中操场因逆断层而抬升约2.5m。4.5zri和sapanca湖区域Kocaeli地震中的Adapazari和Sapanca湖区域,发生了严重的土壤液化,液化也引发了Sapanca湖边的很大的地表侧移。5地震地表破坏的分析方法小尺度上的分析成果已非常丰富,我们不再讨论各种基于经典弹塑性理论的处理方法,重点介绍以上述常见的地震地表破坏新的分析方法。同时,下面的稳定分析限定在很小的初边值问题之中,失稳的定义是控制方程的特征值丧失了正定性,在具体问题中表现为本构张量、声学张量正定性的丧失和奇异性的出现。5.1局部构造的土体力学特性剪切面破坏分析限定在走滑、逆冲基岩位错作用下的覆盖土层组成的动力系统。基岩位错作为系统的输入,覆盖土层由弹性反应很快过渡到弹塑性反应,当弹塑性反应到某个程度,材料的声学张量行列式的值趣于0时,控制方程速度场的解也将丧失唯一性,同时塑性应变会集中在一很窄的区域,岩土材料处于局部失稳状态,形成一个剪切带。由于经典与率无关弹塑性本构关系中没有材料特征尺寸的概念,这个带实际上是一个没有宽度的面。当行列式为0时,失稳状态下的界面强度和刚度严重退化,随着外部作用的持续、加剧,剪切面上的变形在摩擦律的控制下继续扩展,形成位移梯度阶越间断形式的破坏。这就是走滑和逆冲形成的地表破裂的机制,其中分析方法的要点之一是覆盖土层在不同荷载速率下的本构描述,合理解决材料随着载荷速度增大而变脆的特性;要点之二是界面的摩擦律,它与形成的界面运动速度和状态有关。5.2岩位错与岩位错拉断破坏分析限定在正断层基岩位错作用下的覆盖土层组成的动力系统。基岩位错作为系统的输入,应用拉应力准则,判断破裂的位置,进化过程分析是在续位移场中引入间断位移,由此引起的局部应变增强部分凝聚到材料之中,得到标准的Galerkin近似格式。也可以采用块体理论进行进化分析。5.3偶应力法fleck剪切破碎带系统与考虑剪切面的系统相同,分析过程也有点相似,不同的是剪切面分析中弹塑性本构没有材料特征尺寸。当研究破碎带的力学机制时,材料特征尺寸必须引进地质材料的本构律,经典的做法是Fleck和Hutchison发展的应变梯度偶应力理论,其中揭示了材料的内部尺寸效应。但为了应用方便,旋转梯度通过材料长度引入等效应变和等效应力以便与经典弹塑性本构相结合。很明显,偶应力理论是经典理论的发展,实际应用上还有较大的限制,至少大量基于经典弹塑性分析理论、计算方法已不能直接继续使用。为了简化计及非局部效应,有多种近似方法可以考虑,如在屈服方程中引入高阶塑性应变梯度、本构方程中增加粘性项等措施,或按照Lagrange变形运动学描述,把应力扩展为时空变化率,这样处理既可以利用本构模型的研究成果,又计入了应变梯度对应力的贡献。5.4塑性变形塑性变形的破坏形式与上述三种破坏相比的显著特点是材料延性很好,主要表现为软弱土,这样的分析文献太多,这里不再展开。5.5多孔介质动力方程液化主要发生在饱和介质。由于波动对结构性介质材料的扰动,孔隙水压逐步上升,根据太沙基的有效应力原理,骨架逐步丧失了抗剪能力方式的破坏。实际地质材料成分非常复杂,需要材料多孔介质等效为规则多孔介质,应用多孔介质动力方程,多孔介质的本构模型和孔隙水压增长特性,求解液化发生的条件。上述状