烏魯木齊王家溝斷裂帶斷層面處黏性土物理力學性質試驗研究

孟和 尚彥軍 曹小紅 趙曉成

摘? 要：烏魯木齊王家溝斷裂帶是由4條全新世活動斷層組成的斷層組，其斷錯了中更新世礫石臺地及王家溝東岸的Ⅲ級階地，地貌形跡清晰。斷層面是組成斷層地質材料中力學性質最薄弱的部分，項目采用室內常規土工試驗方法，研究王家溝斷裂帶斷層面處黏性土的物理力學性質。結果表明：①斷層面土樣屬稍濕-濕土，較密實;②土樣總體上土粒不均勻，粒徑變化較大;③斷層面土樣應屬粉質黏土-黏土，處于可塑狀態，中壓縮性。直剪試驗表明，斷層面土樣的抗剪力學性能指標與斷層運動影響及物質組成有關。

關鍵詞：王家溝斷裂帶;斷層面;黏性土;物理力學性質試驗

烏魯木齊王家溝斷層組位于西山隆起北翼，展布于西山嶺北嶺北坡王家溝河谷兩岸的中更新統烏蘇群老礫石臺地上。該斷層向西延伸至頭屯河東岸，向東經王家溝至苜蓿溝附近區域（圖1）[1]。

王家溝斷層組斷層面北傾，為逆斷層，該斷層切割了王家溝東岸的Ⅲ級階地和西山北麓中更新世礫石臺地。斷層傾角30°～70°。王家溝斷裂的斷層面不是一條簡單斷面，其在近地表處斷面分散成多條傾角不同的滑動面[1-3]。新疆工程學院新校區位于烏魯木齊市頭屯河區王家溝東岸Ⅲ級階地上，主要由晚更新世洪積砂、沖洪積卵礫石及古近—新近系基巖組成，西側及北側多覆蓋晚更新世洪積、坡積為主的砂、卵礫石層。海拔高程840～870 m，區域上地形波狀起伏，地勢總體呈南高北低、向西微傾，王家溝斷裂沿SW向經過新校區，對正在進行的新校區建設可能會造成一定影響。

1? 野外采樣

烏魯木齊王家溝斷裂在新疆工程學院新校區出露，連續展布近1 km。野外采樣點（N43°50'35.85"，E87°24'43.36"）位于新疆工程學院新建體育場開挖剖面上（圖2），取樣點處已開挖深度為2.5 m。據試驗總數要求取得斷層面處原狀土樣3組，分別命名為WJG-1、WJG-2、WJG-3。

取樣工作于2018年7月進行，由于外露斷層物失水堅硬，使用鏟、地質錘等進行人工開挖取樣，將開挖過程中的擾動降至最低，并廢棄0.2 m厚的表層土。取樣時發現，所開挖深度范圍內，離暴露表面越深，斷層物質含水量越大，土質越軟，失水堅硬的斷層物質可見貝殼狀斷口。通過野外觀察，判斷斷層下盤出露具油脂光澤的褐紅色黏土，其上可見鏡面、擦痕;青灰色粉質黏土-粉土以薄層形式分布于斷層面處，應為多次斷層運動留下的信息，其上擠壓層狀結構及斷層面上擦痕記錄了斷層活動方式及附近地面運動特征;黃褐色粉土-細砂出露于斷層上盤（圖3）。土樣WJG-1取自剖面揭露斷層下盤處分布最廣的褐紅色黏性土，土樣WJG-2取自斷層面處薄層形式分布的青灰色粉質黏土-粉土，土樣WJG-3取自褐紅色黏性土與青灰色粉質黏土-粉土的接觸面。

2? 試驗方法及結果

本文涉及的所有試驗環節均按土力學試驗方法，據規范進行[4-7]。

2.1? 基本物理性質試驗

實驗采用烘干法測定土樣天然含水量，環刀法測定土樣天然密度，比重瓶法測定土粒比重，并計算孔隙比及干密度。

按上述方法測得3組土樣基本物理參數（表1）。3組土樣含水率相差不大，屬稍濕-濕土;土樣WJG-2的密度、干密度相對較高，土樣WJG-3次之，土樣WJG-1最小;土樣WJG-1、WJG-2、WJG-3的孔隙比相差不大，相對較小，為0.30

2.2? 顆粒分析試驗

本試驗通過篩分法來測定分析土樣的顆粒級配情況（表2）。

如圖4所示，土樣WJG-1、WJG-2、WJG-3的粒徑分布曲線總體上較平緩，表明顆粒不均，粒徑變化范圍較大。從粒徑分布曲線可知，土樣粒徑在0.1～0.25的土粒較少，土樣WJG-3中還含有一定量的粗顆粒物質。

2.3? 液塑限聯合測定試驗

本實驗采用風干土樣，使用南京土壤儀器廠GYS-2型數顯式土壤液塑限測定儀測定土樣的液限、塑限，并用圖解法確定液限和塑限后計算液、塑性指數（表3）。據計算結果，得到土樣WJG-1塑性指數Lp>17，屬黏土;土樣WJG-2、WJG-3的塑性指數，為10

2.4? 壓縮試驗

采用南京土壤儀器廠生產的WG型單杠桿固結儀（三聯高壓）進行標準壓縮試驗，取得數據進行計算（表4）。據計算結果，得到3組土樣的壓縮系數，為0.1

2.5? 直剪試驗

采用南京土壤儀器廠生產的ZJ型應變控制式直剪儀進行快剪試驗（不排水剪）測定土樣的剪切性能，作用于試驗土樣上的垂直應力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

土樣WJG-1研究剖面揭露斷層處分布最廣的褐紅色黏土的抗剪性能，土樣WJG-2是研究青灰色粉質黏土的抗剪性能，土樣WJG-3是研究褐紅色黏土與青灰色粉質黏土界面的抗剪性能。由于青灰色粉質黏土以薄層形式分布于斷層面處，取樣時很難控制，故實際取樣是土樣WJG-2、土樣WJG-3中還可能包含有一定量斷層上盤出露的黃褐色密實粉土-粉砂，實際剪切面發生在界面附近范圍內。

3組直剪試驗得到剪切應力-剪切位移曲線（圖 5），其中土樣WJG-2、WJG-3的剪切應力-剪切位移曲線較類似，加載初期斜率較大，剪切應力增速較快，而剪切位移增速相對較慢，隨著剪切位移的增大，到剪切應力峰值后剪切應力具明顯下降趨勢，并具明顯峰值。而土樣WJG-1的剪切應力-剪切位移曲線，到剪切應力峰值后剪切應力也具下降趨勢，但下降速率較土樣WJG-2、WJG-3慢，峰值不明顯。

如圖6所示，土樣WJG-1在直接快剪試驗下的黏聚力C=21.99 kPa，內摩擦角φ=8°35′12″;土樣WJG-2在直接快剪試驗下的黏聚力C=19.1 kPa，內摩擦角φ=10°28′12″;土樣WJG-3在直接快剪試驗下的黏聚力C=31.045 kPa，內摩擦角φ=13°31′22″。

從直接剪切試驗結果可見，取自褐紅色黏土的土樣WJG-1的剪應力-剪位移關系基本遵循土的剪切規律，即法向壓應力越大，剪切強度越大，且有較小峰值出現，顯示出一般正常壓密土或軟黏土的性質。當剪損區位于更靠近斷層面處的褐紅色黏土與青灰色粉質黏土的界面及青灰色粉質黏土時剪應力則具明顯峰值，且C、φ值相對較高。黏性土中只有堅硬的、超壓密的黏性土的剪應力-剪應變曲線常呈較大峰值，推測斷層面處以條帶形式分布的青灰色粉質黏土，受到斷層運動的重塑，應與土樣WJG-2、WJG-3中包含有黃褐色粉土-粉砂有關（表5）[8-10]。

3? 結論

（1） 王家溝斷裂斷層面處黏性土地層含水率相差不大，屬稍濕-濕土，較密實。

（2） 王家溝斷裂斷層面處黏性土粒徑分布曲線總體上較平緩，表明顆粒不均勻，粒徑變化較大。

（3） 據液、塑限指數，王家溝斷裂斷層面處青灰色黏性土應為粉質黏土，斷層下盤出露的褐紅色黏性土應為黏土，并處于可塑狀態。

（4） 據壓縮系數、壓縮模量，王家溝斷裂斷層面處黏性土為中壓縮性。

（5） 王家溝斷裂斷層面處黏性土的抗剪力學性能指標與斷層運動及斷層物質組成有關，即：斷層運動一定程度對斷層物質進行了重塑，當其中包含有青灰色粉質黏土、黃褐色粉土-粉砂時，剪應力-剪應變曲線有明顯的中間較大峰值。

參考文獻

[1]? ? 吳傳勇，沈軍，史杰，等.烏魯木齊王家溝斷層組地表變形特征及強變形帶寬度[J].地震地質，2011，33（1）：56-65.

[2]? ? 冉勇康， 陳立春， 沈軍，等.烏魯木齊西山斷裂組與地表破裂型逆斷層古地震識別標志[J]. 地震地質， 2007， 29（2）.

[3]? ? 沈軍，宋和平.烏魯木齊城市活斷層探測與地震危險性評價主要成果簡介[J].地震地質，2008，30（1）： 273-288.

[4]? ? 中華人民共和國行業標準編寫組.SL237—1999 土工試驗規程[S].北京：中國水利水電出版社，1999.

[5]? ? 常士驃，張蘇民.工程地質手冊[M].中國建筑工業出版社， 2007.

[6]? ? 侯龍清，黎劍華.土力學試驗[M].中國水利水電出版社， 2012.

[7]? ? 陳希哲，葉菁.土力學地基基礎（第五版）[M].清華大學出版社， 2013.

[8]? ? 李碧雄，鄧建輝.龍門山斷裂帶深溪溝段斷層物質的物理力學性質試驗研究[J].巖石力學與工程學報， 2011（s1）：2653-2660.

[9]? ? 耿乃光，姚孝新， 陳颙.小江斷裂帶斷層泥的基本力學性質[J].地震研究，1985（4）：65-74.

[10]? 陳颙，姚孝新，耿乃光.紅河斷裂帶斷層泥基本力學性質的初步研究[J].地震學報，1985（1）：93-101.

Experimental study of Physico-mechanical Properties of Cohesive Soil at Fault Plane in Wangjiagou Fault Zone，Urumqi

Meng He1，Shang Yanjun1，2，Cao Xiaohong1，Zhao Xiaocheng3

（1.Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi，Xinjiang，830023，China;2.Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100029，China;3.） Earthquake Adminsstration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi，Xinjiang，830011，China）

Abstract：The Wangjiagou fault in Urumqi is a fault group composed of four Holocene active faults. The fault disrupted the Mesopleistocene gravel platform and the Ⅲ terrace on the east bank of Wangjiagou， and its landform is very clear.The material at the fault plane is the weakest part of the geological material that constitutes the fault.In this project， the physical and mechanical properties of cohesive soil at fault plane in Wangjiagou fault zone are studied by using conventional indoor geotechnical test methods.The experimental results of basic physical properties show that：①The soil samples on the fault plane belong to slightly wet-wet soil， which is relatively dense.②On the whole， the soil particles are not uniform and the range of particle size varies greatly.③The soil samples on the fault plane should be silty clay-clay， plasticity and medium compressibility.The direct shear test results show that：The shear mechanical properties of soil samples at fault plane are related to the influence of fault movement and material composition.

Key words：Wangjiagou fault zone;Fault plane;Cohesive soil;Physical and mechanical properties test