基于急傾斜斷裂角的地裂縫特征數(shù)值模擬研究

王義海 胡宏偉 陳永俊

摘? ? 要：本文以北京地區(qū)順義-良鄉(xiāng)地裂縫帶為研究背景，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件重現(xiàn)“斷控型”地裂縫發(fā)育及擴(kuò)展過(guò)程。最終得出如下成果：（1）受正斷作用影響，地表沉降會(huì)出現(xiàn)三個(gè)區(qū)域，分別為：穩(wěn)定區(qū)域、差異沉降區(qū)域以及穩(wěn)定沉降區(qū)域。其中地裂縫主要發(fā)育在斷裂帶兩側(cè)附近的差異沉降區(qū)域，其中以下盤(pán)為主，發(fā)育范圍較大;下盤(pán)為輔，發(fā)育范圍較小。（2）受斷層活動(dòng)影響地表沉降呈現(xiàn)近“S”型分布，且隨錯(cuò)斷量增大而增大。隨 著斷裂傾角增大，地表的差異沉降區(qū)域會(huì)降低，而穩(wěn)定區(qū)域以及穩(wěn)定沉降區(qū)域會(huì)增大，即對(duì)應(yīng)的斷裂傾角越大出現(xiàn)地裂縫的范圍越小。

關(guān)鍵詞：地裂縫;斷層活動(dòng);地表沉降;FLAC3D

Abstract：Based on the research backearth of Shunyi-Liangxiang earth fissure belt in Beijing area， this paper reproduces the development and expansion process of "fault-controlled" earth fissure by FLAC3D numerical simulation software. Finally， the following results are obtained：（1）under the influence of positive faults， there will be three areas of surface subsidence， which are： stable area， differential settlement area and stable settlement area. The earth fissures are mainly developed in the differential settlement area near the two sides of the fault zone.? The lower disk is dominant， the development range is large; the lower disk is auxiliary， and the development range is small. （2）Surface subsidence affected by fault activity presents a near-" S" distribution and increases with the increase of faults. As the fracture inclination angle increases， the differential settlement area of the surface will decrease， while the stable area and the stable settlement area will increase， that is， the larger the corresponding fracture inclination angle， the smaller the range of the earth crack appears.

Key words：earth fissures; fault activity; surface subsidence; FLAC3D

1? 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程和工程地質(zhì)領(lǐng)域得到了較快的發(fā)展以及廣泛的應(yīng)用。尤其是在對(duì)一些規(guī)模較大、工程地質(zhì)條件復(fù)雜的工況條件下，難以用實(shí)際的物理相似模型來(lái)模擬巖土體的力學(xué)性質(zhì)及其演化規(guī)律。數(shù)值模擬技術(shù)能夠有效的解決這些問(wèn)題。可以進(jìn)行實(shí)際的等比例的數(shù)值模擬，以此來(lái)為實(shí)際的工程實(shí)例提供有效的指導(dǎo)意義。

本文利用FLAC3D軟件來(lái)模擬在不同斷裂傾角條件下地裂縫發(fā)育特征，主要模擬了斷裂傾角60°、75°、80°下豎向位移、豎向應(yīng)力及地表沉降變化特征[1]。

2? 研究區(qū)概況

2.1? 研究區(qū)

研究區(qū)位于順義-良鄉(xiāng)斷裂（F1）：該條斷裂自南起于良鄉(xiāng)地區(qū)，沿著北東方向向北延伸經(jīng)過(guò)豐臺(tái)、前門(mén)、最終到達(dá)木林地區(qū)，活動(dòng)斷裂整體的走向?yàn)镹E20～45°方向，斷裂總長(zhǎng)約為120km。

該條斷裂被南口-孫河斷裂所切割，并在兩斷裂交匯處劃分為兩段，其中西南段傾向?yàn)闁|南向，傾角約為60°;北東段傾向也為東南，傾角約為80°，斷裂傾角隨著深度增大而由陡變緩。兩段斷裂在活動(dòng)斷裂特征上表現(xiàn)為右旋張拉式正斷性質(zhì)。該條斷裂活動(dòng)時(shí)期自中生代開(kāi)始，并且主要集中活動(dòng)在新生代時(shí)期，并且一直持續(xù)活動(dòng)到晚第三紀(jì)，第四紀(jì)以來(lái)其斷裂活動(dòng)依然持續(xù)，活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)微弱[2-5]。

以順義-良鄉(xiāng)斷裂帶地層條件為地質(zhì)背景，選取研究區(qū)主要的巖性地層，埋深從下往上依次為基巖、粉砂層、砂質(zhì)粘土層、粉質(zhì)粘土層及填土層，共5個(gè)巖層。

3? 研究方法

3.1? 模型建立方法

基于實(shí)際研究區(qū)分布范圍，對(duì)模型進(jìn)行概化，最終將數(shù)值計(jì)算模型的尺寸定為：150m×100m×60m，各巖層厚度為：基巖10m，粉砂層20m，砂質(zhì)粘土層10m，粉質(zhì)粘土層15m，填土層5m，總厚度共60m。

（1）模型的邊界條件：本次模擬對(duì)整個(gè)模型施加x、y及z方向的固定邊界，固定x=0，x=150;固定y=0，y=100;固定z=0。即模型四周及下表面固定，上表面和內(nèi)部地層可自由活動(dòng)。

（2）模型的斷裂活動(dòng)：本次模型斷裂活動(dòng)的模擬通過(guò)FLAC3D中interface接觸面來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用interface中一系列的三角形單元來(lái)模擬模型的斷裂面，能夠更加準(zhǔn)確的模擬實(shí)際斷裂活動(dòng)。斷裂的位置位于模型中部x=75處，傾角設(shè)為60°、75°、80°。模型斷裂活動(dòng)的模擬為給斷裂上盤(pán)的底部施加豎直向下的一個(gè)速度，速度大小為v=1×10-4m/步，計(jì)算時(shí)以3000步為一個(gè)階段，共模擬4個(gè)階段，根據(jù)錯(cuò)斷位移s、速度x和運(yùn)行步數(shù)n的關(guān)系s=v×n得出4個(gè)階段分別模擬了斷裂垂向錯(cuò)斷s=0.3m、s=0.6m、s=0.9m及s=1.2m。

（3）模型的計(jì)算參數(shù)：模擬選用摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型。

4? 不同斷裂傾角條件下地裂縫特征數(shù)值模擬研究

4.1? 斷裂傾角60°條件

隨著斷裂活動(dòng)發(fā)生錯(cuò)斷后，初始的位移平衡被打破。在斷裂下盤(pán)中豎向位移等值線(xiàn)由密變疏;斷裂上盤(pán)豎向位移等值線(xiàn)由水平分布發(fā)展至垂直分布。在斷裂下盤(pán)豎向位移變化較小，而在斷裂上盤(pán)豎向位移的變化較大。其中，當(dāng)斷裂發(fā)生錯(cuò)斷后，豎向位移的最大值均出現(xiàn)在斷裂上盤(pán)的右下側(cè)。

隨著斷裂錯(cuò)斷量的增加，斷裂上盤(pán)靠近斷裂帶處的等值線(xiàn)由疏變密，表明在這一區(qū)域范圍內(nèi)土體沉降變化的差異性越來(lái)越大;而在右側(cè)，豎向位移等值線(xiàn)始終相對(duì)稀疏，表明這些區(qū)域沉降變化穩(wěn)定。

對(duì)模型地表即z=60m處布置了10個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行豎向位移監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)斷裂帶延伸到地表的位置在x=40.4m處（見(jiàn)圖1），曲線(xiàn)整體近“S”型分布，地表的沉降整體隨著位錯(cuò)量的增大而增大，表現(xiàn)為下盤(pán)沉降量較小，上盤(pán)沉降量較大。下盤(pán)的沉降范圍較小僅出現(xiàn)在靠近斷裂帶附近的7m內(nèi)。x在0m～33m范圍內(nèi)地表土體保持穩(wěn)定基本不發(fā)生沉降變化，并且地表的沉降不隨斷裂錯(cuò)斷量的增加而發(fā)生變化;x在33m～116m范圍內(nèi)地表沉降變化成陡坎狀下降，該范圍內(nèi)地表沉降變化差異性較大，并且在靠近斷裂帶處曲線(xiàn)斜率較大，遠(yuǎn)離斷裂帶處斜率相對(duì)較低，即表明斷裂帶處沉降的差異性最大;x在116m～150m范圍內(nèi)地表沉降又趨于穩(wěn)定，基本與斷裂錯(cuò)斷量相等，該范圍內(nèi)地表沉降增量基本相等并隨隨錯(cuò)斷量增大呈線(xiàn)性增加。因此，可以推算出兩側(cè)地層相對(duì)穩(wěn)定，發(fā)育地裂縫的可能性較低，斷裂帶附近地層差異性沉降較大具備產(chǎn)生地裂縫的可能性。

4.1.1? 豎向應(yīng)力變化特征分析

當(dāng)斷裂活動(dòng)斷裂帶兩側(cè)地層發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)后，土體中發(fā)生應(yīng)力重分布。在底部斷裂帶附近地層豎向應(yīng)力變化較大，具體表現(xiàn)為下盤(pán)豎向應(yīng)力增加，上盤(pán)豎向應(yīng)力降低，并且在不同的錯(cuò)斷量下，上下盤(pán)斷裂帶附近出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中區(qū);斷裂上盤(pán)底部出現(xiàn)局部應(yīng)力釋放區(qū)。隨著斷裂錯(cuò)斷量的增加，土體地中最大豎向應(yīng)力也隨之增大。

4.2? 斷裂傾角75°條件

4.2.1? 豎向位移變化特征分析

隨著斷裂錯(cuò)斷量的增加，斷裂上盤(pán)靠近斷裂帶處的等值線(xiàn)由疏變密，但相較于傾角60°的斷裂等值線(xiàn)又相對(duì)較疏。

本數(shù)值模型在x為0m～50m范圍內(nèi)地表土體保持基本穩(wěn)定沉降基本不發(fā)生沉降現(xiàn)象，并且地表的沉降不隨斷裂錯(cuò)斷量的增加而發(fā)生變化;x在50m～83m范圍內(nèi)地表沉降變化成陡坎狀下降，該范圍內(nèi)地表沉降變化差異性較大;x在83m～150m范圍內(nèi)地表沉降趨于穩(wěn)定，基本與斷裂錯(cuò)斷量相等，該范圍內(nèi)地表沉降增量基本相等并呈線(xiàn)性增加。

4.2.2? 豎向應(yīng)力變化特征與60°條件相似

4.3? 斷裂傾角80°條件

4.3.1? 豎向位移變化特征分析

斷裂錯(cuò)斷初期，上盤(pán)穩(wěn)定沉降，隨著錯(cuò)斷增大，上盤(pán)逐漸出現(xiàn)沉降的差異性。其中，在斷裂下盤(pán)豎向位移變化較小，基本不發(fā)生位移沉降;而在斷裂上盤(pán)豎向位移的變化較大，當(dāng)斷裂發(fā)生錯(cuò)斷后，豎向位移的最大值均出現(xiàn)在斷裂上盤(pán)的下側(cè)。

本數(shù)值模型在x為0m～63m范圍內(nèi)地表土體保持基本穩(wěn)定，基本不發(fā)生沉降現(xiàn)象，并且地表的沉降不隨斷裂錯(cuò)斷量的增加而發(fā)生變化;x在63m～75m范圍內(nèi)地表沉降變化成陡坎狀下降，該范圍內(nèi)地表沉降變化差異性較大;x在75m～150m范圍內(nèi)地表沉降趨于穩(wěn)定，基本與斷裂錯(cuò)斷量相等，即上盤(pán)地層呈整體下沉。該范圍內(nèi)地表沉降增量基本相等呈線(xiàn)性增加。

4.3.2? 豎向應(yīng)力變化特征分析

當(dāng)斷裂帶兩側(cè)地層發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)后，土體中發(fā)生應(yīng)力重分布。在底部斷裂帶附近地層豎向應(yīng)力變化較大，具體表現(xiàn)為下盤(pán)豎向應(yīng)力增加，上盤(pán)豎向應(yīng)力降低。隨著斷裂錯(cuò)斷量的增加，土體地層中最大豎向應(yīng)力也隨之增大。當(dāng)錯(cuò)斷0.3m時(shí)，豎向應(yīng)力呈現(xiàn)均勻分布，最大豎向應(yīng)力為2.77MPa;錯(cuò)斷0.6m時(shí)，上盤(pán)底部開(kāi)始出現(xiàn)局部的應(yīng)力釋放區(qū)，最大豎向應(yīng)力為3.10MPa;錯(cuò)斷0.9m時(shí)，最大豎向應(yīng)力為3.53MPa;錯(cuò)斷1.2m時(shí)，最大豎向應(yīng)力為3.82MPa。

5? 不同斷裂傾角條件下地裂縫特征對(duì)比分析

根據(jù)上面針對(duì)三種不同斷裂傾角條件地裂縫發(fā)育特征的數(shù)值模擬最終得出如下的規(guī)律特征。

在不同的斷裂傾角下，土體的豎向變形都表現(xiàn)出相似性的變化，即為隨著垂向錯(cuò)斷量的增大，下盤(pán)土體基本不發(fā)生豎向沉降變形，僅由于土體天然的壓密現(xiàn)象而產(chǎn)生微量變形;上盤(pán)土體的沉降變形則隨垂向錯(cuò)斷量發(fā)生線(xiàn)性增大，并且，上盤(pán)土體的豎向位移等值線(xiàn)均隨垂向錯(cuò)斷量增大由水平分布發(fā)展為垂向分布。豎向應(yīng)力的變化都表現(xiàn)為：隨著垂向錯(cuò)斷量的增大，下盤(pán)土體豎向應(yīng)力逐漸增大，在靠近斷裂帶處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力增強(qiáng)區(qū);上盤(pán)土體豎向應(yīng)力逐漸減小，在靠近斷裂帶處出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)。

在不同的斷裂傾角條件下，彼此之間也出現(xiàn)了各自的差異性。最大豎向應(yīng)力都隨著垂向斷距的增大而增大，但在相同的垂向斷距下，土體中最大豎向應(yīng)力始終是傾角60°最大，75°次之，80°最小，即在同一垂向斷距下，隨著斷裂傾角的增大，最大豎向應(yīng)力逐漸減小。

6? 結(jié)語(yǔ)

（1）在正斷活動(dòng)下，豎向位移主要發(fā)育上盤(pán)。在斷裂帶附近土體沉降的差異性較大，而在兩側(cè)，下盤(pán)土體沉降較小;上盤(pán)沉降較大，但沉降變化差異性較小。

（2）地表沉降變化曲線(xiàn)整體的變化規(guī)律呈現(xiàn)近“S”型分布。沉降整體呈現(xiàn)隨著位錯(cuò)量的增大而增大，表現(xiàn)為下盤(pán)沉降量較小基本保持不變，上盤(pán)沉降量較大。

（3）斷裂活動(dòng)使兩盤(pán)的應(yīng)力發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為下盤(pán)出現(xiàn)應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)，上盤(pán)出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)。在斷裂帶附近地層豎向應(yīng)力達(dá)到最大，并且隨著斷裂錯(cuò)斷量的增加，土體地層中最大豎向應(yīng)力也隨之增大。

（4）在不同斷裂傾角下，隨著傾角增大，地表穩(wěn)定區(qū)域及穩(wěn)定沉降區(qū)域隨之線(xiàn)性增加，而差異沉降區(qū)域隨之線(xiàn)性減小，因此，可以推測(cè)地裂縫的擴(kuò)展范圍將會(huì)隨斷裂傾角增大而縮小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王海剛，劉明坤，賈三滿(mǎn)等.基于 FLAC3D 的北京高麗營(yíng)地裂縫模擬[J].南水北調(diào)與水利科技，2013（5）：86～90.

[2] 胡平，羅華春，孟勇琦等.從順義地表破裂帶分析順義-良鄉(xiāng)斷裂北段的活動(dòng)性[J].地震地質(zhì)，2000，22（2）：123～128.

[3] 趙忠海.北京市順義城區(qū)地裂縫的成因及防治措施初探[J].北京地質(zhì)，2002（3）：22～25.

[4] 楊濤，宮輝力，趙文吉等.北京順義區(qū)地裂縫分布特征及成因分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2010（6）：100～106.

[5] 胡超.北京市平原區(qū)構(gòu)造型地裂縫蘊(yùn)發(fā)機(jī)理研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2017.