青海省日月山断裂对公路工程的致灾机理研究

2010-02-07彭建兵邓龙胜

地球科学与环境学报 2010年1期

周保,彭建兵,张骏,邓龙胜

(长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安710054)

0 引言

前人就活断层作用对线性工程的破坏已有很多研究[1-7],但对公路工程灾害的研究却不多见[8-9],青海地区活断层十分发育,且绝大多数表现为走滑运动特性,公路工程跨越活断层除黏滑引起的直接剪断破坏外,蠕滑也会引起多种灾害效应。青海省日月山北北西向断裂自晚新生代以来的右旋走滑明显,就造成了多种灾害效应,如路基路面开裂变形、凹陷发育等。因此,日月山地区公路工程面临着严重的活断层灾害威胁,有必要研究断裂对该地区公路工程的致灾机理。

1 日月山断裂概况

日月山断裂位于青藏高原东北部,是青藏高原北部少数几个北北西向右旋走滑为主兼有挤压逆冲性质的断裂之一,为一岩石圈断裂,形成于加里东期,属疏勒南山—拉脊山断裂带中段,是中祁连和南祁连地块的分界线[10]。该断裂带北起大通河盆地北侧,往南经热水煤矿、海晏县西至日月山口与拉脊山断裂带相接,终止于新街、则察寺以南,总体呈北西向15°～35°展布,全长约300 km。探槽剖面揭示此段断裂倾向东,伴有逆冲性质(图1[11]),断裂带全新世以来的水平滑动速率为3.16 mm/a,垂直滑动速率为0.83 mm/a[12]。

最新考察资料证实,沿断裂带不仅5级左右地震活动频繁,而且在大通河南—公共麻寺一带发育多期古地震遗迹,尤其在热水煤矿—公共麻寺一段附近发生的7级以上地震,至今还保留有长达60 km左右的地震形变带,分布有鼓包、裂缝、凹槽、陡坎等。这些事实表明,日月山断裂带的近代活动显著,是一条全新世活动断裂带。

图1 热水煤矿探槽剖面Fig.1 Trench Profile of Reshui Coal Mine

2 断裂活动引发公路工程灾害效应

活断层在地壳应力的持续缓慢作用下可出现缓慢的蠕动滑移位错。这种蠕滑活动可引起多种公路工程灾害效应:公路下伏活断层的蠕滑位错可直接错断公路工程建(构)筑物,还可造成地面不均匀沉降,进而引发路基路面的不均匀沉降和开裂变形[13]。

2.1 灾害现状

图2 日月山断裂与S204省道交汇位置Fig.2 Intersection of Riyueshan Fault and Highway S204

在青海日月山断裂带与S204省道交汇一线(图2),路基、路面破损严重,经实地考察,共发育38条主裂缝,大小裂缝94条,多数裂缝贯通发育,路面凹凸不平,路基、路面波状起伏,路边道沿错裂等灾害现象严重。其中,交汇位置附近公路被错裂,表现为2条雁列式剪切裂缝贯通形成平行于断裂的Y字形裂缝组(图3)。在上盘离断裂带不远处,发育近100 m长的大面积纵向开裂和长距离破裂带(图4),公路北半侧纵向裂缝密集分布,南半侧长轴方向平行于公路的凹陷串珠状展布。继续向东,路面发育2条平行展布的纵向裂缝(图5),间隔2 m左右,单条裂缝最大宽度10 cm,路面凹陷,长轴转为平行于断裂方向;附近路面还发育有一处挤压褶曲变形(图6),裂缝与公路斜交;离此处不远便可见长距离路基、路面波状起伏(图7)。在断裂附近产生的这些路基、路面的破坏与断裂活动是分不开的。

图3 公路路面横向开裂Fig.3 Cross Dehiscence of the Highw ay Surface

图4 公路路面大面积破坏Fig.4 Widespread Destruction of the Highway Surface

2.2 成因分析

图6 上盘公路路面压扭性破坏Fig.6 Compresso-shear Damage in the Upper Wall of the Highw ay Surface

图7 公路路基和路面波状起伏Fig.7 Undulation of the Highway Formation and Surface

破坏现象集中出现在上盘,下盘未见到明显破坏,可能与后期公路检修有关。这些裂缝发育具有两组不同力学成因的优势构造裂缝及其方向(图8)。张性破裂多起始于公路南半侧路沿,压性破裂多分布在公路北半侧。

2.2.1 张剪性破裂

图8 公路路面裂缝成因Fig.8 Cause of the Fissure of the Highway Surface

断层蠕滑在其上盘引起路基、路面变形和开裂,随着断层距离的增大,应力开始衰减,导致上盘不同路段的应变速率各异,这种差异首先易在路沿位置应力集中,产生近乎平行于断层走向的张剪性破裂,随后向路内扩展,在走滑断层拉应力分量的作用下逐渐转变为纵向张剪性质,最终导致路面纵向拉裂(图5)。

2.2.2 压扭性破裂

路基、路面在下伏断层剪切作用下,交汇位置起初产生两组雁裂式挤压剪切破裂,随后分支破裂在持续剪切作用下开始构造贯通,最终表现为横向挤压剪切裂缝发育贯通的-Y字形裂缝组(图3)。由于挤压应力大,近断层位置表现为大面积、长距离的纵向开裂和长轴方向垂直于挤压应力的凹陷(图4)。由于断层走滑效应传递过程中的衰减,远离断层位置只表现为压应力分量作用下的路面褶曲变形(图7)。

3 致灾机理数值分析

3.1 有限元模型的建立

活断层对公路工程的破坏可以认为是断层两侧土体的不连续变形引起的,因此,可以在连续体中设置一构造面,通过控制构造面两侧土体的活动来模拟活断层的活动情况。采用MSCMARC大型通用有限元软件,以日月山断裂带的活动情况为背景,建立三维有限元模型,研究日月山活断层对跨越该断层公路工程的致灾机理和影响效应。

根据文献[14-15],对于一级公路,断面尺寸为梯形,取顶宽21 m,底宽30 m,高3 m,公路为2层,从上向下分别为路面和路床,其中路面厚度为1 m,路床厚度为2 m。根据该断层的实际情况,断层倾角为70°,走向与公路60°角斜交。计算模型的长度按360 m选取,其中从公路轴线与地表断层交点处向两端各取180 m,计算模型土体厚度为60 m,计算宽度从路床底部向两侧各取50 m,则计算模型土体尺寸为360 m×130 m×50 m,模型单元形态选用六面体单元,其路面、路床及上下盘土体的单元分别划分为360、720、15 000个,计算模型见图9。

图9 公路的三维有限元模型Fig.9 Three-dimensional Finite Element Model of Highw ay

上盘和下盘的土体设置为均质土,路面为沥青混凝土,路床为压实的粉质黏土,根据文献[14-16],各层材料参数按表1选取。

表1 公路路基及土体参数Tab.1 Parameters of Highway Formation and Soil Body

模型材料为理想弹塑性材料,采用DP屈服条件和相关流动法则。在断层上盘与下盘之间以及土体与公路路基之间均设置接触面,采用库仑摩擦模型,各接触体之间的摩擦系数按tanφ值选取。根据日月山断裂的观测数据,其平行于断层走向的水平滑动速率为3.16 mm/a,垂直于断层走向的逆冲速率为0.81 mm/a,因此,在进行计算时,在上盘的两侧面施加沿断层走向的走滑位移和在下盘底部施加竖直位移来模拟日月山活断层的活动情况,走滑位移和竖直位移之比为3.16∶0.81,并约束模型其他侧面法向位移和上盘底部的竖向位移。

3.2 有限元结果分析

为了便于比较,选取日月山断层年活动量的整数倍位移对日月山活断层环境下公路的受力、破坏机理进行模拟,并与现场调查的公路变形和破坏情况进行对比研究。

图10中从上到下给出了地表走滑位移分别为0.316、0.948、1.58 m,竖向位移则分别为0.081、0.243、0.405 m时,公路的纵向应力分布云图(图10中斜线表示断层位置和走向,斜线左为上盘,走滑方向为上盘沿-x轴的正向),较为明显的比较断层作用下公路内应力应变的变化趋势。由图10可见,在日月山断层模拟环境下,公路在纵向上处于拉、压的受力状态。在上盘范围内,公路的压应力主要分布在断层附近的迎走滑位移一侧,拉应力则主要分布在断层附近的远离走滑位移一侧,下盘范围内公路的受力状态与上盘呈反对称分布。随着断层活动位移量的增加,公路拉、压的受力范围及拉应力的大小基本不变,而受压区的压应力增长明显。由于公路主要是由沥青混凝土组成,其抗拉、抗压强度较低,因此容易在受拉区及受压区的边缘产生拉、压破坏。

图10 不同位移模拟环境下公路的纵向应力Fig.10 Longitudinal Direction of Stress Under Different Displacements in Simulation

图11 不同位移模拟环境下公路的剪应力Fig.11 Shear Stress Under Different Displacements in Simulation

图12 不同位移模拟环境下公路的塑性应变Fig.12 Plastic Strain Under Different Displacements in Simulation

地表走滑位移分别为0.316、0.948、1.58 m,竖向位移分别为0.081、0.243、0.405 m时,公路的剪应力分布云图和塑性应变分布云图(图11、12,上为走滑位移0.316 m,竖直位移0.081 m,左为上盘)。由此可见,公路的剪应力基本沿断层位置呈反对称分布,且最大剪应力起初主要集中在断层上盘处,剪应力随断层活动位移量的增加而增大。公路的塑性应变主要沿断层上盘近断层位置分布,随着断层活动量的增大,塑性应变在增大,塑性应变的分布形状基本不变。

对于像日月山断层这样的走滑逆断层,上盘土体将对公路产生较大的沿走滑方向的摩擦力,而下盘土体对公路产生反方向的摩擦力,在断层处将产生剪切作用,造成公路的剪切破坏。由公路的塑性应变云图(图10～12)可见,这是走滑环境下公路的主要破坏模式。这和图3现场调查的公路沿断层处直接剪切开裂的结果一致。