断层错动引发基岩上覆土层破裂及其对埋地管线的影响研究

【摘要】：发震断层基岩错动引发上覆土层的破裂是导致埋地管线破坏的主要原因。导致上覆土层的破裂的因素有基岩断层位错类型、断层面倾角、断层位错量及上覆土层的厚度与分布状况等。基岩断层位错类型、断层面倾角和断层位错量等情况与断层的性质及断层上可能发生的地震的大小相关，它们可利用地震地质研究成果来估计。而基岩上覆土层的影响则既与地震断层的性质有关也与土层本身的条件有关。本文研究的目的是掌握基岩断层错动上覆土层的破裂过程及其对跨断层埋地管线的影响。本文共分两部分，第一部分研究了单一均匀土质和含有软硬夹层的基岩上覆土层破裂过程；第二部分研究上覆土层破裂对埋地管线的影响。 本文第一部分运用平面应变有限元方法研究了发震断层基岩错动引发上覆土层破裂反应的过程及破裂状态。研究中不但考虑了均匀土质的上覆土层情况，也考虑了上覆土层中含软、硬夹层的情况，以全面了解上覆土层的破裂状态。本部分研究工作得到的主要成果有： a) 建立了考虑土体本构非线性和土体开裂滑移特性的断层基岩错动引发上覆土层破裂状态分析与模拟的非线性有限元模型与计算方法； b) 从理论上首次模拟揭示了土层地表破裂出现并不意味着断层破裂从基岩贯穿土层至地表的地震震害现象； c) 探讨了上覆土层中软、硬夹层对上覆土层破裂状态的影响。研究结果表明，上覆土层中软弱夹层的存在，能延缓上覆土层的破裂，但当软弱层埋置较深时，上覆土层一旦破裂，则其破裂范围较大；软弱夹层的厚度对上覆土层破裂的进程和范围也有影响；上覆土层中的硬夹层对上覆土层的破裂进程和最终破裂状态影响很小，其作用可不予以考虑。 本文第二部分建立了三维有限元模型来计算分析上覆土层破裂对埋地管线产生的影响，得出的主要结论： a) 上覆土层存在，可以消耗一部分基岩位错释放出的能量，避免管线遭到突发力的作用而导致的脆性破坏。且其厚度影响埋地管线产生塑性应变的长度。上覆土层的破裂迹线与埋地管线的交汇处是管线最易发生破裂失效的位置。 b) 断层两侧的管线在垂直方向上产生的相对位移基本不随上覆土层厚度的变化而变化，因此，基岩位错量的大小是决定管线失效与否的关键因素。 c) 上覆土层的土质不同对埋地管线的变形位置和变形大小有明显影响。 对上覆土层破裂过程的研究是本文的重点，在以往研究的基础上，细化了研究内容，统计分析了计算结果，得出了一些新的特性与规律性认识。本文第二部分的工作仅为实际工程应用提供初步的结论。