翻译基于二维离散单元法模拟生长正断层砂箱试验

毕业设计（论文）报告纸共23页第1页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊基于二维离散单元法模拟生长正断层砂箱试验作者：Sheng-ShinChuab,Ming-LangLina,Wen-ChaoHuangc,*,Wei-TungNiena,Huan-ChiLiud,Pei-ChenChanaa：台湾省台湾大学土木工程系b：台湾省台北水务部门c：台湾省桃园县中坜市中大路300号国立中央大学d：台湾省台北市教育大学地球与生命科学教育系文章信息：收录于2014年一月31号，在2014年10月12号收录修订版，2014年10月29号可在网上在线阅读。摘要断层滑移会引起浅层土体变形破坏和破坏基础设施。台北盆地西侧的山脚层就是这样的断层。山脚断层活动已经导致了台北盆地第四纪沉积物发生变形，严重破坏了交通建设，以及在该地区的公用事业线。地质钻探和测年的数据已被用来确定山脚断层是否存在生长型短程。在一个实验中，建立了一个模型：在山脚断层用无粘性砂土模拟生长断层的存在，以及预测生长断层对剪切带发育及地表变形的影响。实验结果表明，当一个正常的断层包含一个生长断层，原始土壤顶层的剪切带往往向上发展且土壤表面发展比单个平顶层的要快的多。所需的偏移率大约是单覆盖土层的三分之一。在这项研究中，砂箱实验数值模拟是利用离散元程序-PFC2D，真实模拟了上覆砂层剪切带发育速度与正常断层滑动范围。这个模拟得出的结果类似于砂箱实验的结果，这个结果可以应用于近断层带施工项目的设计。关键词:增长型正断层,离散单元法,山脚断层,台北盆地毕业设计（论文）报告纸共23页第2页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1.前言断层底部的断裂造成了短暂且强烈的纵向、横向地震波，导致地震（动态行为）和地表（静态行为）永久（或塑性）变形。这两种机制可能对地表结构造成严重的破坏，特别是靠近破裂带。虽然暂波引起结构的积极反应，已经分析清楚，由断层破裂导致的近地表破裂造成永久或塑性变形，从而严重破坏了地下结构和公用管道。此外，在邻近设施，如水库或核电厂，断层破裂造成的后果更是灾难性的，且这些设施不能容忍差异沉降。因此，主要的建筑设施的核心设计原则是尽量避免活动断层。然而，对于线性的设施，如道路和管线，避免活动断层几乎是不可能的，因为他们必须穿过断层以满足正常的运输和供应的需要。台北是台湾的主要政治经济中心。在造山期和之后，在这一地区形成了若干类型的断裂构造。因此，是否存在的活动断层以及断层活动性是居民主要关注的问题，也是一个研究热点，学术研究人员（王，2008，程等2010）。台湾经济部中央地质调查所的研究结果（M.O.E.A.）表示，山脚断层是一个活动正断层，且经过大屯火山和延伸到在台北市区的东北方向的金山地区。断层长度至少是以前公认的长度两倍，（中央地质调查，2010）。台湾电力公司委托的地质调查表明，这个正断层延伸离岸至少40公里。由于活动断层和地震震级的长度之间的正相关关系，识别确认重要设施与相邻断层之间的相互作用是至关重要的。例如，施跨越山脚断层的交通基础设施包括台北大众捷运系统（MRT），台湾铁路局（TRA），和台湾的高速铁路（高铁），以及众多的公路（图1）。山脚断层的破裂会引起地面变形与上述基础设施大量损害，且如果没有提前部署适当的缓解策略相关结构的修复几乎是不可能的。因此，大城市地区周围活动断层的运动已成为居民和研究人员一个主要关注的问题。此外，如果断层引起的地面变形裂缝和沉降变形，由于断层破裂后所形成的沉淀，地面可能会随着时间积累，因此将很难直接观察原地面变形。毕业设计（论文）报告纸共23页第3页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图1：台湾北部的山脚断层迹概述（钻孔位置scf-1，2，14，15，16，17及wk-1e见图）因此，定义了活动断层破裂可能影响范围，有利于工程师设计实用管道或相邻的故障的重要基础设施。虽然在山脚断层没有地震活动的记录，位于台北盆地西缘的基岩表观形态的700m深度陡坎（滑1.7m每1000年）表明在山脚断层活动已经在台北盆地形成与演化的关键作用。台湾北部的东拉应力机制可能导致山脚断层活跃起来（李和王，1988；Luetal.，1995；腾，1996）。因为山脚断层是由第四纪沉积物（主要是台北盆地内的沉积），证明是否存在断层是很难的。然而，中央地质调查和众多的工程顾问公司已经进行钻探和重大工程建设项目，通过山脚断层地震调查，如新庄线及台北捷运机场线。测量和钻探结果有助于进一步了解断层的可能位置，在台北盆地第三纪深度范围内，和上一层的第四纪沉积物（有史以来过境国际有限公司1999；资源工程服务，1999）。自1999年来中央地质调查局在转官渡、五股、和树林区测出的地质剖面，在这些地质剖面中，位于树林区的SCF-15和SCF-16剖面（图2，图3）。在基底深52m及136.52m处再次证明位第三纪地层。在SCF-16剖面的第三纪地层底层深度比剖面SCF-15深约84m。在这两个剖面中测得的基底深度差异很可能就是山脚断层存在的有力证据，因此，山脚断层的遗迹可能就存在这两个钻孔之间。在五股区域的SCF-2和SCF-2剖面(图2)为45m和164m，在钻芯137m和156.3m深度之间的成分为沙层和淤泥层，这类似于一个小型倾斜正断层毕业设计（论文）报告纸共23页第4页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊（图5）。山脚断层的松散倾斜叠片是由断层拖动滑移而成，钻井SCF-2和WK-1E的基底深度分别为164m和679m，基底深度差异的两个钻孔之间的距离为515m，表明：山脚断层可能位于这两个钻孔之间。旧第四纪的松散沉积物包括中更新世石桥市和更新世五股的形成比新第四纪底层包括上更新世京美和松山区域的形成要大的多，如图6所示。底层的倾角表明山脚断层形成在台北盆地形成的早期，正式几个正断层的活跃期。图2：山脚断层地质钻孔scf-15和scf-16地点的详细视图资料表明山脚断层深度从几十米到700多米不等（林.2005）假设地面标高为0m，山脚断层的沉积层厚度约在几十米到700米。一个沉积层（如700m厚）必须在断层破裂的前后反复数次沉积，沉积厚度才逐渐增加，由于沉积层一般不是在一个沉积事件厚形成的，一次在多个沉积事件的基础上探索正断层的行动是必要的。由于两层沉积层的厚度都足够大，以至于成为一个大的但沉积层，因此认为在沉积层下面的断层是一个生长正断层。（Robertset.1990）几个破裂时间和沉积层可能形成在上述断层之前。之前的研究已经表明，山脚断层是一个生长正断层，基于钻孔和测年信息（Huangetal.，2007；Chenetal.，2010）；因此，一个生长正断层的变形特征是这项研究的主要重点由于其潜在活性。毕业设计（论文）报告纸共23页第5页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图3:SCF-15和SCF-16的52和136米的基底深度地质剖面最近研究生长正断层的破裂引起的剪切带的在沉积层传播的方法主要集中在现场调查(Gawthorpeetal.,1997;GawthorpeandHardy,2002;Castelltortetal.,2004;Nicoletal.,2005;Tayloretal.,2008;Pochatetal.,2009)，正断层的实验室测试(Husetal.,2005;LeeandHamada,2005;Patton,2005)，和常见的故障的数值模拟(Saltzer,1992;SeyferthandHenk,2006;Egholmetal.,2007;Abeetal.,2011;Nolletetal.,2012;Hardy,2013)。作者在实验室进行了测试，以探索在生长正断层(Chuetal.,2013)的剪切带的传播。在这项研究中，对生长正断层进行了数值模拟。此外建立了位于五股地区地质钻孔剖面scf-1，scf-2，和wk-1e模型来比较剪切带在沉积层以上的正断层传播的深度。毕业设计（论文）报告纸共23页第6页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图4：地质钻孔scf-12和wk-1e的详细位置2.生长断层模拟法在这项研究中，运用离散单元法，利用颗粒流模拟（PFC2D）(ItascaConsultingGroup,2004)，复制之前做的实验，这是缩小到第300分之一的苏林地质剖面（接近scf-15和scf-16）本研究的主要目的是要进行生长正断层第一变形的有效模拟，数值模型是使用以前进行测试区的测试和，第二，在一个预先变形层的顶部中产生大量沉积层验证第二组的数值模型。根据作者的以往的经验，共同土工测试或问题，使用商用离散元代码，如直剪试验，单轴压缩测试或反向或正常故障故障引起的地表位移的模拟，已被证明是有效的和精确的(SeyferthandHenk,2006;Changetal.,2013;Yangetal.,2014);因此，在这项研究中，PFC是用来产生粒子，分配适当的边界条件，并对仿真结果进行分析。数值模型中的边界条件和微观参数通过比较与实验室结果得到了证实，因此，其他模拟相邻的地质剖面的现场条件离散元数值模型，可能会成为可行的，且底层的变形行为（包括地面和地下行为），也有了研究的可能性如前所述，数值计算和模拟实验装置是基于缩小苏林地质剖面而建的。在模拟装置中，其长度为100厘米，宽度为20厘米，高度为60厘米。在本试验中，采用了越南石英砂作为试验材料，具有较高的均匀性。为确保均匀的粒度分布，砂使用40号至140号筛进行筛选，比重为2.65，容重为15.7千牛/米，相对密度为55%和孔隙率为0.68.通过直接剪切试验和三轴试验测量摩擦角为30-34度。经分析将30度摩察角作为颗粒的摩擦角的数值分析值(Chuetal.,2013)。毕业设计（论文）报告纸共23页第7页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图5：深度在137米和156.3米之间scf-2钻孔成分（剪切带，显然是在这个范围内，wk-03即scf-2）。毕业设计（论文）报告纸共23页第8页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图6：钻孔scf-1.2和wk-1e约164和760米的基底深度的地质剖面本实验通过将右面板沿着另一个面板向下移动60度倾角来模拟正断层的影响。在砂箱侧壁安装一个10万像素摄像头在一个固定的距离不断拍摄测试的过程，包括在沙层破坏面发展的图像。烘箱干燥的石英砂均匀地分散在砂箱里，且把几层的石英砂染色铺成2cm厚来观察剪切带发展。用干燥的沙子防止沙子不必要的凝聚力和变色。使用着色的石英砂的优点在于发现砂层在给定的深度（或任何层）错位就表明破坏面已向上传播到特定深度（图7）。毕业设计（论文）报告纸共23页第9页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图7：着色砂层的错位触发偏移，形成一个正断层。在这项研究中模拟的模拟试验分为2种类型。第一类（类型1）通过触发一个6厘米的一次性偏移来创建一个正常的故障。第二类型（类型2）所涉及通过触发一个5厘米从故障尖端偏移，并允许干沙层，从30cm的给定高度自由落下，以形成1厘米厚的沙子创建正断层层（1厘米厚度从正常断层下盘的接地表面测量）。在变形的砂面上铺上第二层，另一个1厘米的偏移是引发故障提示使正常故障偏移位移评价的剪切带的传播和影响的宽度在生长正断层的砂面测量。图6钻孔SCF-1.2和WK-1E基底深度分别约164和760m。3.砂箱实验结果讨论着色砂层分布在2厘米厚的沙层之间。当粒子的排列由断层端部偏移而变化时，则剪切带清晰可见。试验后，受影响区的规范化宽度（W/H：宽度W是规范化砂层的厚度），并在不同的试验中观察到的将形成的剪