Experiment and Analysis of Surface Soil Rupture Pattern
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摘要: 近年来地震频发，研究断层区土体破裂形态是了解和认识地震断层破坏机制的关键。为研究不同断层类型对地表形态的影响，通过模型试验得到拉伸型断层、挤压型断层以及剪切型走滑断层的地表土层形态，同时对走滑断层进行了数值模拟计算，并与试验结果进行了对比。由试验结果可知，在拉伸型断层中，地表纵向拉伸变形随土层厚度的增大而减小。挤压型断层中，随着土层厚度的增大，地表纵向压缩变形减小，且减小趋势逐渐变缓，地表隆起区宽度和隆起高度随之增加。在走滑断层中，地表位错量随着土层厚度的增大而减小，且随着土层厚度的增大，地表变形影响区范围呈先增加后减小的趋势。数值模拟计算结果与走滑断层试验结果基本一致。Abstract: With the increasing frequency of earthquakes in recent years, studying soil rupture patterns in fault zones has become essential for understanding the damage mechanisms of earthquake faults. This research investigates the impact of different fault types on surface morphology through model tests and numerical simulations. Surface soil deformation patterns were examined for tensile faults, compressional faults, and strike-slip faults, and numerical simulations were conducted for strike-slip faults to compare with experimental results. The results from the tests reveal that for tensile faults, longitudinal tensile deformation of the ground surface decreases as soil layer thickness increases. In compressional faults, the longitudinal compressive deformation of the surface also decreases with increasing soil thickness, but at a slower rate. Additionally, the width and height of the surface uplift area increase with greater soil thickness. For strike-slip faults, surface dislocation decreases as soil thickness increases. Interestingly, the area affected by surface deformation initially expands and then decreases with increasing soil thickness. The numerical simulations of strike-slip faults align closely with the experimental findings, supporting the accuracy of the model tests.
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Key words:
- Tensile fault /
- Extrusion fault /
- Strike slip fault /
- Model test /
- Numerical simulation
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引言
近年来，破坏性地震频发。地震破坏主要分为地震动破坏和地震断层破坏，其中断层破坏导致的地表永久变形会对建筑物以及土木工程基础设施造成严重后果（徐龙军等，2023）。1999 年中国台湾集集地震中，地表最大水平位移约为10 m，最大垂直位移达7 m（Ma等，1999；Lee等，2003）。2016 年日本熊本地震中最大断层滑动量为5.1 m（Asano等，2016；Kubo等，2016）。这些地震实例再次说明，目前的减隔震技术与手段已经不能满足发生地表大变形区域内的结构抗震要求。地震断层形态是断层类型、地质结构、场地岩土组成等因素共同作用的结果，决定了断层区工程结构设施的破坏机制与损毁状态（徐龙军等，2023）。因此，研究断层错动对地表形态的影响特征和规律是认识断层破坏机理的前提。
目前国内外学者对断层破坏的研究已取得一些成果，如Sanford（1959）通过改变土的材料参数来研究土体中断层破裂模式。Emmons（1969）利用沙箱模型考察了走滑断层土体剪切裂缝发展扩散成破裂面的过程。刘学增等（2004）采用自制断层模拟装置进行试验，研究了逆断层倾角和含水率对断层破坏模式的影响。Johansson等（2004，2006）研究了砂土含水率对断层破裂形态的影响。Lee等（2005）分析了断层类型、土层厚度以及断层倾角对破裂过程的影响。Ahmadi等（2017，2018a，2018b）通过试验探讨了土壤黏性、土层厚度以及含水率对土体破裂的影响，得出达到地表破裂所需基岩垂直位移最小时土的含水率为5%的结论。石吉森（2017）利用自行设计的断层错动模拟装置研究了地表倾角对地表破裂变形的影响。沈超（2020）利用离心机试验得出了高g值重力环境下逆断层错动引起的地表变形演化特征。王强（2021）通过试验研究了不同类型、不同土质断层错动对上覆土层破裂的影响。目前对断层土层破裂模式和形态的研究主要是针对具有倾滑断层面的正、逆断层情况，而对走滑断层的研究较少；另一方面，专门开展土层在张拉、挤压情况下破裂模式与形态的研究更是鲜见（沈超等，2022）。鉴于此，本研究主要针对剪切走滑断层、拉伸型断裂和挤压型地表隆起破坏的发生、发展及其形态进行试验研究，并通过建模对走滑断层破裂过程进行了数值计算和结果分析，以期能为断层破裂机制的探讨提供参考。
1. 试验设计
1.1 试验装置
试验装置采用自行研发的断层模型装置，如图1所示，试验装置由土箱、加载系统、控制台等组成。土箱试验区尺寸为300 cm×30 cm×30 cm（长×宽×高），中间垂直断开用于模拟两盘间的断层面。土箱底部覆盖粘贴砂纸作摩擦边界处理。土箱的两盘都可以活动，左盘可在平面内前后左右移动，右盘可上下移动，两盘之间可以产生相对三维空间运动。控制台通过调节不同的模式来控制两盘的错动方向和位移量。
1.2 试验材料
试验按均匀土层考虑，试验材料采用配置砂土模拟，配置砂土由试验用砂、粉煤灰、锯末、水等按比例配制组成。在开始试验之前先通过直剪试验和比重计法得到配置砂土的基本物理力学参数以及颗粒级配，测得材料参数如下（表1）。
表 1 材料参数Table 1. Material parameters密度ρ/(g·cm−3) 黏聚力c/kPa 内摩擦角Φ/(°) 平均粒径
d50/mm有效粒径
d10/mm土粒
比重Gs最大孔
隙比emax最小孔
隙比emin弹性模量
E/kPa泊松比μ 1.52 7 30 0.253 0.008 2.67 0.919 0.411 20000 0.25 1.3 试验工况与量测系统
试验中，先保持右盘不动，通过控制左盘以0.2 cm/s的速度匀速运动，来模拟不同断层活动工况。拉伸型断层和挤压型断层通过左盘沿箱体纵向的左、右运动实现，其中挤压型断层在装置两盘之间预留了6 cm宽度。通过左盘沿垂直纵向的前后运动模拟走滑断层情况。考虑土的重构性影响，每组试验分为制土后直接试验和静置1天后试验共2次进行。试验工况如表2所示。
表 2 试验工况Table 2. Test conditions断层类型 断层预留宽度/cm 断层错动方向 断层错动距离/cm 土层厚度/cm 拉伸型断层 0 左盘向左 6 5、10、15、20 挤压型断层 6 左盘向右 6 5、10、15、20 走滑断层 0 右旋 3 5、10、15、20、25 在拉伸型断层和挤压型断层试验中，在断层线上以及垂直断层方向布置2条相互垂直的长20 cm的白线（图2（a）），通过对比试验前后垂直于断层方向的白线长度变化观察地表纵向变形、土样隆起高度以及地表隆起区宽度。在走滑断层试验中，在垂直于断层方向布置7条相互平行的白线，间隔4 cm（图2（b）），通过对比试验前后白线在断层线上的错动位移量观察地表变形和地表变形影响区宽度。
2. 试验分析
试验结果显示，随着装置的逐级加载，不同断层类型产生的地表破裂形态并不相同。下面从3种不同断层类型来分析试验结果。
2.1 拉伸型断层
拉伸型断层试验中，设置5、10、15、20 cm 共4个不同土层厚度进行试验。试验通过保持右盘不动，左盘向左匀速拉动实现拉伸。用拉伸率反映土层在拉伸过程中的形变，拉伸率=地表纵向拉伸变形长度/左盘移动距离。图3展示了土层厚度分别为5 cm和15 cm工况下静置1天后试验得到的地表破裂形态。
图 3 拉伸型断层试验地表土层变形图Figure 3. Deformation diagram of surface soil layer for tensile type fault test图4为不同土层厚度下直接试验和静置1天后试验的拉伸变形量与拉伸率变化。由图4（a）和图4（c）可知，土层厚度为5 cm时，直接试验后的白线距离从最初的20 cm变为24.5 cm，地表纵向变形为4.5 cm，拉伸率为75%。土层厚度为10 cm时，直接试验后白线长度为22.5 cm，较试验前铺设的白线长度拉伸了2.5 cm，拉伸率为41.7%。土层厚度为15 cm时，白线拉伸了0.5 cm，拉伸率为8.3%。土层厚度为20 cm时，白线仅拉伸了0.1 cm，拉伸率为1.7%。通过对比发现，土层厚度从5 cm到15 cm变化过程中，拉伸率变化较大，而土层厚度从15 cm到20 cm变化过程中拉伸率变化只有6.6%，可以看出土层厚度大于15 cm时在左盘拉动6 cm的情况下，断层裂缝延展开始变缓。由图可知，白线拉伸长度随着土层厚度的增大而减小，即拉伸长度一定时，随着土层厚度的增加，地表土层变形减小。
图 4 不同土层厚度下白线长度和拉伸率变化Figure 4. Variation of white line length and stretch rate with different soil thickness由图4（b）和图4（d）中可知，土层厚度为5 cm时，静置1天后试验的白线长度从20 cm增加至25 cm，拉伸率为83.3%。由于土层厚度较薄，开始时拉伸土层表面便出现了裂缝，裂缝最长约4 cm，最短2.5 cm。土层厚度为10 cm时，白线拉伸至23.5 cm，拉伸率为58.3%。土层厚度15 cm时，白线长度为22.5 cm，拉伸率41.7%。当土层厚度为20 cm时，白线长度减少为21.5 cm，地表变形仅1.5 cm，拉伸率为25%。可以看出随着土层厚度的线性增大，地表纵向变形有所减少。通过对比发现，当土层厚度一定时，静置1天后试验的白线拉伸长度较直接试验的更大，即静置1天后试验的地表变形更大。导致这种结果的主要原因是静置1天的土层结构经过重塑，变得更加均匀，而含水率会变小，土的黏性也会降低，一旦开裂，裂缝的扩展速度将加快，从而导致地表变形更大。
2.2 挤压型断层
试验时预留6 cm的断层间隙，保持右盘不动，操控左盘向右匀速移动6 cm模拟挤压过程，分别采用5、10、15、20 cm 4种不同厚度。类似地，用挤压率反映土层在压缩过程中的形变，挤压率=地表纵向压缩变形长度/左盘挤压长度。图5为静置1天后土层厚度为5 cm和15 cm的地表土层变形，图5（a）中隆起区域集中，坡度陡，图5（b）中隆起区域分散而宽，坡度平缓。
图 5 挤压型断层试验的地表土层变形图Figure 5. Deformation diagram of surface soil layer for extrusion-type fault test图6分别给出了不同土层厚度下直接试验和静置1天后试验的挤压变形量以及挤压率变化。由图6（a）和图6（c）可知，土层厚度为5 cm时，直接试验后白线长度缩短至17 cm，地表纵向变形为−3 cm，挤压率为50%；土层厚度为10 cm时，白线长度19.5 cm，缩短0.5 cm，较5 cm时相差较大，挤压率为8.3%；土层厚度达到15 cm时，相较于土层厚度为10 cm的白线长度只缩短了0.2 cm，即地表土层纵向变形减小速率变缓，地表纵向变形为0.3 cm，挤压率为5%；土层厚度为20 cm时，白线长度为19.8 cm，缩短了0.2 cm，挤压率为3.3%。可以看出随着土层厚度的增大，挤压率越来越小，说明挤压对地表土层变形的影响越来越小。由图6（b）和图6（d）可知，土层厚度为5 cm时，静置1天后试验的白线长度为16.7 cm，挤压率为55%；土层厚度为10 cm时，地表土层变形相较于土层厚度5 cm时有较大幅度的减少，白线长度缩短了1 cm，挤压率为16.7%；土层厚度15 cm时，白线缩短了0.5 cm，挤压率8.3%；土层厚度为20 cm时，挤压率为5%。通过对比图6（a）和图6（b）可以发现，土层厚度一定时，静置1天后试验的地表土层变形较大。
图 6 不同土层厚度下白线长度和挤压率变化Figure 6. Variation of white line length and extrusion rate with different soil thickness土层表面隆起区宽度指土层发生隆起的区域宽度。图7为不同土层厚度下配制土直接试验和静置1天后试验的土层表面隆起区宽度变化。由图7（a）可知，土层厚度为5 cm时，直接试验测得的土层表面隆起区宽度为15.5 cm；土层厚度为10 cm时，土层表面隆起区宽度为25 cm；土层厚度为15 cm时，隆起区宽度为32 cm；土层厚度为20 cm时，隆起区宽度增加至40 cm。可以发现，随着土层厚度的增大，土层表面隆起区宽度也随之增加，而土层表面隆起区宽度变化幅度随土层厚度的增大，呈略微减小的趋势。由图7（b）可知，土层厚度为5 cm时，静置1天后试验测得的土层表面隆起区宽度为16.7 cm；土层厚度为10 cm时，隆起区宽度为21 cm，略低于相同土层厚度下直接试验的土层表面隆起区宽度；土层厚度为15 cm时，隆起区宽度为32 cm；当土层厚度为20 cm时，隆起区宽度为35 cm。通过对比发现，静置1天后试验得到的土层表面隆起区宽度略低于相同土层厚度下直接试验的土层表面隆起区宽度，但总体趋势大致相同，随着土层厚度的增大，隆起区宽度均呈增加趋势。
图 7 不同土层厚度下土层表面隆起区宽度变化Figure 7. Variation of the width of the soil surface uplift zone with different soil thickness土层表面隆起高度为试验后土层最高点的高度与试验前土层厚度的差值。图8为不同土层厚度下配制土直接试验和静置1天后试验的土层表面隆起高度。由图8（a）可知，土层厚度为5 cm时，直接试验测得的土层表面隆起厚度为0.5 cm；土层厚度为10 cm时，隆起高度为0.8 cm；土层厚度为15 cm时，隆起高度为1 cm；土层厚度为20 cm时，隆起高度增加到1.5 cm。从图8（b）可知，当土层厚度为5 cm时，静置1天后试验测得的土层表面隆起高度为1.1 cm；土层厚度为10 cm时，隆起高度为1.5 cm；土层厚度为15 cm时，隆起高度为1.8 cm；土层厚度为20 cm时，隆起高度为2.8 cm。对比分析发现，由于土层厚度的增大，相应被压缩的土体体积增加，从而导致土层表面隆起高度也相应增加。
图 8 不同土层厚度下土层表面隆起高度变化Figure 8. Variation of soil surface elevation height with different soil thickness2.3 走滑断层
在走滑断层试验中，使用配置砂土分别模拟了5、10、15、20、25 cm 5种不同厚度的土层在走滑断层下的表面变形情况。为模拟走滑断层，保持右盘不动，左盘右旋错动3 cm，观察试验后断层线上地表位错量分布以及土层表面变形影响区宽度。图9为厚度分别为5 cm和10 cm的土层静置1天后地表土层变形情况。
图 9 走滑断层试验中地表土层变形情况Figure 9. Deformation diagram of surface soil layer of Strike-slip fault test断层线上的地表位错量可以直观地展示地表变形分布。图10为不同土层厚度下地表位错量沿断层线的分布情况。可以发现，随着土层厚度的增大，地表位错量随之减小。土层厚度相同时，由于边界剪切作用，断层线中间的地表位错量偏小，边缘的最大地表位错量偏大。当土层厚度为5 cm时，地表最大位错量和最小位错量分别为2.7 cm和2.2 cm。土层厚度为10 cm时，地表位错量较土层厚度为5 cm时有所减小，断层线上最大位错量和最小位错量减小为2.5 cm和1.8 cm。土层厚度为15 cm时，最大位错量和最小位错量分别为2.4 cm和1.5 cm。土层厚度为20 cm时，最大位错量和最小位错量分别为2 cm和1.3 cm。当土层厚度达到25 cm时，最大位错量和最小位错量分别减小到1.8 cm和1.2 cm。这是由于土层厚度增大，在走滑断层试验中受到的边界剪切作用有所缓和，导致沿断层线方向的地表位错量有所减少。
图 10 不同土层厚度下地表位错量沿断层线分布情况Figure 10. The maximum and minimum displacement changes of white line stagger under different soil layer heights土层表面变形影响区宽度为试验后土体表面发生变形区域的最大宽度。图11为不同土层厚度下土层表面变形影响区宽度变化情况。由图11可知，随着土层厚度的增大，土层表面变形影响区宽度呈先增加后减少的趋势。土层厚度为5 cm时，土层表面变形影响区宽度为5.2 cm；土层厚度为10 cm时，影响区宽度增加为8.9 cm；土层厚度为15 cm时，影响宽度增加到最大，为11.6 cm；土层厚度为20 cm时，影响区宽度开始减少，为10.9 cm；土层厚度为25 cm时，影响区宽度减少为6.4 cm。这种变形影响区宽度先增加后减小的现象，是因为变形影响区宽度是由土层厚度和错动距离共同作用的：左盘错动距离为3 cm时，错动距离起主要作用，裂缝在土层厚度为5～15 cm范围内不断延展，直至达到最大。当土层厚度为15～20 cm时，土层厚度起主要作用，由于土层厚度的不断增加，裂缝导致的变形影响区宽度开始减小，在土层厚度为25 cm时，影响区宽度会进一步缩小。
图 11 不同土层厚度下土层表面变形影响区宽度变化Figure 11. Variation of width of affected deformation zone on soil surface with different soil layer thickness3. 数值模拟
3.1 数值模型和模型参数
采用ANSYS-LSDYNA软件建立走滑断层错动模型（图12），模型箱长306 cm，宽36 cm，高33 cm，壁厚3 cm。其中土层长、宽为300 cm×30 cm，土层厚度分别选取5、10、15、20 cm 4种情况，满足模型试验相似比关系。
在数值模拟中，箱体结构采用六面体实体单元的缩减积分单元进行建模。采用Drucker-Prager准则模拟土层的应力和变形，土层材料的物理力学参数如表1所示，模型箱材料为结构钢，材料参数如下：密度ρ=7.85 g/cm3，弹性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3。土层与两盘之间采用面面接触，左、右盘之间进行光滑处理，由于试验中箱壁与土层采用砂纸接触，土层与两盘之间的动摩擦系数按0.7考虑。
3.2 边界条件和加载方式
模型采用节点约束边界条件，保持右盘固定不动，并约束左盘除y轴外所有自由度。对左盘施加位移边界，使其沿y轴正方向匀速右旋错动3 cm，左盘带动土层错动，以此模拟走滑断层。
3.3 数值模拟分析
图13为不同土层厚度下土层表面总位移等值线云图。当土层厚度为5 cm时，土层表面变形影响区宽度为5.2 cm，断层线上地表最大位错量和最小位错量分别为2.81 cm和2.04 cm；土层厚10 cm时，土层表面影响区宽度增加到8.3 cm，地表最大位错量和最小位错量分别为是2.55 cm和1.65 cm；土层厚度为15 cm时，影响区宽度继续增加，达到12.3 cm，地表最大位错量和最小位错量分别为2.46 cm和1.48 cm；土层厚度为20 cm时，影响区宽度开始减少，减少到11.2 cm，地表变形最大位错量和最小位错量分别为2.13 cm和1.08 cm；土层厚度为25 cm时，影响区宽度减小为6.1 cm，最大位错量和最小位错量分别为1.83 cm和1.01 cm。可以看出，随着土层厚度的增大，土层表面变形影响区宽度先增加后减少，这一现象与试验结果基本吻合。由图14可知，考虑到试验过程中测量存在偶然误差或土层难以达到真正均匀等因素共同作用导致地表变形存在一定偏差，其地表破裂形态变化趋势与试验结果基本一致。
图 14 数值模拟与实验结果对比Figure 14. Comparison between numerical simulation and experimental results4. 结论
本文通过模型试验和数值模拟，分析了不同类型受力状态的地表土层破裂形态，得到以下结论：
（1）在拉伸型断层试验中，地表纵向变形长度随着土层厚度的增大而减小，且由于土层厚度不断增大，土体中裂缝延展逐渐变慢，导致地表变形量减少，在土层厚度为15 cm时变缓。土层厚度相同时，静置1天后试验结果比直接试验的地表变形大。
（2）在静置1天后拉伸型断层试验中，当土层厚度为5 cm时，由于土层较薄，拉伸初期土层表面即出现沿着断层线分布的大裂缝，裂缝最长4 cm，最短2.5 cm。
（3）在挤压型断层试验中，地表变形随着土层厚度的增大而增加，但增加趋势逐渐变缓。当土层厚度相同时，静置1天后地表的变形小于直接试验的地表变形。试验后隆起区宽度以及隆起厚度随土层厚度的增大而增加。
（4）走滑断层试验中，由于土层厚度的增大减缓了边界对土体的剪切作用，沿断层线方向的地表位错量随着土层厚度的增大而减少。土层表面变形影响区宽度随土层厚度的增大呈先增加后减小的趋势，这是由于变形影响区宽度是由土层厚度和错动距离共同影响的，当土层厚度达到一定值时，土层厚度开始起主要作用，使变形影响区宽度开始减小。
（5）走滑断层数值模拟结果与试验得到的地表破裂形态变化趋势基本一致。
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图 3 拉伸型断层试验地表土层变形图
Figure 3. Deformation diagram of surface soil layer for tensile type fault test
图 4 不同土层厚度下白线长度和拉伸率变化
Figure 4. Variation of white line length and stretch rate with different soil thickness
图 5 挤压型断层试验的地表土层变形图
Figure 5. Deformation diagram of surface soil layer for extrusion-type fault test
图 6 不同土层厚度下白线长度和挤压率变化
Figure 6. Variation of white line length and extrusion rate with different soil thickness
图 7 不同土层厚度下土层表面隆起区宽度变化
Figure 7. Variation of the width of the soil surface uplift zone with different soil thickness
图 8 不同土层厚度下土层表面隆起高度变化
Figure 8. Variation of soil surface elevation height with different soil thickness
图 9 走滑断层试验中地表土层变形情况
Figure 9. Deformation diagram of surface soil layer of Strike-slip fault test
图 10 不同土层厚度下地表位错量沿断层线分布情况
Figure 10. The maximum and minimum displacement changes of white line stagger under different soil layer heights
图 11 不同土层厚度下土层表面变形影响区宽度变化
Figure 11. Variation of width of affected deformation zone on soil surface with different soil layer thickness
图 14 数值模拟与实验结果对比
Figure 14. Comparison between numerical simulation and experimental results
表 1 材料参数
Table 1. Material parameters
密度ρ/(g·cm−3) 黏聚力c/kPa 内摩擦角Φ/(°) 平均粒径
d50/mm有效粒径
d10/mm土粒
比重Gs最大孔
隙比emax最小孔
隙比emin弹性模量
E/kPa泊松比μ 1.52 7 30 0.253 0.008 2.67 0.919 0.411 20000 0.25 
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表 2 试验工况
Table 2. Test conditions
断层类型 断层预留宽度/cm 断层错动方向 断层错动距离/cm 土层厚度/cm 拉伸型断层 0 左盘向左 6 5、10、15、20 挤压型断层 6 左盘向右 6 5、10、15、20 走滑断层 0 右旋 3 5、10、15、20、25
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1. 徐龙军，彭龙强，谢礼立. 地表土层破裂形态数值模拟. 地震工程学报. 2025(01): 41-49 . 
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