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基于二维离散单元法模拟生长正断层砂箱试验 作者：Sheng-Shin Chuab , Ming-Lang Lin a , Wen-Chao Huang c,*, Wei-Tung Nien a , Huan-Chi Liud ,Pei-Chen Chana a：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 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。 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；Lu et al.，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