盲逆衝斷層活動時上覆土層內破裂擴展行為與變形區範圍之研究

1999年921集集大地震發生後,於車籠埔斷層沿線發現長達90幾公里之地表破裂跡,沿著此斷層破裂跡,可看見因斷層活動或是地層變位而導致壩體斷裂(如台中縣石岡壩)、橋樑斷裂(如台中縣埤豐橋)、或是維生管線斷裂、輸水隧道斷裂。同年11月在土耳其發生的Duzce地震,則可同樣發現,在斷層活動引致之地表破裂跡沿線,大多數結構物均遭受到嚴重損毀,然而少數結構物即使位於地表破裂跡上方,結構體本身卻僅有剛體滑移而未受到損害。因此斷層活動對上覆土層之變形行為、變形範圍、地表破裂面位置,就地上建築物的安全而言實為一重要之課題。本研究藉由連續體數值分析軟體FLAC為工具,模擬盲斷層活動時,造成地表破裂面位置以及地表變形區之範圍。假設上覆土層為無凝聚性砂土層並與Cole and Lade之理論模式做一驗證,並考慮於不同性質之上覆土層於不同斷層傾角下,以建立一套於不同性質之上覆土層於地表發生破裂位置、及地表變形區之範圍。連續體數值分析結果顯示:藉由基本案例之分析結果,利用塑性剪應變分佈由底部擴展至地表,輸出地表破裂位置,並回復至斷層為活動前之相對位置,並與Cole and Lade(1984)根據砂箱試驗所提出之理論模式,其趨勢相符,當斷層傾角為60°,數值分析之破裂面於土層中之現象,與砂箱模擬試驗探討覆土層受斷層活動引致地表破裂帶位置的試驗成果趨勢相符。並利用數值分析結果擷取運動學模式之對應參數,隨著斷層持續滑移,斷層擴展距離與上盤剛體滑移量的比值(P/S ratio)並非保持定值,當斷層尖端點快切穿至地表時,呈現一快速破裂擴展至地表。斷層尖端點自底部向地表擴展,會受到地表向土層內部發展之塑性應變集中帶牽引,故接近地表時破裂面會有一減緩之趨勢,破裂面傾角於土層中並非保持固定。藉由數值分析模型,分別探討上覆土層為砂土層(ψ=30°)、黏土層(c=100kPa)、具c、ψ土層(c=50kPa、ψ=30°)。輸出斷層尖端點切穿至地表時,模擬地表分析網格之累積剪應變分別為1%、1.8%、3%的情形下,並將上下盤變形區域輸出繪於W/H之關係圖上,建立一於不同性質之上覆土層於不同斷層傾角下於地表發生破裂之位置,及在上下盤不同累積剪應變於之分佈範圍,以供工程施工上之應用。其分析結果,斷層傾角較大時,發生地表破裂位置距斷層初始尖端之水平距離較近,斷層傾角較小時,發生地表破裂位置距斷層初始尖端之水平距離較遠。斷層傾角為45°的情形時,上盤處皆可以發現一處剪應變梯度變化非常大之區域,此區域正是為一對地面、或地中結構物損害最為嚴重的區域。

作者:許