第7卷第2期地震工程与工程振动(英文版)2008年6月地震工程与工程振动(2008)第7卷：147-163DOI:10.1007/s11803-008-0835-6断层破碎带上筏板基础的简化设计方法第一部分：自由场地I.阿那斯塔梭普罗斯1,2†，N.杰罗利莫斯1†，G.戈泽特斯1‡，M.F.布朗斯比2§1.希腊雅典国立科技大学土木工程学院，希腊2.邓迪大学土木工程学院，苏格朗，英国摘要：在过去的几十年里，地震工程的研究主要集中在强烈地震的震动对建筑物的影响。然而在1999年土耳其地震和台湾地震中，出现大量由断层错动致使建筑结构产生实质性损害的情况，这使得由断层引起的变形的重要性重新浮现。本文以及其姊妹篇（第二部分：土壤-结构相互作用）利用参数化有限元分析和离心模拟试验的结果来发展用于分析沙土中倾斜滑动（正常情况下和推力作用下）断层错动的扩张的四步半解析方法，这种扩张出现在地表，以及地表和筏基的互相作用中。本文（第一部分）主要研究上面没有构筑物的断层（即自由场地）。半解析法包括两个步骤：第一步研究破裂路径并估计断层线位置，第二步研究由构造运动引起的地表位移分布。在这两种情况下，用简单的机械模拟体来推导简化半解析表达式。用离心模型试验数据结合参数非线性有限元的分析结果来对模型进行校准。由此导出的半解析表达式在更严格的实验和理论数据下表现出更强的合理性，从而为靠近断层地带地震危险性的第一次评估提供了一种有效的工具。关键词：断层错动；半解析表达式；土壤-结构相互作用；地震第一章绪论在一场地震中，破坏不仅来自于地面的震动摇晃（由大量的激振波产生），发震断层本身产生的永久位移（“偏移”）使地面产生裂缝时也会对构筑物造成破坏。下面是历史上几个著名的例子：1891年，在日本发生的浓尾大地震造成了长达8米的断层位移（松田，1974）；1906年，在美国发生的旧金山大地震造成了长达6米的断层位移（西格尔与利索夫斯基，1990）；1939年，在土耳其发生的埃尔北安纳托利亚大地震造成了长达8米的断层位移（伯纳德等人，1997），1988年美国地震造成了长达2米的断层位移（菲利普等人，1992）；1990年，在菲律宾吕宋岛发生的地震造成了长达5米的断层位移（中田等人，1996），如此等等。最近，在1999年，三个发生在土耳其（科喀艾里和迪兹杰）和台湾（集集）的地震提供了各种地面断层破裂带上存在很多土建结构的案例。这激起了人们对这个课题更多的兴趣，提供了一个全新的视角，相对于此的是一个不太前沿的观点，该观点认为构筑物可以在表面断层破裂带得以幸存（邓肯和勒菲弗，1973；贝里尔，1983；约德，1989）。为了这个目的，一个集成方法被应用于一个欧洲的研究项目中（QUAKER），该方法包括：(i)对那些历史上记录在案的地震事件的场地研究；(ii)土工离心试验；(iii)有限元分析（阿那斯塔梭普罗斯和戈泽特斯，2007a，2007b；法西奥利等人，2007）。后者通过对实验模型测试结果作出成功的真实的“A”类预测而得以认证。第7卷第2期地震工程与工程振动(英文版)2008年6月本文以及其姊妹篇（第二部分：土壤-结构相互作用）利用参数化有限元分析和离心模拟试验的结果来发展用于分析沙土中倾斜滑动（正常情况下和推力作用下）断层错动的扩张以及与筏基相互作用的四步半解析方法。这里研究的问题可以用图1中断层的四步发展模型来示意性地阐述。我们假设土层厚度都为H，土层位于一个断面倾角为α的断层上（正断层或冲断层），基岩产生竖直长度为h的偏移。一条形基础，宽度为B，上部作用着大小为q的均布荷载，与断层地表出露带和破碎的大块岩石相互作用。该方法的前两步是研究在自由场地中断层破裂带的扩张，强调工程意义上的参数，比如：(a)断层线位置（第1步）；(b)地表竖直位移情况（第2步）。而在本文姊妹篇中呈递的后两步，是研究土壤-结构相互作用(SSI)，即：(c)由于土壤-结构相互作用引起断层破裂带转移（第3步）；(d)由于土壤-结构相互作用引起的竖向位移分布变化（第4步）。第二章断层线位置假设断层在基岩上的位置是已知的，那么其在地表的“爆发”位置与破裂在上覆土层的扩张有关。后者取决于一系列因素，包括断层的类型与量级以及上覆土层的材料特性（罗...