深圳市區(qū)域應力場有限元模擬及穩(wěn)定性評價研究

張建國，馬俊強，黃亞娟

（中國煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院，廣東廣州 510440）

深圳市地處廣東省中部，珠江三角洲的東南部，東臨大亞灣，西至珠江口，北接東莞，南隔深圳河與香港新界接壤，地理位置優(yōu)越，交通發(fā)達。斷裂活動性和區(qū)域（地殼）穩(wěn)定性是關乎深圳規(guī)劃發(fā)展的重大地質(zhì)問題［1］。在珠江三角洲多個地區(qū)，均發(fā)現(xiàn)因強震產(chǎn)生的地裂縫、沙土液化、軟沉積物錯切和揉皺變形現(xiàn)象。深圳地區(qū)北東向和北西向斷裂發(fā)育，至今仍有一定的活動性，根據(jù)1986—2009年對F8斷層微量位移測量，表明其屬現(xiàn)今中速活動斷裂，年趨勢活動速率為0.35～0.45mm［2］，1994 年F8斷層附近民居曾出現(xiàn)地熱異常，跨斷層的向西村一棟六層樓房開裂［3］。深圳市自1987 年以來進行了大規(guī)模建設，由此必然改變原有地殼結構的邊界平衡條件、載荷平衡條件及其平衡狀態(tài)，使原本具有活動性的斷裂帶的弱平衡狀態(tài)地質(zhì)環(huán)境受到破壞［3］。目前，沿該斷裂帶分布的破碎巖分布區(qū)、橐狀與槽狀強烈風化地段、軟弱地層、飽和粉細砂層等不良地基巖土分布區(qū)，已發(fā)生部分建筑物變形和產(chǎn)生裂縫。因此進一步加強對斷裂構造活動性研究和區(qū)域穩(wěn)定性評價對深圳市城市規(guī)劃發(fā)展、預防和減輕地質(zhì)災害的損失、國土資源保護等方面都具有重要的現(xiàn)實意義。

1 斷裂基本情況

以橫崗-黃貝嶺斷裂（F1-3）、簡龍村斷裂（F1-3-3）、清風嶺斷裂（F1-3-4）、炮臺山斷裂（F1-3-5）、獅子石斷裂（F1-3-6）、田螺坑（西坑）斷裂（F1-3-7）、觀瀾-丹竹頭斷裂（F2-6-1）和大芬斷裂（F2-5-1）這8條斷裂分布區(qū)作為主要研究區(qū)域［4］（圖1）。

圖1 斷裂分布位置Figure 1 Fracture distribution

2 三維有限元數(shù)值分析模型

ABAQUS 有限元數(shù)值計算軟件最早由美國ABAQUS公司研制開發(fā)，經(jīng)過多年發(fā)展，現(xiàn)已成為一款具有豐富前后處理功能與求解器模塊的通用有限元軟件。ABAQUS 軟件體系包括前后處理模塊、通用分析模塊、專用分析模塊與第三方軟件接口模塊［5］。ABAQUS 內(nèi)置多種材料本構模型、單元類型、邊界條件與分析手段，可以計算各類固體力學、結構力學乃至流體動力學系統(tǒng)，實現(xiàn)復雜邊界條件與非線性問題處理的能力極為突出，對巖土工程領域問題具有良好適用性［6］。

2.1 模型建立

根據(jù)前人資料，深圳市最大主壓應力方向以NW-NNW 為主，區(qū)內(nèi)最大主應力值在30m深度以上為3.94～1.78MPa，最小主壓應力值為3.33～1.18MPa，最大剪應力值為0.94MPa，各應力值基本接近平面的等壓狀態(tài)［7-8］。通過考慮深圳地區(qū)構造應力場特征，根據(jù)有限元數(shù)值模擬的需要，建立地質(zhì)計算模型。有限元模擬區(qū)域的選取：區(qū)域范圍沿經(jīng)度方向取4.52×104m，沿緯度方向取3×104m，平面面積為1 356km2，豎直向下取2 500m，主要斷層見表1。

表1 深圳斷裂帶主要斷層統(tǒng)計Table 1 Statistics of main faults in Shenzhen Fault Zone

在模擬區(qū)域內(nèi)忽略較小斷裂的影響，即只考慮上述斷裂及他們的切割關系，并通過簡化及約定，可建立計算區(qū)域的三維地質(zhì)模型（圖2）。

圖2 深圳主干斷裂斷層模型Figure 2 Shenzhen Trunk Fault model

2.2 設置邊界條件和荷載

（1）模型的邊界條件定義

底邊界x、y、z方向全部位移約束。

南北方向邊界條件為y方向位移約束。

東西方向邊界條件為x方向位移約束，地面無任何約束。

邊界力作用方式、方向及大小與區(qū)域構造應力場一致。

（2）荷載

區(qū)域穩(wěn)定性一般受構造穩(wěn)定性、巖土體以及地面穩(wěn)定性等控制，其中構造是主導因素，設定模型不受外力作用，受力只考慮有限元間構造力的傳導。其中重力荷載，重力加速度設置為沿z方向-9.81m/s2。

（3）斷層與地層接觸類型

法向行為設置為硬接觸，切向行為設置為penalty 接觸（點面接觸），依據(jù)斷層角礫巖內(nèi)摩擦角13°，切向接觸摩擦系數(shù)取tan13°=0.230 868 181 1。因斷層角礫巖黏聚力較小，模型z 方向厚度較大，除地面下淺層土外，黏聚力對抗滑力影響較小，可忽略。

2.3 有限元網(wǎng)格劃分

對地質(zhì)模型進行有限元計算網(wǎng)格剖分，巖石和斷裂均采用4 節(jié)點線性四面體實體單元，整個計算模型共剖分44 140 個節(jié)點，195 484 個單元，有限元網(wǎng)格剖分結果見圖3。

圖3 三維有限元剖分網(wǎng)格Figure 3 Three-dimensional finite element mesh

2.4 計算參數(shù)設置

本次有限元模擬的巖土介質(zhì)類型可簡化為5種，根據(jù)試驗成果，參考深圳地區(qū)經(jīng)驗參數(shù)，經(jīng)反算對比等綜合確定其物理力學參數(shù)，見表2。

表2 深圳斷裂帶三維地應力場有限元計算參數(shù)Table 2 Three-dimensional finite element calculation parameters of in-situ stress field in Shenzhen fault zone

2.5 計算結果分析

本文通過建立的斷層-基巖接觸單元模型來模擬地質(zhì)體中斷層的存在和其一定摩擦機制下的滑動特征，其實質(zhì)是將斷層與基巖之間的力學作用以接觸摩擦代替，斷層的活動則通過不同地質(zhì)體間的接觸滑動來模擬［9］?；趶姸日蹨p有限元法進行斷裂穩(wěn)定性計算，分析斷裂帶發(fā)生錯動前的應力場分布及其穩(wěn)定性系數(shù)。三維彈塑性有限元數(shù)值計算中以拉應力、拉應變?yōu)檎?，壓應力、壓應變?yōu)樨摚c巖土工程定義相反［10］。但為了和巖土工程領域一致，下文討論中，所提及最大、最小主應力按巖土工程領域的確定方式，但數(shù)值的正負沒有改變，即按有限元計算結果進行分析。

2.6 斷裂穩(wěn)定性結果分析

斷裂構造對地應力場的影響是十分復雜的［11］。由于測量技術和資料的不足，加之巖體中的應力分布又受多種因素的制約，目前尚難總結出定量的規(guī)律性特征。因此，通過系統(tǒng)的數(shù)值模擬，可以研究斷裂構造對地應力狀態(tài)的影響特征，分析斷裂構造附近應力狀態(tài)的變化規(guī)律，進而較為準確地評估工程場地的地應力狀態(tài)，具有重要的實用價值［12］。

（1）斷層附近的應力方位

從模擬結果可以看出，斷層附近的應力方位均發(fā)生不同程度的變化，在斷層附近應力方位與邊界應力方位呈一定夾角，而遠離斷層，應力方位逐漸趨于與邊界應力方位一致。斷層附近的主應力方位與斷層可以斜交，也可以平行或垂直，而且斷層兩盤的應力方位可以不同，即斷層附近的應力方位的變化是十分復雜的。分析表明，上述斷層附近應力方位變化的幅度和發(fā)生變化的范圍因斷層的力學性質(zhì)、圍巖的物理力學性質(zhì)及邊界條件等的不同而不同。斷層帶兩側應力大小不連續(xù)，說明斷層對應力的傳遞有較明顯的阻隔作用［13］。

（2）斷層附近的應力量值

模擬結果表明，斷層附近的應力量值有明顯的變化，而且這種變化也是十分復雜的。最大主應力和最大剪應力在斷裂附近表現(xiàn)為應力集中，斷層兩側的主應力量值有差別。應力集中的幅度和發(fā)生應力集中的范圍均受斷層的力學性質(zhì)、圍巖的物理力學性質(zhì)及邊界條件等影響［14］。

（3）斷層附近的最大剪應力

最大剪應力也受到斷層的明顯影響，斷層帶兩側最大剪應力大小往往不連續(xù)，多在斷層交匯處形成剪應力集中。

為了便于觀察橫崗-黃貝嶺斷裂北東段與南西段、簡龍村斷裂、清風嶺斷裂、炮臺山斷裂5 組斷裂在進行強度折減后的位移變化情況，在結果模型中截取橫截面A-A′，B-B′（圖4），分別展示出它們帶在不同折減系數(shù)下的位移云圖，如圖5、圖6所示，隨著強度折減程度的增大，五組斷裂帶均出現(xiàn)了一定程度的位移，其中最大位移出現(xiàn)在簡龍村斷裂帶區(qū)域，當折減系數(shù)增至6.71 時，簡龍村斷裂帶與鄰近基巖之間出現(xiàn)了明顯的錯動，其余斷裂帶并未出現(xiàn)明顯位移，表明簡龍村斷裂帶的穩(wěn)定性應弱于其余四組斷裂帶。選取簡龍村斷裂帶中位移最大的節(jié)點作為監(jiān)測點，得到該節(jié)點處的位移與折減系數(shù)關系曲線如圖5f所示。

圖4 模型界面選取位置Figure 4 Model interface selection location

圖6 B-B′截面處位移云圖Figure 6 Displacement cloud on section B-B′

圖5f表明，當強度折減系數(shù)增至5.52時，節(jié)點位移隨折減系數(shù)的進一步增大而呈現(xiàn)出急劇提升的趨勢，此后斷裂帶出現(xiàn)了顯著的失穩(wěn)滑動，表明在該折減系數(shù)下斷裂帶達到臨界穩(wěn)定狀態(tài)，因此包含橫崗-黃貝嶺斷裂北東段與南西段、簡龍村斷裂、清風嶺斷裂、炮臺山斷裂的斷裂組最小安全系數(shù)為5.52。

同樣得出獅子石斷裂、田螺坑（西坑）斷裂最小安全系數(shù)為10.55（圖6f）；觀瀾-丹竹頭斷裂、大芬斷裂最小安全系數(shù)為4.04。

3 區(qū)域穩(wěn)定性評價

根據(jù)地震等烈度線、震源機制解、前期地應力測量測量及地形變特征等均說明深圳市現(xiàn)今以水平地應力作用為主，最大主壓應力的優(yōu)勢方向為NW-SE 向（圖7）。構造現(xiàn)今應力場有限單元數(shù)值計算結果與實際資料基本一致。

廣東省區(qū)域地殼運動發(fā)展趨勢總體上是由強到弱，到貌近時期以來以間歇性上升為主。區(qū)域性主要斷裂帶以NE向為主，等間距展布。斷裂帶間夾持有相對穩(wěn)定地塊。深圳位于現(xiàn)今活動量相對較小的五華-深圳斷裂帶西南段及其旁側的相對穩(wěn)定地塊上。從現(xiàn)今地形變資料得知，深圳位于由東南相對上升西北相對下降的斜坡帶。從區(qū)域地震活動規(guī)律看，其主要發(fā)震構造為NE 向斷裂帶，深圳所處的蓮花山斷裂帶在我國東南沿海僅為中等水平。因此，從廣東省區(qū)域地殼活動看，深圳市處于相對穩(wěn)定—相對較穩(wěn)定的部位。從區(qū)內(nèi)幾個中、強震發(fā)展地區(qū)計算的最大剪切應力與深圳地區(qū)的實際情況獲知，深圳地區(qū)未來發(fā)生中、強地震的可能性較小。

穩(wěn)定性評價因子主要選取地震活動性、斷層活動特征、深部構造特征、構造應力場特征、地殼形變特征和巖體性質(zhì)6 種，根據(jù)有限元模擬的結果和區(qū)域地質(zhì)條件，本文將地殼穩(wěn)定性劃分為穩(wěn)定和較穩(wěn)定等兩個等級（圖8）。

圖8 深圳市區(qū)域穩(wěn)定性分布Figure 8 Regional stability distribution of Shenzhen city

3.1 穩(wěn)定區(qū)地質(zhì)特征

1）斷裂構造特征：斷裂構造較發(fā)育—不發(fā)育，斷裂規(guī)模較小，構造巖膠結較好。

2）現(xiàn)今構造活動性與地質(zhì)災害特征：現(xiàn)今構造活動性微弱，巖體完整性好，各類地質(zhì)災害均不發(fā)育。

3）巖體質(zhì)量特征：區(qū)內(nèi)巖體質(zhì)量較好—好，巖石強度高。

4）水文地質(zhì)環(huán)境及特殊巖土體特征：低山丘陵地貌，溝谷不發(fā)育，水文地質(zhì)環(huán)境中等及以上，基巖裂隙水豐富，風化層厚度不大。

3.2 較穩(wěn)定區(qū)地質(zhì)特征

1）斷裂構造特征：斷裂構造發(fā)育—較發(fā)育，斷裂規(guī)模較大，斷層破碎帶寬，構造巖膠結差。

2）現(xiàn)今構造活動性與地質(zhì)災害特征：現(xiàn)今構造活動性微弱或有一定活動性，崩塌及滑坡等坡地類地質(zhì)災害較發(fā)育，局部巖溶塌陷較發(fā)育。

3）巖體質(zhì)量特征：區(qū)內(nèi)巖體質(zhì)量較差，灰?guī)r發(fā)育，沿斷裂帶裂隙發(fā)育，巖體質(zhì)量較差。

4）水文地質(zhì)環(huán)境及特殊巖土體特征：水文地質(zhì)環(huán)境復雜，基巖裂隙水較豐富，風化層厚度不均勻，軟土發(fā)育。

4 結論

在深圳市城市地質(zhì)調(diào)查工作中開展深圳市斷裂活動性和區(qū)域穩(wěn)定性評價研究，既是貫徹落實國務院和廣東省的決策部署，也是夯實深圳市基礎地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地質(zhì)災害現(xiàn)狀工作的基礎，編制國土空間規(guī)劃、健全完善城市地質(zhì)安全監(jiān)測預警體系的重要依據(jù)。構造穩(wěn)定性是確定區(qū)域穩(wěn)定性的主導因素，只有在構造穩(wěn)定性相同的情況下，進一步評價地面穩(wěn)定性，外動力地質(zhì)作用才會有條件地上升為重要因素。

1）有限元模擬情況與區(qū)域構造運動演化發(fā)展特征、構造現(xiàn)今活動特征、現(xiàn)今地應力狀態(tài)特征等基本一致，可信程度較高。

2）斷裂構造對地應力場的影響是十分復雜的。由于測量技術和資料的不足，加之巖體中的應力分布又受多種因素的制約，目前尚難總結出定量的規(guī)律性特征。通過系統(tǒng)的數(shù)值模擬，可以研究斷裂構造對地應力狀態(tài)的影響特征，分析斷裂構造附近應力狀態(tài)的變化規(guī)律，進而較為準確地評估工程場地的地應力狀態(tài)，具有重要的實用價值。

3）基于深圳市區(qū)域應力場有限元模擬，將深圳市陸域的區(qū)域穩(wěn)定性分區(qū)分為穩(wěn)定區(qū)和較穩(wěn)定區(qū)，其中穩(wěn)定區(qū)面積1 107km2，占55.43%，較穩(wěn)定區(qū)面積890km2，占44.57%。