正斷作用下地裂縫擴展試驗研究

胡宏偉 徐繼山 孟棟材

摘 要：作為一種淺表土體破裂的地質(zhì)災(zāi)害，地裂縫活動對自然環(huán)境和人類工程活動產(chǎn)生了嚴重的危害，對于斷層控制型這一特定類型的地裂縫，它有別于其他非構(gòu)造型的地裂縫，具有規(guī)模大、災(zāi)害重、成因復(fù)雜等特點，同時它亦可關(guān)聯(lián)著其他因素而間接促成了地裂縫的發(fā)育。本文通過物理模型試驗重現(xiàn)“斷控型”地裂縫發(fā)育及擴展過程。結(jié)果表明：正斷活動作用造成土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，使得下盤處于受拉狀態(tài)，上盤處于受壓狀態(tài)，并且地裂縫在土體中擴展方向為沿著上盤向上反傾擴展，即擴展方向與斷裂面呈鏡像對稱。受正斷作用影響，地表沉降共出現(xiàn)穩(wěn)定區(qū)、差異沉降區(qū)以及穩(wěn)定沉降區(qū)3個區(qū)域。其中地裂縫主要發(fā)育在斷裂帶兩側(cè)附近的差異沉降區(qū)，且上盤地裂縫發(fā)育范圍較大，下盤地裂縫發(fā)育范圍較小。

關(guān)鍵詞：地裂縫;斷層活動;物理模型試驗;裂縫擴展

Abstract： As a geological disaster with shallow superficial soil rupture， ground fissure activity has caused serious harm to the natural environment and human engineering activities. It is different from other non-structural types of fault-controlled ground fissures. Cracks have the characteristics of large scale， heavy disasters， and complicated causes. At the same time， they can also be associated with other factors to indirectly promote the development of ground fissures. This paper reproduces the process of "failure control" ground fissure development and expansion through physical model tests. The final result shows that the normal stress action causes the internal stress state of the soil to change， so that the lower wall is under tension and the upper wall is under compression， and the propagation direction of the ground fissures in the soil body is the upward dip along the upper wall. That is， the expansion direction is mirror symmetry with the fracture surface. Affected by the normal fault， the surface subsidence has a stable area， a differential settlement area and a stable settlement area. Among them， the ground fissures are mainly developed in the differential settlement areas near the two sides of the fault zone， and the development range of the upper wall ground fissures is larger; the development range of the lower wall ground fissures is smaller.

Keywords： Ground fissure; Fault activity; Physical model test; Fracture propagation

0 引言

地裂縫作為一種地質(zhì)災(zāi)害，它既嚴重影響了國家基礎(chǔ)工程的建設(shè)又造成了巨大的經(jīng)濟損失，因此對地裂縫的研究就顯得尤為重要。而在諸多致裂因素中，斷層“扮演”著重要而復(fù)雜的角色——既能直接控制地裂縫，亦關(guān)聯(lián)著其他因素，如地層結(jié)構(gòu)、巖土體性質(zhì)、地震活動、地下水抽采、地面沉降等，又間接促成了地裂縫的發(fā)育，所以將斷層作用從諸多致裂因素中解離出來，進行針對性的研究，這將有助于更好地認識斷層這一致裂因素，以及在它控制下的地裂縫發(fā)育模式和成縫過程并由此提出防控措施（徐繼山等，2012）。

受構(gòu)造張應(yīng)力作用發(fā)生掀斜作用，兩側(cè)地表地層出現(xiàn)差異性沉降（張家明，1990）;受斷裂拉張作用影響，土體出現(xiàn)了側(cè)向的臨空面，隨著臨空土體的自重增大，最終導(dǎo)致地裂縫出現(xiàn)（王蘭生等，1994）;由于受大斷裂活動影響，次級斷裂在地表出露，造成地裂縫產(chǎn)生（吳嘉毅等，1995）;在次級斷裂往地表延伸過程中斷塊在自重作用下發(fā)生掀斜作用（陜西省地礦局，1994）。目前就斷控型地裂縫擴展機制已取得不錯的成效，但對于細節(jié)問題開展的還不夠深入。文章著重分析了受斷裂活動影響下，土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變化及地表沉降變化特征，并總結(jié)出其力學擴展機制，為地裂縫防控減災(zāi)提供指導(dǎo)幫助。

1 物理模型試驗

（1）模型結(jié)構(gòu)

試驗試驗?zāi)Ｐ拖湎潴w的尺寸為：長1.5m×寬1m×高1.3m，箱體內(nèi)部共由3部分所組成，分別為：固定鋼板、活動鋼板以及活動軌道（圖1）。其中固定鋼板不可活動，用于模擬斷層下盤?；顒愉摪鍨榭裳刂壍腊l(fā)生上下的活動，用于模擬向下活動斷層上盤?；顒愉摪宓拇怪边\動主要通過鋼板底部千斤頂?shù)恼{(diào)節(jié)來控制（彭建兵等，2008;趙其華等，1994）。

（2）監(jiān)測裝置

試驗監(jiān)測裝置主要由應(yīng)變監(jiān)測測線和地表沉降位移監(jiān)測器組成。其中埋設(shè)應(yīng)變監(jiān)測測線4條，分別位于地表深度2.5cm、12.5cm、25cm和40cm的中線位置上;地表沉降監(jiān)測由地表中線布設(shè)的6個位移計構(gòu)成。

（3）試驗步驟

試驗共攤鋪模擬4層地層，由下往上依次為粉砂、砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和填土，每層以砂、石膏、碳酸鈣及水按相似配合比例拌合，填筑及夯實后厚度依次為20cm、10cm、15cm、5cm。并在每層之間鋪設(shè)一層白灰，用作于分層標志。

根據(jù)實際斷層地裂縫活動速率，本次試驗過程斷裂的垂直平均活動速率定為8mm/d，斷裂活動總共歷時5天，總錯斷位移為4cm。

試驗過程中每隔一段時間待活動穩(wěn)定后讀取監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)，并觀察土體破裂及裂縫擴展現(xiàn)象。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 地表破裂及沉降變化特征

（1）地表破裂特征

當斷裂上盤活動初期地表中部即出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，隨著錯斷量增大，地表裂縫數(shù)量逐漸增多且長度也隨之延伸，當活動斷裂錯斷4cm后，最終地表共發(fā)育有3條主裂縫，其他在這3條主裂縫附近發(fā)育有多條短小次級裂縫。其中地表裂縫多發(fā)育在活動斷裂的上盤，在斷裂下盤中僅在靠近斷裂帶周圍出現(xiàn)幾條次級裂縫。3條主要裂縫及其他次級裂縫共同組成模型地表破裂形態(tài)。從地表裂縫破裂的形態(tài)表現(xiàn)為兩側(cè)沒有明顯沉降變化特征，可以推斷這些裂縫都屬于張拉裂縫，由上盤土層下降拉張作用所形成（羅文超，2019）。

（2）地表沉降變化特征

圖2為不同測點位置在各個垂向斷距下的地表沉降變化曲線。圖中0點位置表示斷裂帶所在的位置，其他各測點的位置表示距離斷裂帶的水平距離，正值表示上盤，負值表示下盤（郭萌等，2013）。

從地表沉降變化曲線可以看出，隨著底部斷裂錯斷量的增大，地表沉降也隨之增大，具體表現(xiàn)為下盤量沉降較小，上盤沉降量較大，從下盤往上盤地表的沉降量逐漸增大。根據(jù)地表沉降量變化的大小將其分為3個區(qū)：穩(wěn)定區(qū)、差異沉降區(qū)以及穩(wěn)定沉降區(qū)。

穩(wěn)定區(qū)：在斷裂下盤的左側(cè)到-17cm范圍內(nèi)，該區(qū)域范圍內(nèi)地表沉降較小。正因如此，在這一范圍區(qū)域內(nèi)地表幾乎沒有發(fā)生沉降變形，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，在試驗過程中這一范圍內(nèi)也沒有發(fā)現(xiàn)裂縫的出現(xiàn)，因此在這一區(qū)為安全區(qū)域，不會受斷層作用而出現(xiàn)地裂縫。

差異沉降區(qū)：該區(qū)域位于跨越斷裂帶的-17cm到43cm范圍內(nèi)。在該區(qū)域范圍內(nèi)地表差異沉降量的變化較大。此區(qū)域范圍內(nèi)沉降曲線較陡，曲線斜率較大，土體差異性沉降變化較大，土體穩(wěn)定性較差，抗剪強度較低，最易發(fā)生破壞。因此土體中發(fā)育的反傾裂縫大都出現(xiàn)在這一區(qū)域范圍內(nèi)。總的來說，下盤沉降量較小，僅在斷裂帶附近有微弱沉降，因此下盤也僅在斷裂帶周圍出現(xiàn)少量微小的裂縫。

穩(wěn)定沉降區(qū)：該區(qū)域位于斷裂上盤的43cm到上盤的右側(cè)范圍內(nèi)。該區(qū)域范圍內(nèi)地表的沉降量較大但不同位置的差異沉降量變化相對較小。沉降曲線較緩，曲線斜率較小，由于沉降差異變化較小，所以相較于差異沉降變化區(qū)，土體中裂縫的發(fā)育相對較少。

2.2 剖面破裂特征

最終地層破裂的剖面素描圖見圖3，圖中裂縫1、2、3、4代表其出現(xiàn)的時間，分別對應(yīng)著斷裂垂向斷距1cm、2cm、3cm和4cm。從素描圖中可以看出，剖面裂縫的形態(tài)整體呈反傾狀態(tài)（范文東，2017;孟繁鈺，2011）。

從剖面裂縫發(fā)育的范圍來看，多數(shù)裂縫都發(fā)育在斷裂上盤，從下往上裂縫發(fā)育范圍逐漸擴大，斷裂下盤僅在淺表靠近斷裂帶附近地層出現(xiàn)幾條細小的裂縫，裂縫整體的形態(tài)呈現(xiàn)“Y”型分布。上盤破裂面的范圍為距斷裂帶60cm;下盤破裂面的范圍為距斷裂帶20cm。

從剖面裂縫發(fā)育時間上來看，一般都為上部裂縫發(fā)育時間晚于下部裂縫，這與實際裂縫從下而上逐步擴展相一致。初期斷裂垂向錯斷1～2cm時，裂縫主要發(fā)育在上盤，下盤發(fā)育的裂縫多出現(xiàn)在斷裂垂向錯斷3～4cm。

2.3 土體應(yīng)變變化規(guī)律

試驗在土體中共埋設(shè)4條應(yīng)變監(jiān)測測線，4條測線分別位于4層土體的中部，即測線L1埋深2.5cm、測線L2埋深12.5cm、測線L3埋深25.0cm以及測線L4埋深40.0cm。其各測線縱向應(yīng)變變化曲線如圖4所示。

根據(jù)各測線土體縱向應(yīng)變變化規(guī)律特征可以總結(jié)出，各層土體中的應(yīng)變變化規(guī)律趨勢表現(xiàn)出一致性。下盤為正應(yīng)變，上盤為負應(yīng)變。在靠近斷裂帶附近的土體中其應(yīng)變變化最大，而兩側(cè)位置應(yīng)變變化較小;隨著地層埋深的增加，土體的縱向應(yīng)變變化也隨著增大（黃強兵等，2009）。并且在同一埋深位置處，隨著斷裂垂向斷距的增大，其縱向應(yīng)變值也隨著增大。

據(jù)此表明在斷裂上盤內(nèi)的土體隨著模型底部的位移而發(fā)生同步下沉，而在斷裂下盤靠近斷裂帶范圍內(nèi)的土體由于與上盤土體表現(xiàn)出的整體性，當斷裂上盤土體發(fā)生下沉時，下盤斷裂帶周圍土體表現(xiàn)出受拉狀態(tài)，有阻止上盤土體發(fā)生下沉的趨勢，根據(jù)上覆土體受力狀態(tài)可以推斷出，在斷裂上盤與下盤斷裂帶附近土體為主要的受力范圍，因此，土體易發(fā)生破壞而產(chǎn)生裂縫。

2.4 地裂縫擴展力學機制

（1）斷裂下盤裂縫擴展機制

根據(jù)對實驗土體內(nèi)部應(yīng)變監(jiān)測看出斷裂下盤土體處于受拉區(qū)域。隨著上盤底部的錯斷，下盤土體底部垂直方向上沒有發(fā)生位移，保持相對靜止，側(cè)邊土體受到上盤下沉而發(fā)生水平方向向外擴張的趨勢。相較于垂直方向的自重應(yīng)力，水平方向拉應(yīng)力較小。表現(xiàn)為水平應(yīng)力小于垂直應(yīng)力（孟繁鈺，2011）。在斷裂下盤地裂縫面上取一個單位體積的微元體對其進行力學分析，其受力狀態(tài)見圖5b。

此時，設(shè)該微元體最大主應(yīng)力為σ1，最小主應(yīng)力為σ3，水平方向拉應(yīng)力為σx，垂直方向壓應(yīng)力為σy。此時，微元體所受剪應(yīng)力方向為逆時針旋轉(zhuǎn)方向，所以剪應(yīng)力值τ為負。

3 結(jié)論

正斷地裂縫模型試驗通過地表破裂及沉降變化特征、剖面破裂特征及土體應(yīng)變變化規(guī)律分析，最終得出如下結(jié)論：

（1）正斷活動地裂縫在土體中主要的擴展方向為沿著上盤向上反傾擴展，即擴展方向與斷裂面呈鏡像對稱。

（2）正斷活動條件下，地裂縫在土體中擴展發(fā)育主要以上盤為主，下盤裂縫發(fā)育較少。

（3）正斷作用造成土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，在下盤出現(xiàn)正應(yīng)變;上盤出現(xiàn)負應(yīng)變，即表明下盤處于受拉狀態(tài);上盤處于受壓狀態(tài)。

（4）受正斷作用影響，地表沉降會出現(xiàn)3個區(qū)，分別為：穩(wěn)定區(qū)、差異沉降區(qū)以及穩(wěn)定沉降區(qū)。其中斷裂帶附近地層沉降的差異性較大;兩側(cè)地層中，上盤沉降較大但沉降相對穩(wěn)定，下盤地層保持穩(wěn)定沉降較小。地裂縫在土體中發(fā)育以差異沉降區(qū)為主，穩(wěn)定沉降區(qū)為輔。因此，在地裂縫設(shè)防過程中應(yīng)將差異沉降區(qū)設(shè)為主要區(qū)域，穩(wěn)定沉降區(qū)作為次要設(shè)防區(qū)域。

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