斷裂錯(cuò)動(dòng)與水作用下的地層位移及應(yīng)力變化

孟振江, 彭建兵, 程國(guó)明, 郭海朋, 王海剛, 范文東, 楊 爭(zhēng)

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054; 3.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院, 北京 100081; 4.西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院, 陜西 西安 710003)

地裂縫是一種由內(nèi)、外地質(zhì)營(yíng)力及人類活動(dòng)等因素共同作用形成的漸進(jìn)性地質(zhì)災(zāi)害，主要表現(xiàn)為地表破裂變形，且隨著人類活動(dòng)的不斷加劇，地裂縫導(dǎo)致的各種災(zāi)害日益嚴(yán)重[1]。查明地裂縫的發(fā)育特征及其成因機(jī)制，采取可靠的防控措施，是做好地裂縫災(zāi)害防治工作的關(guān)鍵[2]。國(guó)外許多專家學(xué)者針對(duì)具體某地區(qū)地裂縫的成因機(jī)理開(kāi)展了大量研究：Leonard[3]從振動(dòng)角度分析了美國(guó)亞利桑那州Picacho城地裂縫的成因，較早提出了構(gòu)造成因說(shuō)；Lofgren等[4]提出“滲透應(yīng)力拖拽作用”，認(rèn)為地下水從沉降漏斗邊緣向中心流動(dòng)的過(guò)程中，所產(chǎn)生的滲透應(yīng)力對(duì)含水層框架起到了粘附拉拽作用，從而引起上部地層的應(yīng)變集中，導(dǎo)致土體表面開(kāi)裂破壞；Schumann等[5]認(rèn)為地裂縫是在地表壓縮過(guò)程中，因拉張應(yīng)力集中導(dǎo)致沉降差異較大的土層產(chǎn)生的變形開(kāi)裂；Holzer等[6]通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)亞利桑那州中南部構(gòu)造盆地內(nèi)地裂縫的活動(dòng)情況，認(rèn)為該地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)與地下水開(kāi)采是引起地裂縫發(fā)育及活動(dòng)的兩個(gè)主要因素。

中國(guó)北京市順義區(qū)高麗營(yíng)鎮(zhèn)發(fā)育的地裂縫自地球物理勘探發(fā)現(xiàn)以來(lái)就引起了高度關(guān)注，該地裂縫活動(dòng)導(dǎo)致周邊建筑及公共設(shè)施均遭到嚴(yán)重破壞，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)造成了巨大威脅與損失。很多專家學(xué)者針對(duì)高麗營(yíng)地裂縫開(kāi)展了專門的調(diào)查和研究工作，對(duì)其成因觀點(diǎn)也是眾說(shuō)紛紜：賈三滿等[7]認(rèn)為高麗營(yíng)地裂縫主要受斷裂控制，是基底斷裂活動(dòng)在地表的延伸，為斷裂構(gòu)造與地下水超采引起的地面沉降疊加作用的結(jié)果；彭建兵等[8]在順義區(qū)土溝村發(fā)現(xiàn)地裂縫的出露位置與高麗營(yíng)斷裂位置相吻合，并通過(guò)鉆探手段揭示了該地區(qū)深部地層的斷距較淺部地層大，認(rèn)為該地裂縫與下伏斷裂相連，具有同沉積斷層的活動(dòng)特點(diǎn)；王海剛等[9-10]認(rèn)為高麗營(yíng)地裂縫是復(fù)合型地裂縫，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算確定了該地裂縫的安全避讓帶寬度為90 m。隨著對(duì)北京高麗營(yíng)地裂縫研究的不斷深入，越來(lái)越多的專家學(xué)者趨于耦合成因說(shuō)，即認(rèn)為該地區(qū)地裂縫的形成和發(fā)育主要受黃莊—高麗營(yíng)斷裂活動(dòng)的控制，而地下水的過(guò)量開(kāi)采起到了一定的誘發(fā)和加劇作用，現(xiàn)階段地裂縫的超常活動(dòng)是二者共同作用的結(jié)果。上述研究成果為高麗營(yíng)地裂縫成因機(jī)制的進(jìn)一步深入研究奠定了重要基礎(chǔ)。

然而，總體上看，目前有關(guān)高麗營(yíng)地區(qū)地裂縫的研究大都局限于其宏觀成因判別和定性評(píng)價(jià)，且多為其災(zāi)害特征的描述，很少?gòu)奈⒂^角度進(jìn)行定量研究，相對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬研究也鮮有涉及。斷裂活動(dòng)與地下水位下降兩種致災(zāi)因素對(duì)高麗營(yíng)地裂縫的形成與發(fā)展的貢獻(xiàn)作用如何？對(duì)上下盤地層的影響有何不同？地裂縫形成過(guò)程中地層的豎向位移及應(yīng)力怎樣變化？已成為迫切需要解決的科學(xué)問(wèn)題。基于此，本文以北京市高麗營(yíng)地裂縫為研究背景，在闡述其地質(zhì)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，歸納了該地裂縫的平面和剖面發(fā)育特征，分析了其活動(dòng)特點(diǎn)與斷裂錯(cuò)動(dòng)及地下水位變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；利用FLAC 3D有限差分軟件，分別建立斷裂錯(cuò)動(dòng)和地下水位變化兩種數(shù)值模型，重點(diǎn)分析了兩種致災(zāi)因素作用下地層沉降位移與土體內(nèi)部應(yīng)力的變化規(guī)律，以期揭示二者對(duì)地裂縫形成的貢獻(xiàn)作用。研究成果可為該地裂縫災(zāi)害地區(qū)的土地規(guī)劃管理、地裂縫減災(zāi)防災(zāi)和地下水開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

北京市地處燕山臺(tái)褶帶和華北斷坳兩個(gè)構(gòu)造單元的相交地帶，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育。高麗營(yíng)地裂縫研究區(qū)位于北京市平原區(qū)北部，地貌單元總體屬于溫榆河沖洪積扇平原區(qū)，總體地勢(shì)為北高南低。

1.2 地層巖性

已有基礎(chǔ)資料表明，研究區(qū)上部地層為第四系松散堆積層，以南部溫榆河沖積而成的河流相沖積物為主，一般發(fā)育在山前平原區(qū)。由于本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的山區(qū)抬升以及平原與盆地的不均勻沉降，導(dǎo)致局部第四紀(jì)巖性的堆積厚度相差數(shù)百米不等，總體上由西北山前向東南逐漸增厚；其中淺部地層主要為上更新統(tǒng)馬蘭組、全新統(tǒng)上部劉斌屯組和全新統(tǒng)中部尹各莊組地層，基巖地層主要有侏羅系和寒武系—奧陶系地層，周邊還有薊縣系、青白口系等。

1.3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

相關(guān)研究成果表明，中生代燕山運(yùn)動(dòng)以來(lái)，北京地區(qū)形成了一系列以北東向?yàn)橹鞯臄嗔褬?gòu)造，而研究區(qū)位于北京西北隆起北部，在河北平原地震帶西北的北京地塹內(nèi)，屬于中強(qiáng)地震活動(dòng)區(qū)。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育的斷裂為黃莊—高麗營(yíng)斷裂，研究區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性在一定程度上主要受其影響。該斷裂延伸總長(zhǎng)約132 km，走向NE20°～50°，斷裂面傾向SE，傾角55°～75°，為全新世活動(dòng)的高角度正斷層。

1.4 水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地下水由淺部潛水層及深部多層承壓水層組成，含水層較多且厚度較薄，屬弱富水區(qū)。據(jù)鉆探資料顯示，第一層潛水層靜止水位埋深為5.4～6.5 m，淺部20 m埋深內(nèi)的潛水層主要由粉土層與少量砂層組成。深部承壓含水層則由數(shù)層厚度不等的砂、砂礫石組成，也是本區(qū)主要的人工開(kāi)采水層，隨著開(kāi)采強(qiáng)度不斷地增大，地下水水位年降低幅度持續(xù)增大。結(jié)合周邊的深孔資料，該區(qū)域地層在100 m深度范圍內(nèi)，除表層厚度較小的耕植土及填土外，下部均為第四紀(jì)以來(lái)沖洪積作用形成的粉質(zhì)黏土、粉土及砂類土等，且在斷裂帶兩側(cè)的地層厚度差異較明顯，上盤厚度一般大于下盤厚度。

2 高麗營(yíng)地裂縫發(fā)育特征

2.1 地裂縫平面展布及活動(dòng)特征

高麗營(yíng)地裂縫是北京地區(qū)發(fā)育最為典型的地裂縫，最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，地裂縫整體沿黃莊-高麗營(yíng)斷裂帶發(fā)育，走向呈NE45°～65°，呈線性帶狀分布，近平行于深部斷裂走向，表明了斷裂活動(dòng)對(duì)高麗營(yíng)地裂縫的發(fā)育具有明顯的控制作用[8-11]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地裂縫延伸發(fā)育總長(zhǎng)度約10 km，主變形影響帶寬度為30～70 m；裂縫水平拉張和水平扭動(dòng)量較小，水平張開(kāi)量一般為0.5～1.5 cm，主裂縫導(dǎo)致的垂直位錯(cuò)現(xiàn)象較明顯，沿線地表最大垂直位錯(cuò)量范圍為14.8～48.6 cm，均表現(xiàn)為東南低、西北高；地裂縫通過(guò)處造成多處墻體開(kāi)裂變形、地表塌陷及位錯(cuò)(圖1)。

圖1 地裂縫活動(dòng)造成的地表及建筑物破壞現(xiàn)象

2.2 地裂縫與深部斷裂的關(guān)系

為揭示高麗營(yíng)地裂縫的剖面結(jié)構(gòu)特征，課題組在北京市昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)土溝村開(kāi)挖了長(zhǎng)65 m、深度6 m的探槽，槽口寬6 m，探槽整體走向NW35°；探槽壁揭露了地層剖面上發(fā)育了3條近平行的裂縫，呈羽狀組合型態(tài)，且均造成地層錯(cuò)斷；主地裂縫走向NE65°，傾向SE，傾角80°，向上延伸至地表并造成西側(cè)探槽壁出露的紅褐色粉質(zhì)黏土層的上下盤的斷距達(dá)116 cm。3條地裂縫分別錯(cuò)斷褐黃色細(xì)砂層57，15和13 cm，在地裂縫兩側(cè)附近的累計(jì)斷距為85 cm，根據(jù)探槽剖面揭示的該細(xì)砂層整體的變形統(tǒng)計(jì)，總斷距達(dá)到了141 cm?，F(xiàn)場(chǎng)鉆探剖面資料表明，地裂縫造成該區(qū)埋深6 m處的地層垂直錯(cuò)距為0.55～1.43 m，埋深18 m處地層的錯(cuò)距為1.6～2.0 m，埋深25 m地層的錯(cuò)距為1.9～2.2 m，埋深36 m位置地層的錯(cuò)距達(dá)3.6～4.2 m，且上下盤兩側(cè)地層在剖面上表現(xiàn)為臺(tái)階狀下錯(cuò)，體現(xiàn)了同沉積斷層的特征，即斷距隨著地層沉積年代的增加而逐漸增大，另外，物探結(jié)果也表明了下伏斷裂的位置與地表出露裂縫的位置相吻合[16-17]?？梢?jiàn)，黃莊—高麗營(yíng)斷裂控制了該地裂縫的平面分布、延伸方向以及地裂縫場(chǎng)地的地層和地貌變化。高麗營(yíng)地裂縫的剖面特征表明該地裂縫發(fā)育和活動(dòng)受斷裂的控制作用明顯，地裂縫沿構(gòu)造破裂面逐漸向上擴(kuò)展延伸至地表，并造成地層錯(cuò)斷，為深部斷裂在地表的露頭。

2.3 地裂縫與地下水位變化的關(guān)系

由于研究區(qū)自20世紀(jì)80年代初期工農(nóng)業(yè)活動(dòng)逐漸開(kāi)始頻繁，加大了地下水的開(kāi)采量，導(dǎo)致地下水水位持續(xù)下降。高麗營(yíng)地裂縫帶沿線地區(qū)地下水的主要排泄途徑為人工開(kāi)采，尤其是西王路村和八仙別墅等地裂縫活動(dòng)明顯區(qū)域的生產(chǎn)生活用水均來(lái)自井水開(kāi)采。據(jù)北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)監(jiān)測(cè)的位于昌平小湯山地區(qū)(北七家鎮(zhèn)NNW方向6 km)的C206-3 A號(hào)深層承壓水分層觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)表明，淺層承壓含水層的水位基本穩(wěn)定，而中深部承壓含水層水位降幅較大，地下水標(biāo)高從1989年的17.6 m降至2008年的4.6 m左右，年均降幅約0.7 m。順義區(qū)后沙峪260 m深承壓水水位埋深下降也比較明顯，從2004年4月的28.2 m下降到2010年1月的44.8 m，不少地段的承壓水水位下降速度都超過(guò)了2 m/a。另外，位于昌平區(qū)北七家鎮(zhèn)曹碾村C212-2 A號(hào)地下水承壓井的水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該處承壓水水位年內(nèi)呈現(xiàn)季節(jié)性變化的規(guī)律，總體上也呈下降趨勢(shì)，如2004年1月該孔的承壓水水位為8.13 m，到2009年同期承壓水水位為6.25 m，下降了1.88 m，至2010年1月，水位標(biāo)高下降到了3.76 m。

研究區(qū)近年來(lái)伴隨著地下水水位的持續(xù)下降，形成了以昌平沙河—八仙莊為中心的沉降區(qū)，并在沉降中心出現(xiàn)了井管上升等現(xiàn)象。根據(jù)北京市地質(zhì)環(huán)境總站資料，僅在1955—2007年間，沙河—八仙莊沉降區(qū)的最大累計(jì)沉降量就達(dá)到了1 106 mm，至2009年該沉降中心累積沉降量達(dá)到了1 163 mm，近3 a年平均沉降速率為11.5～13.8 mm/a[11,17]。綜上所述，各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均表明了該地裂縫的超?；顒?dòng)與該地區(qū)超采地下水及地面沉降有關(guān)，由于處于沉降漏斗周圍的土層存在壓縮差異，導(dǎo)致裂縫在應(yīng)力集中處產(chǎn)生并逐漸擴(kuò)展。另外高麗營(yíng)地裂縫的大規(guī)模劇烈活動(dòng)與該區(qū)域地面沉降的產(chǎn)生在時(shí)間上也具有一致性，表明在斷裂活動(dòng)的基礎(chǔ)上，超采地下水加劇了該地裂縫的活動(dòng)程度。總體分析認(rèn)為，先期存在的黃莊—高麗營(yíng)斷裂為地裂縫產(chǎn)生的主導(dǎo)因素，為其早期形成提供了基礎(chǔ)背景，即下伏斷層構(gòu)成了地裂縫的原型，而在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)代人類水事活動(dòng)激發(fā)了地裂縫的超?；顒?dòng)，并開(kāi)啟了地裂縫進(jìn)一步的發(fā)展擴(kuò)張，也就是說(shuō)水的作用加劇了地裂縫現(xiàn)今活動(dòng)的影響范圍與強(qiáng)度。

3 斷裂錯(cuò)動(dòng)作用下的數(shù)值模擬

3.1 模型建立

首先，基于北京高麗營(yíng)地裂縫發(fā)育地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、鉆探、槽探及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等成果，并參考物探解譯及地裂縫兩側(cè)地面沉降監(jiān)測(cè)站的基巖標(biāo)資料，對(duì)地層進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)對(duì)位于北京昌平區(qū)未來(lái)科技城(小湯山鎮(zhèn)土溝村附近)高麗營(yíng)地裂縫發(fā)育地段的典型鉆孔巖芯取樣(孔深60 m)及室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到了各試驗(yàn)土層的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)，為數(shù)值模擬提供了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

為充分反映斷裂錯(cuò)動(dòng)作用下地層應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化特征，并減小邊界效應(yīng)的影響，建立的數(shù)值計(jì)算模型尺寸選?。洪L(zhǎng)×寬×高=100 m×10 m×50 m，簡(jiǎn)化的地層結(jié)構(gòu)及厚度自上而下上分別為： ①填土6 m； ②粉質(zhì)黏土12 m； ③粉砂8 m； ④粉質(zhì)黏土8 m； ⑤粉砂12 m； ⑥基巖4 m(為模擬斷裂錯(cuò)動(dòng)，將模型最下層的巖性設(shè)為基巖)，斷裂的傾角模擬取75°(圖2)。斷裂活動(dòng)作用下地裂縫上、下盤地層之間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)運(yùn)用FLAC 3D有限差分軟件中的interface接觸單元來(lái)模擬。本次計(jì)算土體采用理想彈塑性模型，服從摩爾—庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)強(qiáng)度準(zhǔn)則。

表1 地層計(jì)算參數(shù)

圖2 斷裂錯(cuò)動(dòng)作用下地層計(jì)算模型

3.2 邊界條件與計(jì)算工況

計(jì)算時(shí)模型左右兩端和前后分別施加X(jué)和Y方向的水平位移約束，斷裂下盤地層底部固定，而上盤底部可以自由活動(dòng)，通過(guò)控制上盤下降來(lái)模擬斷裂的錯(cuò)動(dòng)。模擬基巖上盤沿破裂面的錯(cuò)動(dòng)量分別為20，40，60 cm，主要分析研究模型土體內(nèi)部應(yīng)力及地層沉降形變位移的變化特征。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 地層豎向位移變化 為了更好地展現(xiàn)地層的豎向位移變化規(guī)律，取模型的一個(gè)剖面進(jìn)行研究分析，斷裂不同位錯(cuò)量下模型土體的沉降位移云見(jiàn)附圖1，可以看到：隨著斷裂位錯(cuò)量的增大，模型各土層的沉降量持續(xù)增加，且其沉降響應(yīng)程度與范圍也越來(lái)越大。下盤土體由于受邊界條件的約束，整體沉降量較小，上盤土體的沉降量明顯大于下盤，且位于上盤底部的土體沉降響應(yīng)最為突出。距斷裂帶越遠(yuǎn)的位移等值線越稀疏，而斷裂帶附近的豎向位移等值線較密集，說(shuō)明當(dāng)斷裂錯(cuò)動(dòng)時(shí)，位于斷裂帶附近的土體差異沉降較明顯，且模型土體在剖面上存在一定的牽引扭拽現(xiàn)象。

另外，隨著斷裂錯(cuò)動(dòng)，上下盤地層在模型尺寸范圍內(nèi)均有不同程度的沉降；隨著位錯(cuò)量的增加，上盤地表沉降變形顯著增大，而下盤的地表沉降變形增加量則較?。坏乇沓两盗繌南卤P到上盤呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，豎向位移變化曲線由平緩逐漸變得陡峭，整體近似呈反“S”形態(tài)。

3.3.2 土體豎向應(yīng)力變化特征 斷裂錯(cuò)動(dòng)造成兩側(cè)土體在一定范圍內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)重新分布；在斷裂帶位置附近的土體豎向應(yīng)力呈現(xiàn)下盤增大、上盤減小的趨勢(shì)，且上盤應(yīng)力降低區(qū)的范圍大于下盤應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的范圍；斷裂帶附近兩側(cè)土體的應(yīng)力差異較大，易形成地裂縫，而遠(yuǎn)離地裂縫位置的地層的豎向應(yīng)力變化則較?。粩嗔训撞繀^(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)，下盤地層的豎向應(yīng)力最大，且隨著斷裂位錯(cuò)量的增加而不斷增大，這是由于上盤上部土體不斷向下擠壓，通過(guò)斷裂傳遞給下盤所致。

4 地下水位變化條件下的數(shù)值模擬

4.1 模型建立與邊界條件

FLAC 3D既可以單獨(dú)進(jìn)行流體計(jì)算，也可以進(jìn)行流固耦合計(jì)算。本次地下水位變化的試驗(yàn)工況通過(guò)模擬承壓水位的下降來(lái)實(shí)現(xiàn)，模型地層結(jié)構(gòu)及土體相關(guān)參數(shù)的來(lái)源與設(shè)置與上節(jié)相同。由于地下水位的下降會(huì)引起土體固結(jié)壓縮，且主要以豎向位移為主，因此將本次計(jì)算的位移邊界條件設(shè)為：固定模型底部及四周位移，地表位移可自由變化[18]；為了模擬承壓水水位的變化，設(shè)置滲流邊界條件為：模型四周和底部設(shè)為不透水的邊界，模型頂部為透水邊界[19]。根據(jù)高麗營(yíng)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，結(jié)合當(dāng)?shù)劂@孔和地下水監(jiān)測(cè)資料，將初始水位埋深設(shè)置為6.5 m。水位以上為非飽和土體，水位以下為飽和土體。

靜態(tài)的一次是4月24日，我們?cè)煸L埃里斯塔郊區(qū)的一棵樹(shù)景區(qū)。景區(qū)所在地實(shí)是一片大草原，由于我們來(lái)的稍早，天氣還帶著早春的涼意，草原上盛開(kāi)郁金香的美景不甚顯著，但間或還可看到在剛泛綠的草地上紅色、黃色的郁金香在風(fēng)中搖曳！

4.2 滲流模型及流體參數(shù)

本次計(jì)算主要考慮土體豎向位移，故將模型上覆土體均設(shè)置為各向同性的滲流模型；由于底部基巖具有不透水性，將其設(shè)為不透水材料模型[20]。根據(jù)收集資料及所取土樣的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將流體(水)模量設(shè)為2.00×103Pa，流體密度為1.0×103kg/m3。為避免土體產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力，將流體的抗拉強(qiáng)度設(shè)為0，土體的飽和度設(shè)為1，不同地層的具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土體滲流計(jì)算參數(shù)

4.3 計(jì)算工況

結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)置地下水水位變化模擬步驟：首先，建立有限差分計(jì)算地質(zhì)模型，為各層土體設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)；然后，設(shè)置初始水位，同時(shí)賦上各層土體的流體參數(shù)；其次，關(guān)閉滲流模式，計(jì)算初始地應(yīng)力；再次，打開(kāi)滲流模式，關(guān)閉力學(xué)計(jì)算，采用平面的滲流邊界條件，從模型頂部抽取地下水，從而實(shí)現(xiàn)承壓水位的變化；最后，關(guān)閉滲流模式，打開(kāi)力學(xué)計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)平衡計(jì)算[21-22]。為了突出地下水位變化對(duì)地裂縫的形成作用，并結(jié)合高麗營(yíng)地裂縫附近地下水位觀測(cè)孔長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本次計(jì)算水位變化設(shè)為3個(gè)工況，即模擬地下水位先后下降6，12，18 m。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

4.4.1 地層沉降位移變化 隨著地下水水位的不斷下降，上盤地層整體的沉降響應(yīng)大于下盤，且上部土體的沉降位移大于下部土體；上盤頂部在斷裂帶附近產(chǎn)生了較大的豎向位移，距離斷裂帶越遠(yuǎn)的土層沉降量越小，且越趨于均勻沉降，而下盤上部的土體沉降響應(yīng)則表現(xiàn)出相反的現(xiàn)象，即越靠近斷裂帶區(qū)域的土體沉降位移越小；斷裂帶兩側(cè)出現(xiàn)了明顯的差異沉降，且隨著地下水位的下降，上下盤地層的差異沉降愈明顯，表明斷裂兩側(cè)地層的差異沉降量與地下水水位降深呈正相關(guān)。

通過(guò)分析模型土體地表沉降位移隨地下水位降低的變化特征發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，上下盤地表均出現(xiàn)不同程度沉降，地表沉降較明顯的區(qū)域主要發(fā)生在上盤距斷裂帶約45 m、下盤距斷裂帶35 m的范圍內(nèi)，表明該區(qū)域?yàn)榈亓芽p的易發(fā)區(qū)，也說(shuō)明了地下水水位下降對(duì)上盤的影響范圍大于下盤；上盤地表的差異沉降大于下盤，且位于斷裂帶兩側(cè)的差異沉降最大，地表出現(xiàn)陡坎；距離斷裂帶較遠(yuǎn)的區(qū)域表現(xiàn)為均勻沉降，且隨著地下水位的持續(xù)下降，地表整體的沉降量也在不斷增加。

4.4.2 地層應(yīng)力變化規(guī)律 不同埋深下的土層豎向應(yīng)力隨地下水位下降的變化曲線見(jiàn)圖3?？梢钥吹剑弘S著地下水位的逐漸下降，斷裂帶兩側(cè)的應(yīng)力重新分布，同一地層應(yīng)力的變化幅度沿水平方向由斷裂帶附近向兩側(cè)逐漸變小，平緩地裂縫上下盤的應(yīng)力變化曲線近似呈“中心對(duì)稱”，且隨著地下水位的下降，地層應(yīng)力持續(xù)減小，深部土體的應(yīng)力變化比淺部土體更大；隨著水位持續(xù)下降，斷裂兩側(cè)上下盤同一深度的土體的豎向應(yīng)力均逐漸減小，但位于斷裂帶附近兩盤土體的應(yīng)力差異逐漸增加，表明該處裂縫持續(xù)擴(kuò)展并有向下延伸的趨勢(shì)。

圖3 水位下降引起不同埋深地層的應(yīng)力變化曲線

5 結(jié) 論

本文選取誘發(fā)北京市高麗營(yíng)地裂縫發(fā)育和活動(dòng)的2個(gè)主要因素：斷裂錯(cuò)動(dòng)和地下水水位變化，分析了二者與地裂縫形成的關(guān)系，基于此，利用FLAC 3D有限差分軟件模擬分析了斷裂錯(cuò)動(dòng)和地下水位變化條件下地層沉降位移與土體內(nèi)部應(yīng)力的變化規(guī)律，得出的主要結(jié)論如下：

(1) 在闡述該地裂縫形成的地質(zhì)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用多種勘察手段與監(jiān)測(cè)資料揭示了地裂縫的平面和剖面活動(dòng)特征，分析認(rèn)為該地裂縫的發(fā)育和活動(dòng)受先期存在的斷裂構(gòu)造的控制作用明顯，而地下水的超采則在一定程度上激發(fā)和加劇了地裂縫的現(xiàn)今活動(dòng)。

(2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著斷裂上下盤地層位錯(cuò)量的增加，上盤地層沉降響應(yīng)較明顯，地表沉降變形從下盤到上盤具有逐漸增大的趨勢(shì)，其豎向位移變化曲線整體呈反“S”形態(tài)；斷裂兩側(cè)地層的差異沉降明顯，并在模型剖面上呈現(xiàn)牽引扭拽現(xiàn)象。

(3) 斷裂活動(dòng)造成兩側(cè)土體在一定范圍內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)重新分布，上盤應(yīng)力降低區(qū)的范圍大于下盤應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)的范圍，且上、下盤應(yīng)力變化范圍隨著斷裂位錯(cuò)量的增加均逐漸增大。

(4) 隨著地下水水位的持續(xù)下降，斷裂帶兩側(cè)地層出現(xiàn)明顯的差異沉降，且差異沉降量與水位降深呈正相關(guān)，其主要影響區(qū)域?yàn)榫鄶嗔褞媳P45 m和下盤35 m范圍內(nèi)，是地裂縫的易發(fā)區(qū)，土層豎向應(yīng)力變化曲線近似呈“中心對(duì)稱”。

(5) 本文在模擬地下水水位變化時(shí)，設(shè)置的模型上、下盤地層的水位為整體同步下降，建議下一步研究應(yīng)考慮模擬斷裂兩側(cè)水位不均勻下降，或保持一側(cè)地層的水位不變，僅控制另一側(cè)水位下降等多種工況來(lái)進(jìn)行對(duì)比研究。