不同活動速率下隱伏地裂縫的模型試驗研究

于文才, 楊亞磊,盧全中,2 ,韓文卿

(1.長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054; 2.長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

地裂縫是人類社會發(fā)展中遇到的一個突出的自然災害問題，也是地球科學中一個新的科學問題[1]。按照成因一般可以將地裂縫分為構造地裂縫、非構造地裂縫和混合成因地裂縫三類[2]。國內外學者從事地裂縫的研究工作至今已逾90年，自1927年9月Picacho盆地暴雨過后出現(xiàn)地裂縫地質災害并被報道以來，世界上眾多學者便開始對地裂縫災害進行研究[3]。地裂縫在全球范圍內廣泛分布，美國、墨西哥、印度、歐洲、非洲、澳大利亞及中國等的學者都已相繼發(fā)表了對本地區(qū)地裂縫的研究狀況[4-10]。近年來，隨著人類過量的城市用水、農業(yè)用水，或是遇到持續(xù)干旱的天氣導致地下水位急劇下降，此時若遇上強降水等的誘發(fā)作用，大量的地裂縫就會在地表形成[11]。事實上大量的地裂縫是由土體內部的開裂延伸到地表的結果，有時候這些土體開裂會被人類的工程建筑物阻斷，當這些內部孕育著地裂縫的土體遇到強降水或者地震活動的作用就有可能會出露地表裂縫[12]。有學者認為，這些新出露的地裂縫可以分為2類：一是由土體內部的裂縫發(fā)育到土體表層形成，二是已經出露的地裂縫在外力作用下閉合，一段時間后在新的成縫因素作用下重新開啟所產生，在還沒有出露地表時這兩者都可以歸為隱伏地裂縫[13]。

目前國內外已查明的地裂縫大都是在地表能直接觀察到的地裂縫，然而埋藏在地表之下不易被人類所察覺的隱伏地裂縫的數(shù)量和規(guī)模都更為龐大。因此，利用各種鉆探技術、物探手段對隱伏地裂縫進行測量，歸納隱伏地裂縫的實際空間展布狀態(tài)；開展室內試驗，模擬其發(fā)育過程；綜合前兩者的數(shù)據(jù)，對隱伏地裂縫的發(fā)育條件歸納出隱伏地裂縫活動的本構模型等，十分有利于對地裂縫場地進行合理有效的利用[14-15]。對于地裂縫地模型試驗研究方面，早期國外具有代表性的有BRAY[16]等，國內具有代表性的有劉學增等[17]。為了協(xié)助解決西安市城市建設過程中遭遇的地裂縫災害問題，長安大學相關專業(yè)的優(yōu)秀教師和研究生團體關于解決西安地裂縫在工程建設方面的問題上設計了許多有創(chuàng)新性的模型試驗和研究課題[18-19]，這些研究成果對跨地裂縫的地鐵隧道建設、橋梁建設等具有積極的幫助。值得一提的是，這些研究課題涉及到的內容大多是探究地裂縫活動強度對工程建筑破壞能力的大小，或者是不同地質環(huán)境下地裂縫活動的成因分析，對于活動速率差異導致隱伏地裂縫產生不同發(fā)育特征等幾乎沒有涉及。

對于隱伏地裂縫來說，由于地應力不均勻變化形成的隱伏地裂縫發(fā)育出露至地表往往要經歷數(shù)年；強降水過后的隱伏地裂縫出露至地表僅需幾天；由地震作用誘發(fā)的隱伏地裂縫破裂擴展至地表僅僅發(fā)生在幾分鐘甚至幾秒之間[11]。顯然隱伏地裂縫因活動速率的不同可能招致不同程度的地質災害，進而不同程度地影響人類的工程建設活動。因此，探究不同發(fā)育速率對隱伏地裂縫破裂擴展至地表過程中裂縫周圍土體的影響，對于指導隱伏地裂縫場地的綜合開發(fā)利用有著重要的意義，這正是這次試驗的研究目的所在。試驗方案包含慢速活動、快速活動兩組物理模型試驗，分別模擬不同地應力條件下隱伏地裂縫破裂擴展過程，通過對比隱伏裂縫破裂擴展的剖面特征、地表土體水平位移和沉降上的差異大小，從而把握活動速率對隱伏地裂縫發(fā)育過程的影響。

1 物理模型試驗概況

1.1 試驗儀器設備

本次物理模型試驗在長安大學地質災害大型物理模擬試驗中心的一個模型箱(圖1、圖2)內完成。

圖1 模型箱實物圖Fig.1 The physical diagram of the model box

圖2 模型箱結構圖Fig.2 The structure diagram of the model box

模型箱整體由鋼化玻璃、鋼板、高剛度支撐梁構成，可分為箱體部分和動力控制部分。箱體部分是上述材料搭接成的一個5.0 m(長)×1.5 m(寬)×3.0 m(高)長方體，箱體底板由左右兩塊尺寸分別為3.0 m(長)×1.5 m(寬)、2.0 m(長)×1.5 m(寬)的厚鋼板構成，兩底板拼接處設置隱伏地裂縫，其中右側底板可沿滑道平行滑動(除此之外，箱體其他部位均固定不動)。動力部分由連接在右底板下表面的三個高精度千斤頂和速率控制元件(圖3a)組成，速率控制元件可以通過同步調控三個千斤頂升降速率來控制右底板的活動量，從而可以在試驗過程中模擬出不同活動速率的隱伏地裂縫。

本次試驗要獲取的數(shù)據(jù)包括土體中地裂縫的形態(tài)特征、地表土體的水平位移量和垂直沉降量。其中前一項數(shù)據(jù)的采集使用高清數(shù)碼攝相機(圖3b)定點拍攝并輔以記號筆在鋼化玻璃表面標注；后兩項數(shù)據(jù)采用高精度位移計(圖3c)和DH3816靜態(tài)應變采集系統(tǒng)(圖3d)進行采集。

圖3 試驗所用儀器Fig.3 Instruments used inexperiments(a)速率控制元件；(b)高清數(shù)碼攝像機；(c)高精度位移計；(d)DH3816靜態(tài)應變采集系統(tǒng)。

1.2 試驗方案

試驗前先進行土料處理、測量元件標定、數(shù)據(jù)采集設備調試，然后進行模型箱內的鋪土。鋪土前模型箱右底板處于與左底板平齊的位置，按照每次填土15 cm并將其夯實至10 cm的方法，把土料填鋪至預設深度1 m，每次鋪土后在土層表面靠近模型箱玻璃板處撒薄層石膏粉作為分層標志。鋪土開始時在模型箱左、右底板拼接處沿預設隱伏地裂縫方向上放置一塊與模型箱底板等寬的木板(木板厚1 cm)，木板在裂縫方向上長30 cm，待鋪土即將沒過木板時將其抽出，從而在土體內造出一個中空的裂縫，達到模擬預設隱伏地裂縫的效果。試驗用模型箱內的土體來模擬隱伏地裂縫場地，以模型箱左、右底板拼接處在地表的投影為界，把試驗土體分為上盤、下盤。

鋪土完成后進行地表位移計安裝，位移計布設方案如圖4所示：沿模型箱長軸方向布置1、2兩條相互平行的測線，兩條測線與模型箱邊界的距離均為50 cm，其中1號測線測量表層土體的垂直沉降量，2號測量表層土體的水平位移量，位移計從模型箱左邊界起105 m位置處開始布設，每條測線上共布設10個位移計，相鄰兩個位移計間距30 cm，最終鋪設結果如圖5所示。

圖4 地表位移計布設平面圖Fig.4 The design of extensometers at the surface of soil

圖5 地表位移計布設圖Fig.5 The diagram of extensometers at the surface of soil

模型試驗以預設隱伏地裂縫活動(通過控制右底板活動實現(xiàn))速率為單一變量，共設計2種試驗工況(表1)。其中工況1模擬隱伏地裂縫在地應力長期緩慢影響下的破裂擴展特征，工況2模擬隱伏地裂縫在發(fā)生地震時地應力突然改變情況下的破裂擴展特征。

在按照要求鋪設好土體后，啟動地表位移采集器，打開攝像機等監(jiān)控試驗過程的設備，依據(jù)預設工況控制千斤頂進行右底板的活動。達到預設沉降深度后試驗并不是立即終止，而是持續(xù)一段時間采集數(shù)據(jù)，這是考慮了土體內部顆粒間變形的滯后效應。試驗過程透過玻璃板拍攝土體中隱伏地裂縫的破裂擴展情況，并用記號筆在玻璃板表面對土體出現(xiàn)破裂的位置和時間進行標記。試驗結束后，對相機拍攝成果進行技術處理以更直觀地體現(xiàn)土體中地裂縫破裂地形態(tài)特征，依據(jù)應變采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)繪制出地表土體的水平位移量和垂直沉降量曲線圖。

1.3 試驗材料

本次試驗材料選取西安地區(qū)的黃土，為了更好地反映試驗土體的常規(guī)物理力學特征，試驗結束后在模型箱內取土樣進行土的常規(guī)試驗，測定它們的重度γ、含水率w、以及固結快剪試驗的內摩擦角Φ、黏聚力C等基本物理力學參數(shù)，結果見表2。

表1 物理模型試驗工況表Table 1 The table about the conditions of the physical model tests

表2 土體物理力學參數(shù)Table 2 The table about the physical and mechanical parameters of the test material

2 試驗結果及分析

2.1 隱伏地裂縫破裂擴展的橫剖面和地表的宏觀特征

工況1隱伏地裂縫破裂擴展最終的橫剖面特征如圖6所示，圖中數(shù)字代表該位置最初產生裂縫時右底板活動的次數(shù)(每次活動右底板的垂直沉降量為2 mm，對應時間間隔0.5 h)。圖像顯示，在下盤土體中形成一條由地表向下發(fā)育的近似直立的裂縫，該裂縫寬度隨深度的增加而減小，地表處寬約30 mm，向下尖滅于預設隱伏地裂縫上端部，本文稱之為“直立裂縫”。該直立裂縫開始產生于右底板沉降量達約14 mm時，裂縫主體部分發(fā)育在預設隱伏地裂縫以左約18 cm范圍內的土體中。攝像機記錄顯示該直立裂縫一經產生的同時有約25 cm的可見發(fā)育深度，之后的一段時間隨著右底板的不斷活動，該裂縫的寬度逐漸增加，但發(fā)育深度保持穩(wěn)定，直到右底板垂直沉降約20 mm時，其向下的發(fā)育突然加速，裂縫寬度也相應增加，隨著試驗的繼續(xù)進行直到終止，這條直立裂縫尖滅于預設隱伏地裂縫的上端部附近，最終發(fā)育深度約80 cm。在上盤土體中形成一條由預設隱伏地裂縫下端部向上發(fā)育的傾斜裂縫，其傾向與預設隱伏地裂縫的傾向相反，本文稱之為“反傾裂縫”。按照本課題組試驗研究成果，可將反傾裂縫的破裂擴展過程分為4個階段：反傾裂縫產生階段、反傾裂縫快速發(fā)育階段、反傾裂縫塌陷階段、反傾裂縫閉合穩(wěn)定階段。事實上反傾裂縫在預設隱伏地裂縫布設過程中就已經產生；攝像機拍攝顯示，在右底板沉降約0～14 mm的過程中，反傾裂縫快速向右向上擴展至一定規(guī)模；之后隨著右底板繼續(xù)活動，反傾裂縫長度和寬度上變化甚微，當右底板沉降量達到約34 mm時，靠近預設隱伏地裂縫位置處的反傾裂縫突然發(fā)生塌陷，同時在預設隱伏地裂縫的右側伴隨產生數(shù)條長10～40 cm、寬2～8 mm的小裂縫；試驗結束后的一段時間內由于右底板活動的停止，反傾裂縫趨向閉合穩(wěn)定。宏觀上看，該反傾裂縫主傾角約為40°，最終發(fā)育寬度在水平方向上約為180 cm。

圖6 工況1橫剖面素描圖Fig.6 The profile sketch under condition 1

工況1地表的整體破裂狀況如圖7所示。在該工況下，隱伏地裂縫活動最終在土體內引起了數(shù)條明顯的地表裂縫：土體下盤產生一條貫穿的縱向裂縫a，土體上盤產生了規(guī)模次之的地表裂縫b、c，這三條規(guī)模較大的地表裂縫的走向與預設隱伏地裂縫的走向幾乎一致。其中a地裂縫對應于橫剖面上的直立裂縫，開始產生于右底板沉降量約14 mm的時段，它的張開寬度隨著右底板活動量的增加而變寬，并穩(wěn)定在25～35 mm范圍內。b、c地裂縫形成在反傾裂縫陷落的過程中，此時右底板活動量約為34 mm，該地表裂縫出現(xiàn)后其寬度約8 mm，幾乎不隨隱伏地裂縫的活動而變化。試驗后對a、b、c三條裂縫進行開挖，發(fā)現(xiàn)a裂縫整體發(fā)育較深，近乎垂直并向下尖滅于預設隱伏地裂縫的上端部附近；開挖結果表明裂縫b、c沒有和反傾裂縫連通在一起，其向下發(fā)育較淺，據(jù)此推測這兩條地裂縫與隱伏反傾裂縫的發(fā)育拓展無關，因該為隱伏地裂縫陷落時表層土體應力釋放產生的裂縫。宏觀上看，土體的破裂主要分布在上盤，其破裂形態(tài)具有一定的對稱性。

圖7 工況1地表素描圖Fig.7 The surface sketch under condition 1

工況2隱伏地裂縫破裂擴展最終的橫剖面特征如圖8所示。圖像顯示該工況下土體內部并未出現(xiàn)明顯的直立裂縫。反傾裂縫瞬間產生并貫通至土體表層附近，裂縫較寬位置處寬約10～25 mm。另外在上盤土體坍落過程中，反傾裂縫附近土體受擾動生成了少量小型裂縫，其寬約5～10 mm，長約25～35 mm。宏觀上看，該反傾裂縫主傾角約為75°，最終發(fā)育寬度在水平方向上約45 cm。

工況2土體地表的整體破裂狀況如圖9所示。在該工況下，隱伏地裂縫活動最終在土體內引起了總體走向幾乎和預設隱伏裂縫走向一致并且規(guī)模較大的一條地裂縫和一些規(guī)模較小的地裂縫，其中主裂縫寬約5～8 mm，次級裂縫寬約2～4 mm。由于試驗過程持續(xù)時間極短，這些裂縫幾乎是瞬間同時產生的。試驗完成后，靜置一段時間，地表破裂無明顯變化。試驗后對土體分析結果表明，直立裂縫的發(fā)育程度微弱，僅在地表上可被觀察到，而在橫剖面上幾乎不可見。反傾裂縫在橫剖面中發(fā)育形態(tài)比較明顯，而在地表中也有小部分出露，這說明反傾裂縫近乎擴展至地表。宏觀上看，地表土體破裂形態(tài)對稱性較差，土體破裂區(qū)域比較集中。

圖8 工況2橫剖面素描圖Fig.8 The profile sketch under condition 2

圖9 工況2地表素描圖Fig.9 The surface sketch under condition 2

表3對工況1、工況2各橫剖面特征數(shù)據(jù)進行了對比。

表3 兩種工況下的特征數(shù)據(jù)對比表Table 3 The comparison table of the characteristic data under the two conditions

2.2 隱伏地裂縫破裂擴展地表位移特征

工況1地表垂直沉降量及水平位移量隨時間變化如圖10、圖11(其中圖像的橫軸代表位移計安插位置距模型箱左邊界的橫向水平距離，縱軸代表位移計的讀數(shù)，下同)所示，0～10 h為右底板按4 mm/h速率活動的過程，11～16 h為試驗后對土體應變的滯后采集過程。

圖10顯示該工況下，土體垂直沉降量在時間上出現(xiàn)了三次“平穩(wěn)”階段，即0～0.5 h、3.5～5.5 h、6.5～16 h，在這三段時間內土體垂直沉降量幾乎無明顯變化，三次“平穩(wěn)”階段間隔了兩段垂直沉降量快速增大階段，其中以5.5～6.5 h增大量最為明顯。圖像顯示在空間位置上，表層土體垂直沉降量在模型箱0～2.55 m位置變化微弱，最大沉降量僅為0.8 mm，約為右底板總活動量的2%，為試驗土層總厚度的0.08%；在模型箱2.55～3.15 m之間，垂直沉降量隨著位移計位置的向右逐漸增加，其中前文提到的直立裂縫就位于該區(qū)間內；剩余3.15～4.05 m，沉降量近乎一致，最終沉降量約為14 mm，約為底板活動量的35%，為試驗土層總厚度的1.4%。

圖10 工況1地表垂直沉降量曲線Fig.10 The diagram of vertical settlement under condition 1

圖11 工況1地表水平位移量曲線Fig.11 The diagram of horizontal displacement under condition 1

圖11顯示該工況下，土體水平位移量也出現(xiàn)了在同一時間段上與垂直沉降量類似的三次“平穩(wěn)”階段，在這三段“平穩(wěn)”時間內，水平位移量幾乎也是沒有明顯變化，三次“平穩(wěn)”階段所間隔的兩段水平位移量增大階段中的增大量近似相等。圖像顯示在空間位置上，表層土體水平位移量在模型箱0～2.25 m位置處幾乎無變化，最大位移量僅為0.26 mm，約為同期垂直沉降量的1/3，為右底板水平位移量的1%；在模型箱2.25～3.75 m，水平位移量向右逐漸增大，局部略有波動；由于邊界效應的影響，預計在3.75 m之后的上盤范圍內，土體位移會急劇衰退至零。采集設備檢測到整個土層面上的位移最大量約為4.3 mm，約為同期最大垂直沉降量的1/4～1/3，為右底板水平位移量的18%。這表明當隱伏地裂縫以較慢的速率活動時，其所引起的地表位錯主要以垂直沉降為主，隱伏地裂縫作用下的水平張引位移量比出露于地表的裂縫水平張引量更加微弱。

事實上綜合本次試驗和本課題組2 m厚土層的模型試驗和本次試驗結果，在隱伏地裂縫以慢速率活動時，表層土體在垂直和水平變形上會先后產生3回穩(wěn)定過程(圖12)，這3回穩(wěn)定過程與隱伏地裂縫的發(fā)育階段有一定的聯(lián)系。第1回穩(wěn)定過程對應于圖中的0～a沉降過程，因為整個土層對預設隱伏地裂縫活動所引起的位移具有吸收作用，導致地表位錯量極?。涣芽p活動的a～b沉降過程，反傾裂縫還未擴展至地表，表層土體受到反傾裂縫下側土體的拉動作用向下位移，隨著預設隱伏地裂縫的繼續(xù)活動以及土體對位移吸收的不斷飽和，地表位錯量迅速累積；裂縫活動到b～c階段時，反傾裂縫已擴展至地表，此時上盤地表土體與反傾裂縫下側土體近乎分離，地表土體在自身強度作用下形成了“土拱”，不再受下側土體的拉動作用，也沒有立即發(fā)生塌陷，在該過程中隱伏地裂縫仍在繼續(xù)活動，但表層土體并不能形成明顯錯動，這是第2回穩(wěn)定過程；在c～d沉降過程，隱伏地裂縫塌陷迅速產生，此過程地表變形在隱伏地裂縫反傾發(fā)育過程中的坍落作用下變化又快又多；d～e沉降過程即反傾隱伏裂縫發(fā)育陷落后地表變形接近為零，裂縫在重力作用下緩慢閉合的階段，即第3回穩(wěn)定過程。

圖12 隱伏地裂縫擴展中的三個穩(wěn)定過程示意圖Fig.12 The schematic diagram of three stable stages in the development of concealed ground fissures

工況2地表水平位移量及垂直沉降量隨時間變化如圖13～14所示，試驗設定右底板的快速沉降發(fā)生在第1分30秒，接下來是采集土體的滯后變形過程，直到數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

圖14 工況2地表水平位移量曲線Fig.14 The diagram of horizontal displacement under condition 2

圖13表明該工況下表層土體垂直沉降量在模型箱0～3.15 m位置無明顯變化，在預設隱伏地裂縫右側出現(xiàn)最大垂直沉降量為8.57 mm，約為右底板垂直活動量的21%，為試驗土層總厚度的0.86%。圖14顯示該工況下表層土體水平位移量在模型箱0～3.15 m位置雖有小幅波動，但總體變化不大，在預設隱伏地裂縫右側附近出現(xiàn)最大水平位移量為6.04 mm，約為同期地表垂直沉降量的2/3，為右底板水平位移量的26%。這表明當隱伏地裂縫快速活動時，地表處的垂直沉降量和水平位移量相差不大，并且具有相似的變化規(guī)律，但地表處的垂直沉降量明顯小于慢速活動下的垂直沉降量。

3 結論與討論

根據(jù)實驗結果，進行兩種工況下隱伏地裂縫活動的對比分析，可以得出以下結論：

(1)隱伏地裂縫活動時一般會形成兩種類型地地裂縫：由地表向下發(fā)育的直立裂縫和由土體內部向地表發(fā)育的反傾裂縫。

(2)當隱伏地裂縫慢速活動時，其引起的反傾裂縫在橫剖面上的傾角較小；其引起的直立裂縫發(fā)育較深，并且整個試驗土體更顯破碎。而當隱伏地裂縫快速活動時，其引起的反傾裂縫在橫剖面上的傾角較大；其引起的直立裂縫發(fā)育較淺，并且整個試驗土體稍顯破碎。

(3)當隱伏地裂縫慢速活動時，隱伏地裂縫的地表投影附近土體垂直沉降量較大，水平位移量相對較小。當隱伏地裂縫快速活動時，隱伏地裂縫的地表投影附近土體的垂直沉降量和水平位移量相差不大，但整體都小于慢速活動時的垂直沉降量和水平位移量。

(4)如果把一次實驗中隱伏地裂縫的活動視為一個活動周期，那么在隱伏地裂縫慢速活動的一個周期內，其上盤土體位錯的變化可能會出現(xiàn)典型的三次“平穩(wěn)”階段。

(5)相比于慢速活動，隱伏地裂縫快速活動時，土體對右底板沉降量的吸收作用更為明顯。

當然，這次實驗主要探討的是不同活動速率隱伏地裂縫的動態(tài)發(fā)育過程，沒有涉及土體中應力應變的分析，事實上隱伏地裂縫發(fā)育過程中其與應力應變的關系規(guī)律也是本課題組的一個方向。至于能否通過實驗的結論很好地預測地裂縫場地的地質災害效應，還需要進行大量的研究工作。