隱伏地裂縫破裂擴(kuò)展物理模型試驗(yàn)研究

楊亞磊,韓文卿,盧全中,2,曹 興

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.長安大學(xué)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)

地裂縫災(zāi)害在世界許多國家均有出現(xiàn),在我國的華北平原、汾渭盆地和蘇錫常地區(qū)尤為嚴(yán)重[1-3]。其中,西安地裂縫災(zāi)害具有強(qiáng)烈的代表性,自20世紀(jì)50年代以來,西安地區(qū)出露的地裂縫已經(jīng)有14條,延伸長度超過200 km,給城市軌道交通建設(shè)和人們正常的生產(chǎn)活動都造成了很大的影響[4-6],成為了一種獨(dú)特的城市地質(zhì)災(zāi)害。近年來,隨著人類活動的加劇,在偶發(fā)因素作用下一些新的地裂縫不斷產(chǎn)生[7-8]。

在早期的地裂縫模型試驗(yàn)中何剛亮等[9]采用構(gòu)造蠕動地裂縫模型試驗(yàn)裝置近似模擬了由雁行排列裂縫組成的西安裂縫帶,試驗(yàn)過程中剖面出現(xiàn)了反傾裂縫和地表形成了一定寬度的破碎帶。21世紀(jì)以來,以文獻(xiàn)[10-13]為代表的長安大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)就西安地裂縫設(shè)計(jì)了多組大型物理模型試驗(yàn),進(jìn)一步研究了地裂縫在工程建設(shè)中的影響。隱伏地裂縫的理論研究開展較晚,宋繼文等[14]認(rèn)為地表水活動是地裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的主要因素。陳立偉[15]模擬了地表差異沉降引起的隱伏地裂縫向上破裂擴(kuò)展和上升盤近直立裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

雖然西安地裂縫的分布、活動特征和地表影響范圍都已有大量的研究,為西安城市規(guī)劃以及地下空間建設(shè)提供了良好的保證,但是對隱伏地裂縫的擴(kuò)展過程,以及深部剖面形態(tài)及深部不同層位的破裂網(wǎng)絡(luò)與影響范圍還不清楚。

1 物理模擬試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

模型試驗(yàn)裝置箱體尺寸5.0 m×1.5 m×3.0 m,最大沉降高度30 cm,下部裝置由3組特制千斤頂組成,兩側(cè)主視面采用透明的鋼化玻璃,外圍采用高強(qiáng)度的鋼梁固定。為模擬正斷層隱伏地裂縫兩側(cè)土體活動性質(zhì),試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谙潴w底部設(shè)置拼接縫,人為控制預(yù)設(shè)裂縫一側(cè)的整體下降,以模擬沿裂縫的破裂擴(kuò)張的特性。

1.2 模型設(shè)置與測試原件布置

(1) 模型設(shè)置 模型試驗(yàn)材料為經(jīng)2 mm孔徑細(xì)篩的西安附近的黃土,試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎锰钪粚?shí)土層。試驗(yàn)設(shè)置土層長5 m,寬1.5 m,高1 m。預(yù)設(shè)裂縫傾角60°,夯實(shí)過后重塑土的巖土力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 重塑土巖土力學(xué)參數(shù)

(2) 測試原件布置 土層頂部位移監(jiān)測通過布置位移計(jì)監(jiān)測,土層內(nèi)部的應(yīng)力監(jiān)測通過埋設(shè)土壓力盒。

位移監(jiān)測采用了2條測線,相距0.5 m,各測試原件水平相距30 cm,其中1條垂直布置,另1條水平布置,如圖1所示。

應(yīng)力監(jiān)測布置2個(gè)剖面,剖面相距0.4 m,每一個(gè)剖面采用2條測線,2條測線相距0.5 m,各測試原件水平相距30 cm,其中2條測線1條垂直布置,另1條水平布置,如圖2所示。

圖1 土層頂面的位移計(jì)平面布置(單位:cm)Fig.1 Displacement floor plan for the top surface of soil layer (unit:cm)

圖2 壓力盒布置(單位:cm)Fig.2 Pressure box layout (unit:cm)

1.3 模擬試驗(yàn)步驟

先在底層土(厚20 cm)預(yù)制土層裂縫,預(yù)設(shè)裂縫中充填松散的細(xì)沙,細(xì)沙與裂縫鋪設(shè)光滑的塑料薄膜。模型土填筑過程中盡可能控制土層性質(zhì)的均一性,采用分層填筑,每層填土按15 cm夯實(shí)至10 cm,土壓力盒15 cm范圍內(nèi)讓其自動擠密,在每分層土層邊緣撒一薄石膏粉作為分層標(biāo)志,以便后期觀察。模型試驗(yàn)完成后,調(diào)試各個(gè)監(jiān)測裝置系數(shù)并記錄初始數(shù)值,之后進(jìn)行試驗(yàn)的動力系統(tǒng)測試,模擬試驗(yàn)速率4 mm/h,沉降過程不間斷,該試驗(yàn)共沉降4 cm,沉降結(jié)束后靜止6 h,并且繼續(xù)監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 平面破裂狀況

模型土體表部的破裂概況如圖3所示。在模型試樣平臺下降6 mm時(shí),頂部位移計(jì)數(shù)據(jù)開始產(chǎn)生變化,平臺下降10 mm,模型試驗(yàn)下盤出現(xiàn)了一條平行于預(yù)設(shè)裂縫方向的裂縫,在平臺下降過程中,裂縫張開度隨平臺下降高度的增大有顯著的增大,在平臺下降3～4 cm,裂縫的張開度變化不明顯,最終寬度為20～30 cm。從f1裂縫表面土層沉降量來看,兩側(cè)土層垂直位錯(cuò)量不明顯,推測f1為拉張裂縫。

2.2 剖面破裂狀況

由模型箱兩側(cè)剖面觀察到模型土體整體的破裂狀況,如圖4所示。主要產(chǎn)生了f1和f2 2條裂縫。

圖3 模型頂部破裂素描圖Fig.3 Model top crack sketch

從兩側(cè)裂縫剖面看,f1裂縫近直立發(fā)展,但是并未與預(yù)設(shè)裂縫貫通。裂縫產(chǎn)生時(shí)間為平臺下降2.5 h,即平臺下降10 mm,出現(xiàn)位置在預(yù)設(shè)裂縫的下盤,距預(yù)設(shè)裂縫10 cm左右,最終f1裂縫在地表處張開度最大為30 cm,隨裂縫向下延伸逐漸變小,直至消失。在平臺下降至2 cm過程中,裂縫向下擴(kuò)展深度和裂縫寬度同時(shí)增加,深度達(dá)到了30 cm,在平臺下降2～3 cm時(shí),裂縫延伸深度幾乎保持不變,但裂縫寬度緩慢增加,當(dāng)下降盤下降>3 cm,裂縫向下延伸深度和裂縫張開度迅速增加,且逐步向裂縫尖端靠近,最終f1裂縫深度達(dá)到了80 cm。

圖4 破裂擴(kuò)展剖面素描圖Fig.4 Crack expansion profile sketch

f2裂縫為反傾裂縫,主傾角為42°,由預(yù)設(shè)裂縫尖端逐步向上盤延伸,至模型頂部時(shí)趨于變緩,f2裂縫在平臺下降6～8 mm時(shí)就開始產(chǎn)生,在平臺下降至2 cm過程中,裂縫先快速向上盤發(fā)展然后趨于穩(wěn)定,寬度先保持不變再緩慢增加。在平臺下降>3 cm時(shí),f2裂縫寬度逐漸變小,兩側(cè)土體破裂加劇,且在裂縫一側(cè)產(chǎn)生了幾條長度約10～40 cm、寬度2～8 mm的小裂縫,說明兩側(cè)土體受擠壓和剪切作用明顯,由兩側(cè)剖面觀測,f2裂縫在水平影響寬度達(dá)到了180 cm。

模型頂部土層垂直和水平位移變化如圖5所示,不同深度土層內(nèi)水平和垂直壓力變化分別如圖6和圖7所示。

由圖5顯示,裂縫地表變形與實(shí)際觀測相吻合,即在預(yù)設(shè)裂縫下盤垂直位移和水平位移都相對變化較小,且距離預(yù)設(shè)裂縫越遠(yuǎn)則變化越不明顯,但在預(yù)設(shè)裂縫兩側(cè)都出現(xiàn)了明顯的位移,在下盤靠近裂縫約45 cm處直至預(yù)設(shè)裂縫,土體的變形逐漸加大,垂直位移數(shù)據(jù)隨平臺下降而逐漸增大,最大數(shù)值達(dá)到了8.11 mm,水平位移數(shù)據(jù)也隨平臺的下降數(shù)據(jù)逐漸加大,最大數(shù)值達(dá)到了0.26 mm。預(yù)設(shè)裂縫下降盤由于隨平臺的下降,出現(xiàn)了較大的垂直和水平位移變形,在平臺持續(xù)下降8 h時(shí),垂直位移最大達(dá)到了3.8 mm,水平最大位移1.5 mm,在靜止8 h后最大垂直位移達(dá)到了14 mm,水平最大位移為4.5 mm。由此說明地裂縫的下降盤比上升盤在地表的位移變形中都更加明顯,在裂縫兩側(cè)下降盤的影響帶寬度也大于上升盤的影響帶寬度,且地裂縫在活動后也會存在較長的穩(wěn)定時(shí)期,所以在實(shí)際工程建設(shè)中應(yīng)該要避開影響帶。

圖5 模型頂部位移變化曲線Fig.5 Model top displacement change curve

圖6 豎向應(yīng)力變化曲線Fig.6 Vertical stress change curve

圖7 水平應(yīng)力變化曲線Fig.7 Horizontal stress change curve

由模擬試驗(yàn)壓力盒數(shù)據(jù)分析可知,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),各層的壓力盒幾乎保持在一條直線,說明埋設(shè)壓力盒數(shù)據(jù)正確。在下降1 h內(nèi),壓力盒數(shù)據(jù)較開始時(shí)數(shù)據(jù)都顯著下降,分析原因是采用強(qiáng)夯方法填筑時(shí)在土體內(nèi)附加應(yīng)力的釋放,垂直壓力分析見圖6。隨平臺的下降,在預(yù)設(shè)裂縫位置垂直壓力分別向兩側(cè)減小,分析原因?yàn)殡S平臺的下降,垂直于預(yù)設(shè)裂縫上側(cè)的土體相對發(fā)生擠壓,而兩側(cè)的土體都相對發(fā)生松動,且埋深越淺影響寬度越大,水平壓力分析見圖7。隨平臺下降,在預(yù)設(shè)裂縫兩側(cè)水平應(yīng)力都會由上盤向下盤逐漸減小,分析原因?yàn)殡S平臺下降在上盤中出現(xiàn)了拉張裂縫,土體發(fā)生了水平方向發(fā)生了擠壓,在下降盤中由于反傾裂縫的向上擴(kuò)展,土體發(fā)生松動。

2.3 破裂過程分析

對試驗(yàn)結(jié)果分析,正斷型隱伏地裂縫的破裂擴(kuò)展為地裂縫尖端拉裂階段,裂縫的形成發(fā)展階段,裂縫貫通階段如圖8所示。

(1) 地裂縫尖端拉裂階段(見圖8(a)):在下降盤下降0～6 mm階段中,模型箱內(nèi)土體整體發(fā)生變化較小,但在隱伏地裂縫尖端土體發(fā)生了土體相對錯(cuò)動,出現(xiàn)了一些細(xì)小裂紋,裂紋主要方向與隱伏地裂縫相反,且有相互連通跡象。

圖8 隱伏地裂縫的破裂擴(kuò)展過程Fig.8 Crack expansion process of buried geofracture

(2) 裂縫的形成發(fā)展階段(見圖8(b)):在平臺下降過程中f2反傾裂縫較早形成于f1垂直裂縫,在平臺下降至1～2 cm時(shí),f1和f2裂縫的深度和寬度都在較平穩(wěn)的發(fā)展階段,但f2裂縫一側(cè)土體出現(xiàn)明顯的位錯(cuò),伴隨產(chǎn)生了許多細(xì)小的裂縫,說明f2裂縫兩側(cè)土體受到了拉裂作用,平臺下降至2～3 cm時(shí),f1裂縫的延展深度和張開度幾乎保持不變,f2裂縫依然隨平臺的下降高度向上延伸。

(3) 裂縫貫通階段(見圖8(c)):在平臺下降>3 cm過程中,f1裂縫迅速向預(yù)設(shè)裂迅速延伸,寬度也明顯加大,幾乎快要與預(yù)設(shè)裂縫形成貫通,f2裂縫雖仍然向地表延伸,但f2一側(cè)形成細(xì)小裂縫與f2形成貫通,可以看到明顯的破碎帶。

3 結(jié)論

(1) 在正斷型隱伏地裂縫模型試驗(yàn)中出現(xiàn)了2條裂縫,且走向都平行于隱伏地裂縫,但模型土體內(nèi)并未出現(xiàn)較大的位錯(cuò),推斷2條裂縫都為拉裂縫。

(2)f1裂縫在模型頂面產(chǎn)生,平臺下降前期近乎垂直向下擴(kuò)展,在后期有向預(yù)設(shè)裂縫位置擴(kuò)展且有形成貫通的趨勢。f2裂縫形成于裂縫尖端并向上盤擴(kuò)展,越靠近地表傾角越小,有延伸至地表的趨勢,且在靠近地表約0.3 m的位置,裂縫一側(cè)土體出現(xiàn)了破碎帶,土體內(nèi)出現(xiàn)了較強(qiáng)的拉張、擠壓、剪切作用。

(3) 正斷型隱伏地裂縫活動中,下降盤的影響影響寬度大于上升盤的影響寬度。地裂縫活動后上覆土體存在長時(shí)間的平穩(wěn)時(shí)期 。

(4) 正斷型隱伏地裂縫的破裂擴(kuò)展為地裂縫尖端拉裂階段、裂縫的形成發(fā)展階段和裂縫貫通階段。