地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (3): 412-420
引用本文
汪丽, 李新生, 李同录. 隐伏地裂缝扩展的大型原位浸水试验研究[J]. 地质力学学报, 2019, 25(3): 412-420.
WANG Li, LI Xinsheng, LI Tonglu. LARGE-SCALE IN-SITU SUBMERGING EXPERIMENT ON BURIED GROUND-FISSURES EXPANSION[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(3): 412-420.
隐伏地裂缝扩展的大型原位浸水试验研究
汪丽1 , 李新生2 , 李同录2     
1. 西安航空学院能源与建筑学院, 陕西 西安 710077;
2. 长安大学地质工程与测绘学院, 陕西 西安 710054
摘要:隐伏构造地裂缝具有潜在的灾害效应和扩展的随机性,地表水是诱发隐伏地裂缝扩展的因素之一。文章基于野外调查资料,定性分析了地表水对隐伏地裂缝扩展效应的水压作用及黄土湿陷作用机理,在此基础上选取西安曲江新区隐伏地裂缝黄土场地开展了大型原位现场浸水模拟试验。通过沉降观测、数据分析和数值模拟,得出水压作用是诱发隐伏裂缝扩展的辅助因素,因黄土湿陷作用在裂缝两侧形成的差异沉降是主要诱因,靠近隐伏地裂缝的区域沉降量最大,距离裂缝越远沉降量越小,整体呈现抛物线形的沉降模式,验证了地表水诱发浅表层黄土隐伏裂缝扩展的作用机理。相关认识对于研究隐伏构造地裂缝的扩展机理以及防治工作具有重要的指导意义。
关键词地裂缝    地表水    隐伏构造    扩展机理    浸水试验    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.03.038     文章编号:1006-6616(2019)03-0412-09
LARGE-SCALE IN-SITU SUBMERGING EXPERIMENT ON BURIED GROUND-FISSURES EXPANSION
WANG Li1 , LI Xinsheng2 , LI Tonglu2     
1. School of Energy and Architecture, Xi'an aerotechnical college, Xi'an 710077, Shannxi, China;
2. School of Geological and Surveying Engineering, Chang'an university, Xi'an 710054, Shannxi, China
Abstract: Buried ground-fissrues have the potential disaster effects and the randomness of expansion, and surface water is one of the factors that induce the expansion of buried ground-fissrues. Based on field investigation data, two main expansion mechanisms, hydraulic pressure and the loess collapsibility, were qualitatively analyzed. On the basis of this theory, a buried ground-fissures site in Xi'an loess area of Qujiang New District was selected to simulate surface water submerging the ground-fissures. Through the settlement observation, data analysis and numerical simulation, it is concluded that hydraulic pressure is the auxiliary factor that induce the expansion of the buried ground-fissrues, while the differential settlement caused by loess collapsibility on both sides of the ground-fissrues is the main cause. The regional settlement near the buried ground-fissrues is the largest, and the further away from the fissure, the smaller the settlement is. The settlement curve takes on a parabolic pattern, which affirms the ground-fissuers expansion mechanism induced by surface water in shallow loess area. Relevant studies have important significance that will guide us to reveal the expansion mechanism of buried ground-fissures and to control the expansion.
Key words: ground-fissures    surface water    buried structure    expansion mechanism    submerging experiment    
0 引言

地裂缝是由内外动力作用以及人类活动的影响下在地壳浅表部土层中发生的不连续破裂形迹或错断现象[1-3],中国是世界上地裂缝灾害最严重的国家之一。汾渭盆地、河北平原、苏鲁皖豫等广泛分布的地裂缝,其主体是由区域构造活动形成的隐伏构造地裂缝,这种隐伏构造地裂缝是国内构造地裂缝的主体,其数量远比已发现的地裂缝要多得多[4-6]。隐伏构造地裂缝多数是在抽取地下水、强降雨及农田灌溉等后期外营力作用诱发后出露于地表,可见水是诱发和加剧隐伏裂缝扩展的突出因素[7-9],而单纯因水作用引起的裂缝与在隐伏构造地裂缝存在下由水诱发的裂缝其特征和机理是不同的[10-12]。根据水对土层作用情况的不同可分为抽取地下水或气候干旱使土层失水造成的失水隐伏裂缝扩展和因降雨、灌溉等使土层浸水产生的浸水隐伏裂缝扩展两种。抽取地下水是使隐伏构造地裂缝显露并致灾的重要因素,比如西安地裂缝活动量的80%~90%与超采地下水有关,目前随着黑河水的引入以及有意识的控制地下水开采量,同时选择合理开采方式和开采时间等举措,已经在很大程度上减轻了西安地裂缝灾害的发生,但抽取地下水已经对隐伏地裂缝的扩展造成了累积效应[7],也为地表水诱发裂缝埋下了伏笔。

由于水土之间作用机理复杂以及不同地区地质环境的差异性,水作用下的地裂缝扩展机理仍有待进一步分析[13-14]。鉴于抽水致裂的研究成果较为丰富,文章着重分析浸水作用下(强降雨、农田灌溉以及地下管道渗漏水等)诱发隐伏构造地裂缝扩展的主要作用机理以及影响裂缝扩展程度的因素,已有研究表明,西安地区积水点与西安地裂缝分布图揭示两者具有惊人的相关性[2, 15]。为了能够针对性的研究浸水情况下水对隐伏地裂缝活动产生的扩展效应,选取西安一隐伏地裂缝黄土场地进行了大型现场原位浸水模拟试验,通过浸水过程中的沉降观测、后期的数据分析和数值模拟,定性地分析地表水对隐伏裂缝扩展的作用机理,以期对隐伏地裂缝的防灾减灾工作提供有效帮助。

1 浸水作用对隐伏地裂缝扩展的影响

根据大量野外揭露的隐伏地裂缝的剖面表明(图 1),主裂缝周围发育有次级裂缝以及毛细裂缝,因此土体空隙数量多,连通性好,渗透性强[2, 5]。实验也表明[7],裂缝带周围的土体渗透系数高出一般土体1~2个数量级,同时微张开的断裂及其周围的破裂带具有一定的优势控水作用,包括阻水、截水作用、导水与强渗水作用。因此,地表水对隐伏构造地裂缝扩展产生放大效应有很好的前提条件,文章提出的水压作用、黄土湿陷作用正是以此为基础。裂缝向上发展过程中,常被浅层的松散沉积物分解减弱乃至吸收匿迹,沿线成为潜伏的弱强度带,因此隐伏裂缝在水作用下发生扩展并不一定会显露于地面,在持续性水的冲刷下或者遭遇干旱后比较容易出露。

图 1 典型隐伏地裂缝剖面图[9] Fig. 1 Profiles of typical buried ground-fissures[9]
1.1 水压作用

水的力学作用分静水压力和动水压力两种,这两种水力作用均能使土体发生水力劈裂,使地裂缝的连通性增加,张开度增大,即隐伏裂缝沿纵向自下而上扩展及沿横向扩宽,最终出露于地表。静水压力的作用机制如图 2所示,当水流入土层内,具有一定压力的泥水在较短的时间内在土体表面形成透水性很低的泥膜,使泥水压力通过泥膜向土层传递,与裂缝一侧的土压力形成土水压力平衡。σw表示水压力,σa1表示隐伏地裂缝以上的土压力,可看作连续线性荷载,σa2表示隐伏地裂缝以下的土压力,用朗肯土压力公式进行计算:当σwσa1时,隐伏地裂缝将沿纵向开启;当σwσa2时,隐伏地裂缝的开裂宽度将增大。

σw—水压力,σa—土压力;σa1—隐伏地裂缝以上的土压力;σa2—隐伏地裂缝以下的土压力 图 2 隐伏地裂缝扩展力学分析示意图 Fig. 2 Mechanical analysis diagram of buried ground-fissures

当隐伏裂缝持续向上开启到达地面形成连续通道时,动水压力开始发挥作用,水流对土体产生两种主要作用力:一种是增大了水流对裂缝土体的垂直入渗力,使两侧一定范围内的土体含水量增大,土体抗拉强度和抗剪强度变小;另一种是水流对裂缝壁的拖曳力,这两种作用相辅相成,虽然水流对土体的垂直入渗力比较小,但给拖曳作用提供了非常好的前提条件。

影响水压作用大小的因素有降雨、灌溉、管道渗漏过程中水量大小、水的流速、水头高度、浸水时间、土质情况、地形条件等,水压作用的大小直接影响了隐伏裂缝扩展的纵向深度与横向宽度。

1.2 黄土湿陷作用

中国地裂缝较发育的华北中西部地区为黄土分布区,如临汾高堆和鹤舍,发育的地裂缝存在较大厚度的湿陷性黄土,地裂缝在强降雨后及农田灌溉时反复出现,而其他没有黄土分布的地裂缝区域则无此现象发生[16-17],表明黄土的湿陷作用是诱发地裂缝活动的因素之一。湿陷作用对隐伏地裂缝扩展产生放大效应主要通过两种途径实现:一种是地表水自上而下流入土体产生湿陷差异,一种是地下水自下而上浸润土体产生湿陷差异。

(1) 地表水自上而下流入:由于主裂缝及次级裂缝的存在,上盘土体比较松散破碎,自地表渗入的水大量聚集于此,而裂缝内充填的松软杂填土的粘聚力和内摩擦角都很小,同裂缝两侧土体联系不紧密,因此对于靠近裂缝部分的湿陷土体来说相当于一个临空面,湿陷变形比较容易发生,随着水的不断入渗及上覆自重应力的不断增大,变形量和变形速度较其它地方都比较显著,下盘及离裂缝较远部分的土体由于水的入渗量不足以及相邻土体之间的侧阻力影响,其湿陷变形量很小,由此形成了湿陷沉降差异,诱发隐伏地裂缝沿垂向方向的扩展。

(2) 地下水自下而上浸润:黄土地区地裂缝场地勘查报告显示[16],雨季或者农田灌溉时,地裂缝两侧的地下水位相差可达7~14 m,地铁沿线地裂缝勘查和施工也证明了这一点[18],原因是渗入土层内的水会在地裂缝来水一侧形成高的水位(平行地裂缝导水、垂直地裂缝阻水)。水位线以上的黄土浸润区域一旦达到了湿陷条件,将导致隐伏构造地裂缝两侧黄土出现不均匀的湿陷量,从而直接产生湿陷沉降差,加剧和放大隐伏地裂缝的发展。

影响黄土湿陷作用的因素有黄土湿陷实数、自重压力、湿陷黄土层的厚度及埋深、浸水量的大小、地下水位的高低,季节、地形条件等,当累积湿陷差异沉降量达到一定值就会诱发隐伏构造地裂缝的扩展。

2 隐伏地裂缝的现场浸水试验 2.1 场地条件及试验方案 2.1.1 场地条件

试验场地选定在西安曲江新区,根据现场勘察报告,F12隐伏地裂缝从场地穿越,地裂缝走向NE55°,南倾南降,倾角80°;开挖出的长3 m深2 m的探槽揭露出,距地表 0.60 m以下宽度为0.25~0.70 m的裂缝带(图 3a),场地地下潜水水位在地表下10 m左右。场地地层条件自上而下为:①素填土(Q4ml),层厚1.3~1.5 m;②黑垆土(Q4eol),层厚0.8~1.0 m;③黄土(Q3el),层厚7.8~8.6 m(图 3b)。经过地裂缝勘察和准确的定位,确定了浸水的试验地点,保证所挖试坑的位置恰好被F12地裂缝穿越(图 4)。

图 3 现场原位试验探槽剖面图 Fig. 3 Profiles of in-situ exploratory trench

图 4 试验区域地裂缝及试坑平面图 Fig. 4 Plane of ground fissure and foundation pit in the test area
2.1.2 试验方案

试验目的是为了能够定性且定量的得出黄土湿陷性场地的地表水对诱发隐伏地裂缝扩展的影响,所选场地属于二级中等黄土自重湿陷性场地,自重湿陷量Δzs=27.9~325.5 mm,个别计算点小于70 mm,大部分大于70 mm,场地条件理想。设计实验方案如下:开挖10 m×10 m的试坑(实际开挖尺寸为9.4 m×9.4 m),坑深0.5 m,坑内布置共9排99根沉降观测标;为了能监测到不同深度范围的黄土湿陷量,坑内布置了2排分层沉降标,埋设分别达2.5 m、4 m、5.5 m、7 m,分层标由PVC管和铝管组成,PVC管保护里面的铝管自由活动,不受周围土体阻力作用;坑外距坑边5 m范围内布设106根地表沉降观测标(图 5)。坑内布置4排26个深3 m的渗水孔,促进水在土体内有效渗入;坑底铺设5 cm厚的细沙,模拟地表松散沉积物。

图 5 试坑观测点平面布置图 Fig. 5 Plane of observation points in the foundation pit

试验采用定水量注水方式,每日往坑内注水25 m3左右(通过地裂缝带的渗透系数计算每日耗水量),共注水21天。用水准仪观测沉降量,观测精度为士0.1 mm,浸水初期,每日观测一次;两周后,每三日观测一次,直至连续观测三次的沉降变形前后差值都在0.1 mm;停水后每三日观测一次,直至变形终止。

2.2 浸水试验结果 2.2.1 观察记录结果

试验阶段通过观察发现:浸水初期(1~4天),坑内积水很少;浸水中期(4~16天),坑内存有少量积水;浸水后期(16~21天),积水面积覆盖试坑80%左右;第29天停水的一周后裂缝出露于地表(图 6),走向NE55°,与F12地裂缝走向一致,试坑外围场地无异常。

图 6 试验场地地裂缝出露 Fig. 6 Ground fissure exposed on the spot
2.2.2 含水率变化情况

根据浸水前后以及裂缝出露后在试坑内取不同深度土样的含水率和饱和度实验(表 1),得出以下认识:①浸水前土层含水率稍高,这与浸水前期恰逢西安雨季有关;②停水当天测得的含水率明显增大,含水率最大的区域在2~5 m之间的土层,这与预先设置的渗水砂孔有关,使得这一深度范围的土层渗透比较充分;③裂缝出露当天,土层含水率下降;④浸水21天,共注水550 m3,6.0 m深度范围内土的饱和度只达64%,说明注入的水除了少量的蒸发外,大部分沿裂缝流失。

表 1 试验场地土体物理性质指标 Table 1 Index of physical property of soils in the test area
2.2.3 沉降观测标数据结果

试坑四周外布设的沉降观测标测得的数据变化很小,因此仅对试坑内的沉降观测数据加以分析。由沿裂缝点沉降标平均沉降量与时间关系曲线(图 7)可以看出,曲线可分为三个阶段:第一阶段(1~4天),浸水初期,各列平均沉降变形量很微弱,曲线靠近时间轴近乎水平;第二阶段(4~16天),属于变形期,各列平均沉降变形量呈递增的近直线形式,第16天变形量达到最大;第三阶段(16~21天),属于变形稳定期,在持续放水的状态下,各列沉降标的变形量基本保持不变,曲线水平;第四阶段(21~48天),停水期,各列标点平均沉降量在停水初期(21~24天)曲线微上扬,其后维持不变,呈水平直线状态。

图 7 各列测点的平均沉降量随时间变化曲线图 Fig. 7 Average settlement curves of each column of measuring points over time

裂缝上盘的7列沉降标(第3、4、5、6、7、8、9列)的平均变形量呈规律性变化,即距裂缝远近不同其变形量大小也不同,离裂缝越远变形量越小;裂缝下盘的两列沉降标(第1、2列)的平均变形量均较小,而第1列因紧邻试坑边受约束较大导致变形量微小,因此对其数据不做分析。紧靠裂缝上盘的第3列各标点的沉降量随时间变化的关系曲线如图 8,总体变化形式同平均沉降量曲线图是一致的,中间的标点(第2号点)变形量比靠近试坑边界的标点要大。

图 8 第3列标点沉降量随时间变化曲线图 Fig. 8 Settlement curves of the third column over time
2.2.4 分层沉降标数据结果

裂缝出露后,将场地黄土自重湿陷量计算值与分层沉降标沉降量进行对比(表 2),对比结果表明,上下盘分层沉降量累计分别为16.8 mm和15.4 mm,虽未达到理论计算的湿陷量,但土层湿陷系数与分层沉降量存在正相关性,即湿陷量系数大的土层范围,用分层沉降标测得的沉降量也大,反之亦然。

表 2 自重湿陷量计算值与分层沉降值 Table 2 Calculation of collapse and settlement of layer
3 浸水过程的沉降分析及数值模拟 3.1 沉降变形分析

通过分析监测数据得到不同浸水量下试坑平面沉降变形等值线图,文章选取三个能代表不同阶段的等值线图(图 9)进行分析。①浸水初期(1~4天):此阶段土体均匀受水浸湿,试坑沉降量还没有发生明显变化。②土体变形阶段(4~21天):试坑内出现明显的沉降变形,且在裂缝处呈现带状沉陷漏斗,沉陷区域主要位于地裂缝的上盘,最大沉降点也位于地裂缝的上盘。③停水膨胀阶段(21~48天):试坑内形成的带状沉陷漏斗愈加明显,地裂缝上下盘的不均匀沉降使隐伏地裂缝产生扩展,最终出露于地表。

图 9 试坑沉降变形等值线图 Fig. 9 Contour map of the foundation settlement
3.2 数值模拟分析

为验证上述实验结果,根据试验场地的地质环境以及土工试验数据,用有限元软件对试验过程进行数值模拟[19-20]。模型平面尺寸设计为20 m×20 m,地层剖面同试验场地地层,模拟状态为试坑内5 m深地层完全饱和后的变形沉降情况,裂缝以80°从地表贯通至地下,采用库仑摩擦,摩擦系数0.2,材料屈服准则采用Druck-ruck准则。模型分为两个区域,受浸水影响的范围定为饱和区,其他为自然区(图 10),具体参数取值见表 3

图 10 模型平面示意图 Fig. 10 Schematic diagram of the model plane

表 3 土体参数取值 Table 3 Parameters of the soil

根据西安市气候资料,西安地区年平均降雨量为600 mm左右,另据统计,从2001年开始,每逢大暴雨,部分地区积水可达1.5 m,因此特别选取浸水入渗50 m3(相当于地表积水0.5 m)、150 m3(相当于地表积水1.5 m)的地面沉降数据进行分析。

通过模拟发现,当浸水入渗50 m3时,在地裂缝的上盘出现了一个带状沉陷漏斗,位置靠近地裂缝且沿地裂缝走向发育,影响宽度4 m左右,长度近12 m,最大沉降量为11.7 mm(图 11a),从入渗25 m3至入渗75 m3,这个阶段的地表沉降量是地表累积总沉降量的67%;当浸水150 m3时,沉陷漏斗继续扩展,影响宽度达6 m,作用长度近14 m,最大沉降量已达15.8 mm(图 11b),后面虽然浸水量持续增加,但沉降量缓慢上升。

图 11 模拟地面沉降变形图 Fig. 11 Diagram of simulated ground settlement deformation

浸水550 m3后,将数值模拟获得的垂直裂缝点最大沉降量与通过试验获得的实测值进行对比(图 12),发现模拟值跟实测值的曲线形状和变形规律是一致的,即靠近隐伏地裂缝的区域沉降量最大,距离裂缝越远沉降量越小,整体呈现抛物线形的沉降模式,说明模拟结果是可信的,但因模型设计中将浸水影响区全部设定为完全饱和状态,致使数值模拟的沉降量比实测值偏大。

图 12 垂直裂缝点累积沉降量曲线与数值模拟对比图 Fig. 12 Curves of settlement between the measured and the numerical
4 场地隐伏地裂缝扩展及出露原因分析

场地地裂缝探槽揭示了隐伏地裂缝周围发育比较多的次级裂缝和毛细裂缝,因此裂缝周围土体具有多孔隙和强渗透性,地裂缝的控水性也发挥了作用(浅表层的截水、导水作用),渗水试验开始前后的含水率变化,尤其是地裂缝区域附近的含水率和饱和度的明显增大,均说明了地裂缝带周围的土体渗透性强,同远离裂缝区域土体相比会形成比较明显的渗流强化带,从而降低了土体的强度,为隐伏地裂缝的扩展延伸提供了有利的条件。由于实验采用的是定水量的注水方式,虽达不到水压致裂的条件,但水在渗透过程中提供了水力侵蚀、渗透力拖拽的作用,成为辅助隐伏地裂缝扩展的因素。试验场地属于Ⅱ级自重黄土湿陷场地,分层沉降标测得的沉降量与相应土层的湿陷量计算值呈现正相关性,即湿陷量大的土层范围,用分层沉降标测得的沉降量也大,虽因黄土浸湿程度、上覆自重压力的大小、试坑尺寸等致陷因素不足未出现预期的湿陷量,但试坑上下盘的沉降差异足以说明黄土的不均匀湿陷是诱发隐伏地裂缝扩展的主要原因。

地表水停止注入后,裂缝并没有马上出露于地表,而是在一周后出现,说明首先是浸水诱发了地裂缝的扩展,而试坑表面铺设的松散细砂(模拟地表上的松散沉积物)暂时吸收和掩盖了裂缝,随着停水后土体中的水分不断流失,土粒中的薄膜水厚度逐渐变薄,水平收缩力增强,因而在土体中产生张拉应力,当张拉应力超过土体本身抗拉强度时便会在土体内产生破裂,使得隐伏地裂缝沿着缝隙向上延伸并向两边拓宽,最终出露于地表。场地隐伏地裂缝扩展过程如图 13所示。

图 13 地裂缝扩展示意图 Fig. 13 Diagrammatic sketch of the ground fracture expansion
5 结论

(1) 水压作用和黄土湿陷作用是地表水诱发隐伏地裂缝扩展的两种主要作用机理:水压作用中的静水压力和动水压力均能使土体发生水力劈裂,使隐伏地裂缝连通直至出露;黄土湿陷作用中的地表水自上而下流入土体和地下水自下而上浸润土体均能使黄土产生湿陷差异,最终诱发隐伏地裂缝扩展并出露于地表。

(2) 在湿陷性黄土地裂缝场地完成的大型原位浸水试验及数值模拟结果分析表明,水压作用是辅助因素,因黄土湿陷作用在裂缝两侧形成的差异沉降是主要诱因,靠近隐伏地裂缝的区域沉降量最大,距离裂缝越远沉降量越小,整体呈现抛物线形的沉降模式。

(3) 今后在地裂缝通过的黄土湿陷性场地应开展定水头大型模拟试验,可以更好地获得水压作用和黄土湿陷作用诱发地裂缝扩展及延伸的机理;同时加强对地形地貌、土质情况、水量速度、水压大小等影响地裂缝扩展因素的进一步研究。

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