隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验研究

2020-04-25杨亚磊韩文卿卢全中

甘肃科学学报 2020年2期

杨亚磊,韩文卿,卢全中,2,曹兴

(1.长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安 710054; 2.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西西安 710054)

地裂缝灾害在世界许多国家均有出现,在我国的华北平原、汾渭盆地和苏锡常地区尤为严重[1-3]。其中,西安地裂缝灾害具有强烈的代表性,自20世纪50年代以来,西安地区出露的地裂缝已经有14条,延伸长度超过200 km,给城市轨道交通建设和人们正常的生产活动都造成了很大的影响[4-6],成为了一种独特的城市地质灾害。近年来,随着人类活动的加剧,在偶发因素作用下一些新的地裂缝不断产生[7-8]。

在早期的地裂缝模型试验中何刚亮等[9]采用构造蠕动地裂缝模型试验装置近似模拟了由雁行排列裂缝组成的西安裂缝带,试验过程中剖面出现了反倾裂缝和地表形成了一定宽度的破碎带。21世纪以来,以文献[10-13]为代表的长安大学研究团队就西安地裂缝设计了多组大型物理模型试验,进一步研究了地裂缝在工程建设中的影响。隐伏地裂缝的理论研究开展较晚,宋继文等[14]认为地表水活动是地裂缝产生和发展的主要因素。陈立伟[15]模拟了地表差异沉降引起的隐伏地裂缝向上破裂扩展和上升盘近直立裂缝的产生和发展。

虽然西安地裂缝的分布、活动特征和地表影响范围都已有大量的研究,为西安城市规划以及地下空间建设提供了良好的保证,但是对隐伏地裂缝的扩展过程,以及深部剖面形态及深部不同层位的破裂网络与影响范围还不清楚。

1 物理模拟试验方法

1.1 实验装置与原理

模型试验装置箱体尺寸5.0 m×1.5 m×3.0 m,最大沉降高度30 cm,下部装置由3组特制千斤顶组成,两侧主视面采用透明的钢化玻璃,外围采用高强度的钢梁固定。为模拟正断层隐伏地裂缝两侧土体活动性质,试验模型在箱体底部设置拼接缝,人为控制预设裂缝一侧的整体下降,以模拟沿裂缝的破裂扩张的特性。

1.2 模型设置与测试原件布置

(1) 模型设置模型试验材料为经2 mm孔径细筛的西安附近的黄土,试验模型采用填筑夯实土层。试验设置土层长5 m,宽1.5 m,高1 m。预设裂缝倾角60°,夯实过后重塑土的岩土力学参数见表1。

表1 重塑土岩土力学参数

(2) 测试原件布置土层顶部位移监测通过布置位移计监测,土层内部的应力监测通过埋设土压力盒。

位移监测采用了2条测线,相距0.5 m,各测试原件水平相距30 cm,其中1条垂直布置,另1条水平布置,如图1所示。

应力监测布置2个剖面,剖面相距0.4 m,每一个剖面采用2条测线,2条测线相距0.5 m,各测试原件水平相距30 cm,其中2条测线1条垂直布置,另1条水平布置,如图2所示。

图1 土层顶面的位移计平面布置(单位:cm)Fig.1 Displacement floor plan for the top surface of soil layer (unit:cm)

图2 压力盒布置(单位:cm)Fig.2 Pressure box layout (unit:cm)

1.3 模拟试验步骤

先在底层土(厚20 cm)预制土层裂缝,预设裂缝中充填松散的细沙,细沙与裂缝铺设光滑的塑料薄膜。模型土填筑过程中尽可能控制土层性质的均一性,采用分层填筑,每层填土按15 cm夯实至10 cm,土压力盒15 cm范围内让其自动挤密,在每分层土层边缘撒一薄石膏粉作为分层标志,以便后期观察。模型试验完成后,调试各个监测装置系数并记录初始数值,之后进行试验的动力系统测试,模拟试验速率4 mm/h,沉降过程不间断,该试验共沉降4 cm,沉降结束后静止6 h,并且继续监测记录数据。

2 实验结果分析

2.1 平面破裂状况

模型土体表部的破裂概况如图3所示。在模型试样平台下降6 mm时,顶部位移计数据开始产生变化,平台下降10 mm,模型试验下盘出现了一条平行于预设裂缝方向的裂缝,在平台下降过程中,裂缝张开度随平台下降高度的增大有显著的增大,在平台下降3～4 cm,裂缝的张开度变化不明显,最终宽度为20～30 cm。从f1裂缝表面土层沉降量来看,两侧土层垂直位错量不明显,推测f1为拉张裂缝。

2.2 剖面破裂状况

由模型箱两侧剖面观察到模型土体整体的破裂状况,如图4所示。主要产生了f1和f2 2条裂缝。

图3 模型顶部破裂素描图Fig.3 Model top crack sketch

从两侧裂缝剖面看,f1裂缝近直立发展,但是并未与预设裂缝贯通。裂缝产生时间为平台下降2.5 h,即平台下降10 mm,出现位置在预设裂缝的下盘,距预设裂缝10 cm左右,最终f1裂缝在地表处张开度最大为30 cm,随裂缝向下延伸逐渐变小,直至消失。在平台下降至2 cm过程中,裂缝向下扩展深度和裂缝宽度同时增加,深度达到了30 cm,在平台下降2～3 cm时,裂缝延伸深度几乎保持不变,但裂缝宽度缓慢增加,当下降盘下降>3 cm,裂缝向下延伸深度和裂缝张开度迅速增加,且逐步向裂缝尖端靠近,最终f1裂缝深度达到了80 cm。

图4 破裂扩展剖面素描图Fig.4 Crack expansion profile sketch

f2裂缝为反倾裂缝,主倾角为42°,由预设裂缝尖端逐步向上盘延伸,至模型顶部时趋于变缓,f2裂缝在平台下降6～8 mm时就开始产生,在平台下降至2 cm过程中,裂缝先快速向上盘发展然后趋于稳定,宽度先保持不变再缓慢增加。在平台下降>3 cm时,f2裂缝宽度逐渐变小,两侧土体破裂加剧,且在裂缝一侧产生了几条长度约10～40 cm、宽度2～8 mm的小裂缝,说明两侧土体受挤压和剪切作用明显,由两侧剖面观测,f2裂缝在水平影响宽度达到了180 cm。

模型顶部土层垂直和水平位移变化如图5所示,不同深度土层内水平和垂直压力变化分别如图6和图7所示。

由图5显示,裂缝地表变形与实际观测相吻合,即在预设裂缝下盘垂直位移和水平位移都相对变化较小,且距离预设裂缝越远则变化越不明显,但在预设裂缝两侧都出现了明显的位移,在下盘靠近裂缝约45 cm处直至预设裂缝,土体的变形逐渐加大,垂直位移数据随平台下降而逐渐增大,最大数值达到了8.11 mm,水平位移数据也随平台的下降数据逐渐加大,最大数值达到了0.26 mm。预设裂缝下降盘由于随平台的下降,出现了较大的垂直和水平位移变形,在平台持续下降8 h时,垂直位移最大达到了3.8 mm,水平最大位移1.5 mm,在静止8 h后最大垂直位移达到了14 mm,水平最大位移为4.5 mm。由此说明地裂缝的下降盘比上升盘在地表的位移变形中都更加明显,在裂缝两侧下降盘的影响带宽度也大于上升盘的影响带宽度,且地裂缝在活动后也会存在较长的稳定时期,所以在实际工程建设中应该要避开影响带。

图5 模型顶部位移变化曲线Fig.5 Model top displacement change curve

图6 竖向应力变化曲线Fig.6 Vertical stress change curve

图7 水平应力变化曲线Fig.7 Horizontal stress change curve

由模拟试验压力盒数据分析可知,在进行实验时,各层的压力盒几乎保持在一条直线,说明埋设压力盒数据正确。在下降1 h内,压力盒数据较开始时数据都显著下降,分析原因是采用强夯方法填筑时在土体内附加应力的释放,垂直压力分析见图6。随平台的下降,在预设裂缝位置垂直压力分别向两侧减小,分析原因为随平台的下降,垂直于预设裂缝上侧的土体相对发生挤压,而两侧的土体都相对发生松动,且埋深越浅影响宽度越大,水平压力分析见图7。随平台下降,在预设裂缝两侧水平应力都会由上盘向下盘逐渐减小,分析原因为随平台下降在上盘中出现了拉张裂缝,土体发生了水平方向发生了挤压,在下降盘中由于反倾裂缝的向上扩展,土体发生松动。

2.3 破裂过程分析

对试验结果分析,正断型隐伏地裂缝的破裂扩展为地裂缝尖端拉裂阶段,裂缝的形成发展阶段,裂缝贯通阶段如图8所示。

(1) 地裂缝尖端拉裂阶段(见图8(a)):在下降盘下降0～6 mm阶段中,模型箱内土体整体发生变化较小,但在隐伏地裂缝尖端土体发生了土体相对错动,出现了一些细小裂纹,裂纹主要方向与隐伏地裂缝相反,且有相互连通迹象。

图8 隐伏地裂缝的破裂扩展过程Fig.8 Crack expansion process of buried geofracture

(2) 裂缝的形成发展阶段(见图8(b)):在平台下降过程中f2反倾裂缝较早形成于f1垂直裂缝,在平台下降至1～2 cm时,f1和f2裂缝的深度和宽度都在较平稳的发展阶段,但f2裂缝一侧土体出现明显的位错,伴随产生了许多细小的裂缝,说明f2裂缝两侧土体受到了拉裂作用,平台下降至2～3 cm时,f1裂缝的延展深度和张开度几乎保持不变,f2裂缝依然随平台的下降高度向上延伸。

(3) 裂缝贯通阶段(见图8(c)):在平台下降>3 cm过程中,f1裂缝迅速向预设裂迅速延伸,宽度也明显加大,几乎快要与预设裂缝形成贯通,f2裂缝虽仍然向地表延伸,但f2一侧形成细小裂缝与f2形成贯通,可以看到明显的破碎带。