（地质工程专业论文）分段式柔性接头闭合框架结构跨越西安地裂缝试验研究.pdf

摘要 随着现代社会经济的发展，城市规模不断扩大，城市人口逐渐增长，交通问题日益 突出，西安市的地下铁道建设也势在必行。但是由于自然和人为等因素的作用和影响， 自上世纪5 0 年代以来，西安市区先后出现了1 3 条地裂缝带，其活动时间之长和规模之 大，在国内尚属罕见，这对正在准备建设的西安市轨道交通二号线来说无疑新增加了一 些技术要求。因此，研究地裂缝对地铁隧道结构的影响显得非常重要。 本文利用长安大学地基沉降试验场对分段式带柔性接头闭合框架结构跨越地裂缝 大型物理模型试验进行研究。通过在模型上预设裂缝，地裂缝上盘下降2 4 c m ，每天下降 2 c m ，模拟地裂缝活动，采用沉降杯、高精水准仪、钢旋式和电阻式压力盒、应变片测 试系统等测试仪器，得到地铁结构通过地裂缝带的应力应变特征、结构周边土体受力情 况和地层土体沉降特征。试验结果表明当裂缝上盘下降时，地表会出现相应的沉降和树 枝状裂缝，结构整体会向裂缝下盘方向作微小的水平位移，裂缝两侧结构相对位移明显， 土体应力是裂缝上盘大于下盘，下部大于上部，结构应力呈现边缘大，接头较其他地方 大，结构应变均呈现两端小，中间大等特点，接头两侧壁止水带发生拉裂，轨道发生变 形等结论。采用非线性有限元分析软件m s c m a r c 对物理模型进行了数值模拟，结果显 示结构最大竖直向下位移达2 6 c m ，裂缝下盘结构西端上翘4 c m ，整体向下盘移动5 - - 6 c m ， 结构接头上盘下降2 4 c m 左右，接头下盘下降3 c m 左右，相对竖向位移达2 l c m ，相对 水平位移l c m 左右，土体应力上盘大于下盘，下部大于上部，模型上部主要受拉，下部 主要受压，结构顶底部应变中间大，两端小等规律。将试验结果与数值计算作对比，结 果显示其位移、应力、应变等变化规律具有一致性。 关键词：地铁、分段式结构、地裂缝、模型试验、有限元 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ns o c i a le c o n o m y ，t h ec o n t i n u o u s l ye x p a n d i n gi n c i t y s c a l ea n dt h e g r a d u a l l yi n c r e a s i n g o fc i t y p o p u l a t i o n ，t h ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t r a n s p o r t a t i o np r o b l e mf o l l o w s ，t h e r e f o r e ，i ti sm o r en e c e s s a r yt oc o n s r t u c tt h es u b w a yi n x i a n b u tb e c a u s eo ff u n c t i o na n di n f l u e n c eo ff a c t o r s ，s u c ha sn a t u r ea n df a c t i t i o u s n e s s e t c ， s i n c e5 0 si nl a s tc e n t u r y ，13g r o u n df i s s u r e sh a v et u r n e du ps u c c e s s i v e l yi nx i a l l ，o fw h i c h a c t i v i t yt i m ei sl o n ga n dt h es c a l ei sl a r g et h a ti ss t i l lr a r ei nt h ed o m e s t i c ，u n d o u b t e d l y ，t h i s a d d ss o m er e q u i r e m e n t si nt e c h n i q u et on o 2l i n eo ft h es u b w a yi nx i a l lb e i n gi u s tp r e p a r e d t oc o n s t r u c t t h e r e f o r e ，i ti se x t r e m e l yi m p o r t a n tt os t u d yt h ei n f l u e n c eo f t h eg r o u n df i s s u r e s u p o nt h es u b w a yt u n n e ls t r u c t u r e t h i st e x ts t u d i e dt h el a r g ea n dp h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n to nt h et a p eo ff r a g m e n t a lc l o s e f r a m es t r u c t u r ew i t hs o f ti o i n t sc r o s s i n go v e rag r o u n df i s s u r ei nu s eo ft h ef o u n d a t i o ns e r l i n g e x p e r i m e n tf i e l do fc h a n g a nu n i v e r s i t y ag r o u n df i s s u r ew a sp r e - e s t a b l i s h e do nt h em o d e l ， o fw h i c hu p w a r dd i s p l a c e db l o c kd e s c e n d s2 4c e n t i m e t e r st o t a l l y ，d e s c e n d e d2c e n t i m e t e r s e v e r y d a y ，t oi m i t a t eg r o u n df i s s u r ea c t i v i t i e s ，u s i n gs u b s i d e n c ec u p ，h i g hp r e c i s el e v e l i n g i n s t r u m e n t ，t h es t e e lt u r n so nl a t h et y p ea n dr e s i s t a n c et y p ep r e s s u r eb o x ，s t r a i ns l i c et e s t s y s t e m ，e t c i nt h ee x p e r i m e n r tw ec 0 1 1g a i nt h es t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i co fs u b w a ys t r u c t u r e c r o s s i n gt h eg r o u n df i s s u r e ，t h es t r e s ss i t u a t i o no fs o i li ns t r u c t u r e sp e r i p h e r a la n dt h es e t t l i n g c h a r a c t e r i s t i co fs o i li nt h es t r a t u r n s e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h ee a r t h ss u r f a c ew o u l d a p p e a rt os e t t l ea n da p p e a rt r e eb r a n c hf o r m e dc r a c k sw h e nt h eu p w a r dd i s p l a c e db l o c k d e s c e n d s t h ew h o l es t r u c t u r ew o u l dm a k es m a l ld i s p l a c e m e n tt o w a r dt h ed o w n w a r d d i s p l a c e db l o c k ，t h et w op a r t so ft h es t r u c t u r em o v eo b v i o u s l y ，t h es o i lb o d y ss t r e s si n u p w a r dd i s p l a e e db l o c ki sb i g g e rt h a nd o w n w a r dd i s p l a c e db l o c k ，t h el o w e rp a r ti sb i g g e r , s t r u c t u r es t r e s sa p e a r e dg r e a ti nt h ee d g e ，j o i n tw a sb i g g e rt h a no t h e rp a r t s ，s t r u c t u r es t r a t a a p e a r e ds i n a i li nb o t he n ( 1 sa n dg r e a ti nt h ec e n t e r ，w a t e r p r o o f i n gz o n eo nt w os i d e sw a s p u l l e da n dc r a c k e d ，t h eo r b i tb e c a m ed e f o r m e de t c n o n - l i n e a r i t yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r em s c m a r cw a sa d o p t e dt oc a r r yo nv a l u es i m u l a t i o nt ot h ep h y s i c a lm o d e l ，s h o w i n g t h es t r u c t u r e st h el a r g e s tv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tr e a c h e d2 6c e n t i m e t e r s ，t h ew e s tp a r to ft h e f i s s u r er i s e d4c e n t i m e t e r s ，t h ew h o l em o v e d5 - - 6c e n t i m e t e r st o w a r d sd o w n w a r dd i s p l a c e d b l o c k ，t h ee a s to fi i o n td e s c e n d e d2 4c e n t i m e t e r sa n dt h ew e s t o fj i o n td e s c e n d e d3 c e n t i m e t e r s t h er e l a t i v e l yv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tr e a c h e d21c e n t i m e t e r s ，t h er e l a t i v e l y h o r i z o n t a ld e p a r t u r er e a c h e dlc e n t i m e t e r ，s o i lb o d vs t r e s si nu p w a r dd i s p l a c e db l o c kw a s b i g g e rt h a nd o w n w a r dd i s p l a c e db l o c k ，t h el o w e rp a r tw a sb i g g e rt h a nt h eu p p e rp a r t ，u p p e r p a r to ft h em o d e lw a sm a i n l yp e l l e d ，t h el o w e rp a r tw a sm a i n l yp r e s s e d ，s t r a i ni nt h et o pa n d b o t t o mo ft h es t r u c t u r ea p p e a r e dg r e a ti nt h ec e n t e ra n dt h eb o t he n d sw a ss m a l l c o n t r a s t b e w e e ne x p e r i m e n tr e s u l ta n dv a l u ec o m p u t a t i o ni n d i c a t e dt h ev a r i n gr e g u l a t i o n so f d i s p l a c e m e n t ，s t r e s sa n ds t r a i nw e r ec o n s i s t e n t k e y w o r d s ：s u b w a y ；s e c t i o n a lt y p es t r u c t u r e ；g r o u n df i s s u r e ；m o d e le x p e r i m e n t ：f i n i t ee l e m e n t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者躲彦场砷年6 月g 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：告吻 铷签名：仪 f 长安大学硕士学位论文 1 1问题的提出 第一章绪论 随着国家开发西部的力度进一步增强以及西部城市自身经济实力的不断增长，西安 作为西部大开发的桥头堡，其经济社会发展进入了一个非常重要的历史时期。加上城市 规模不断扩大，城市入口逐渐增长，交通问题日益突出，西安市的地下铁道建设也势在 必行。但是地下铁道的建设，是关系到西安6 0 0 万市民生活的大事，并且地铁的修建往 往投资大、周期长、技术要求高，所以前期必须做好充分的调查、研究准备工作，为地 铁建设的可行性、风险性、安全性、经济性提供可靠的资料。从国内修建地铁的经验来 看，在西安的大部分地区技术上都不存在什么问题。但是由于自然和人为等因素的作用 和影响，自上世纪5 0 年代以来，西安市区先后出现了1 3 条地裂缝带，其活动时间之长 和规模之大，在国内尚属罕见。因此，这对正在准备建设的西安市轨道交通二号线来说 无疑新增加了一些技术要求n 3 。 西安是我国地裂缝灾害最典型、最严重的城市。地裂缝的发生、发展对城市的规划 建设、重大工程项目的设计施工等都带来了较大的影响，而且西安作为一个世界闻名的 吉都，拥有很多具有重要历史价值的古建筑，它们都在一定程度上受到地裂缝的危害乜3 。 现在正筹建的西安市城市轨道交通二号线从北到南将穿过大部分地裂缝，而这些地裂缝 有的工程致灾状况十分严重，其中f 9 、f 6 、f 5 和f 4 地裂缝地表出露长，连续性好，活动 强烈，致灾严重地段占出露长度的7 0 以上，其他地裂缝致灾段占整个长度的5 0 以上， 这在当前世界地铁建设工程中是极为罕见的，是地铁建设史上的重大难点问题。如果不 进行深入细致的研究，将会对西安市地铁建设及建成后的地铁安全运行带来无法估量的 危害和损失。无数地铁及隧道工程的病害实例表明，地铁和隧道病害重在预防，在进行 工程地质、水文地质详细勘测的基础上，根据隧道实际条件采用先进可靠的预防病害的 设计，是做好隧道病害防治的基础和关键口町。 本文通过对西安市地铁二号线所涉及的地裂缝对分段式带柔性接头闭合框架结构 的影响大型物理模型试验研究，得出地铁结构通过地裂缝带的位移、应力应变特征、结 第一章绪论 构周边土体受力情况以及引起的地层土体沉降特征。为西安市地铁二号线的设计、施工 及安全运营提供科学的理论指导和决策依据。 1 2 工程概况 目前，西安的城市快速轨道交通网规划了6 条线，其中二号线工程( 南北线) ，北 起待建的郑州至西安高速铁路西安火车北站，向南至长安韦曲站，途经火车北站、南北 大街、长安路，线路全长2 6 4 公里。现在正在进行试验段的开挖工作。它的建设将会 给西安市的交通带来质的改变，大大缓解目前西安市交通十分拥挤的现象陌3 。 但是西安地裂缝又是影响地铁工程的一个重大问题。自上世纪5 0 年代以来发现的 地裂缝共有1 3 条，其中地铁二号线穿越了1 l 条地裂缝，地裂缝的活动将威胁地铁二号 线的安全运营。其分布范围西过皂河，东到纺织城，南起三爻村，北至井上村，面积约 1 5 5 k m 2 。它们是城北( f o ) 、红庙坡一龙首村一八府庄地裂缝带( ，2 ) 、城西劳动公园地裂 缝带( ，) 、城南和平门外地裂缝带( ，s ) 、草场坡( 秦川厂) 地裂缝带( ，s ) 、小寨路 ( 铁炉庙) 地裂缝带( ，) 、大雁塔一北池头地裂缝带( ，8 ) 、电视塔北陕师大地裂缝带 ( ，) 、新开门至电视塔南地裂缝带( _ ，o ) 、南寨子一新小寨地裂缝带( z ，) 和东三爻 一曲江池地裂缝带( ，1 2 ) ，其中6 和9 地裂缝的南侧还各发育一条次级地裂缝，6 和，9 地 裂缝，歹l 和歹4 地裂缝没有穿越地铁二号线u 1 。 西安地铁二号线沿线地裂缝位置分布如下图1 1 。 2 长安大学磺士学位论文 圈1 1 西安市地长二号售与地袭缝位置分布田 1 3 本文研究的目的、意义和方法 13i 研究目的 西安作为世界历史文化名城，从城市的定位和城市功能考虑，修建地铁对于扩大城 市规模，拉大城市骨架，优化城市布局保护古城风貌，减少中心市区人口密度，增强 城市功能和城市人防能力，缓解城市交通供需矛盾，改善城市交通结构构筑城市综合 交通体系具有重要的作用。但是由于西安市区先后出现r1 3 条地裂缝带，其活动时间 之长和规模之大，在国内尚属罕见。地裂缝所到之处，致使不少地面建筑物和地下设施 遭到破坏，迄今为止已造成数亿元的直接经济损失。不仅如此，由于地裂缝还在不断发 展中，并出现新的地裂缝带，严重地制约了城市建设用地的有效利用和城市建设规划发 展，为城市工程建筑留下了重大的灾害隐患。在以往地表工业与民用建筑物设计时对地 裂缝带均采用避让的方法，但是地铁工程不同于工业与民用建筑，无法避让，必须穿越 丁磐卜，韵蒙荔 第一章绪论 这些地裂缝带，并且不允许建成后出现影响运营安全的事故。因此，本文采用分段式结 构来研究跨地裂缝问题。 本文采用大比例尺( 1 ：5 ) 的单层分段式结构模型( 分为两段，每段长度为5 o r e ) ， 研究西安典型地层埋深2 0 o m 范围地裂缝活动对设有沉降缝、有柔性接头连接的单层闭 合框架结构的影响，包括土与结构接触压力、结构附近土体内应力和变形情况。 通过上述结构模型试验的研究，为地铁二号线经过地裂缝地段采用明挖法的隧道结 构设计提供试验依据。 1 3 2 研究意义 地铁隧道深埋置于地表以下一定深度的地质体中，它既以地质体为环境，又以地质 体为介质、结构或部分结构，它的安全、经济和正常使用与其所在的地质环境有着密切 的联系随1 。西安位于渭河盆地中部，盆地内活动断裂发育，历史地震活动频繁，市区地 裂带、地面沉降活动强烈。因此研究地裂缝活动对地铁结构的影响对工程的设计、施工 以及今后的安全运营有着十分重要的现实意义。 通过模拟地裂缝活动对结构的影响试验，可以查明结构本身以及周围土体变形特 征，这对如何有效地解决好地铁穿过地裂缝的工程结构措施及防水措施问题，具有十分 重要的参考价值。 目前，对于西安地裂缝的研究很多。但是针对该问题的国内外研究很少，所以，本 文所涉及的模型试验研究更是具有一定的开创意义。 1 3 3 研究方法 模型试验是一种模拟实际工程情况行之有效的方法，它能探索许多运用数学分析方 法不易解决的问题，诸如岩土体在弹性、塑性、粘性范围直到破坏的机理，以及运动与 动力学等问题，其参数选择具有可控性和灵活性，研究周期较短。它还可以通过有限元 方法进行数值模拟，可以使理论计算与模型试验相结合来解决实际工程问题m 随1 嘲n 们。 本文在相似理论的指导下，通过试验升降平台模拟地裂缝的上盘下降，测量并分析 结构中不同点处应力应变大小和分布规律、结构周围土体中各变形控制点的竖向位移， 土体所受压力大小的变化过程、分析结构的位移和变形并与有限元计算理论结果作对 4 长安大学硕士学位论文 比、验证。本文技术路线框图如图1 2 所示。 1 4 研究现状 图1 2 技术路线框图 地裂缝是地形变的一种特例，属于一种宏观地表破坏现象。地裂作用所形成的地表 裂缝是一种由内、外营力以及人类活动等因素的作用引致发生的一种地面破裂现象幻。 自1 9 6 6 年邢台地震以后对地裂缝的调查与研究已大量增多。在不少地区地裂缝穿过多 类建筑物，使建筑物损坏、道路开裂、切错管道，造成了很大的损失；还不时在出现地 裂的地区发生有大地震的传闻。因此地裂缝已成为一种被人们重视、具有一定普遍意义 的、独立的地质灾害类别。 5 第一章绪论 1 4 1国外研究现状 与世界上其它国家相比，美国是地裂缝研究开展得较为广泛、深入的国家，它对地 裂缝的系统研究始于上世纪5 0 年代，至今已经对地裂缝的成因模式获得了综合性的认 识。目前，美国的地裂缝研究主要集中在位于其国土西南部构造活动比较活跃的盆地和 谷地中，包括了亚利桑那、加利福尼亚、得克萨斯、内华达及新墨西哥等州。且这一地 区还存在着由于长期超采地下水导致的显著的地面沉降。因此，对地裂缝成因的认识就 形成了以下三种不同的观点： ( 1 ) 构造成因：构造成因观点最早由l e o n a r d ( 1 9 2 9 ) 提出，他在对出现于亚利桑 纳州p i c a c h o 城附近的地面异常开裂现象进行研究后，认为是地震活动导致地裂缝的产 生。之后的一些学者，如s a v a g e ( 1 9 6 6 ) ，k r e i t l e ( 1 9 7 7 ) ，f l e i s c h e r ( 1 9 8 2 ) ，w y a t t ( 1 9 8 2 ) ，r o q u e m o r ( 1 9 8 2 ) ，l i p p i n c o t t ( 1 9 8 5 ) 及h o l d a h l ( 1 9 8 6 ) 等也都支持构造 成因观点心1 。尽管他们对成因机制的解释不尽相同，但都认为非构造因素对地裂缝的影 响是间接的，而构造活动才是导致地裂缝形成的直接控制因素。 ( 2 ) 地下水开采成因：开采地下水导致的地层附加变形一直以来都被许多研究者 认为是地裂缝形成的主要因素，但是对这一过程的机理却产生了很多不同的解释，人们 从各种不同的角度建立了相应的理论分析模型，提出了不同的土体开裂机理。s c h u m a n n 等( 1 9 7 0 ) 对f e t h ( 1 9 5 1 ) 的研究进行深化后，提出基岩表面形状的突变或具压缩性土 层厚度分布的明显差异，导致了松散土层的差异压密沉降，从而在地表压密沉降差异大 的部位形成拉张应力集中，进而产生开裂变形。此外，n e a l 等( 1 9 6 8 ) ，h o l z e r 和d a v i s ( 1 9 7 6 ) 在研究了地裂缝与地下水位的关系，以及地裂缝发育区水位下降与排水的关系 后，认为由于水位下降引起上部土层失水后在水平方向发生收缩是地裂缝产生的主要原 因。近年来，内华达洲地质矿产局( n e w o ab l 珏也a t o f m n 呕sa n dg e o l o g y ) 在 地下水开采引起的地层附加变形和相关灾害方面的研究颇具代表性，它们不仅注重地面 沉降及地裂缝与地下水位的长期观测研究，而且一直致力于相关基础理论的探索并取得 了许多突破性的成果。d ch e l m 于1 9 8 7 年以微分方程形式给出了储水层质量守恒方程， 并籍此建立了l a sv e g a s 谷地的地裂缝概念模型n 1 1 。 ( 3 ) 复合成因：自2 0 世纪7 0 年带起，美国地质学会等一些机构对地裂缝的形成机 制进行了系统研究。h o l z e r 等通过对采集到的地裂缝和地面沉降数据的分析，并综合考 虑地质环境背景后，得出该地区的构造活动和地下水开采是影响地裂缝形成及活动的最 6 长安大学硕士学位论文 主要因素。h o l z e r 将地裂缝的形变过程分为：产生平行裂面位移的错断( f a u l t ) 和产生 垂直裂面位移的开裂( f i s s u r e ) 两种不同形式。在此基础上，h a n e b e r g ( 1 9 9 3 ) 又进 一步将地裂缝的成因模式分为：开裂模式( o p e n i n gm o d e ) ，剪裂模式( s h e a r i n gm o d e ) 及撕裂模式( t e a r i n gm o d e ) 三种类型。随着对地裂缝复合成因机制认识的不断深化， 各种关于含水层运动和地裂缝关系的计算理论相继形成。在此基础上，内华达洲地质矿 产局( n e v a d ab u r e a uo fm i n e s a n dg e o l o g y ) 的d ch e l m 等人建立了“含水层上力学一 这样一个新的分支学科，籍此来描述土层内流体的运动对地层变形的影响。目前，一些 相关灾害的预测预报方法也被提出，但其具体的实用价值还有待时间的检验。 除美国外，南美地区的墨西哥，东非的埃塞俄比亚，亚洲的菲律宾、日本、泰国等 国家也都开展了不同程度的地裂缝观测和理论研究，总结了当地地裂缝发育的影响因 素，对这些地区的防灾减灾起到了一定的指导作用。 1 4 2 国内研究现状 王景明教授经过2 0 多年的悉心探索研究和艰苦的科学实践，获得了一系列重要发 现，形成了一系列独到的见解，掌握了地裂缝形成、发展和分布的规律n 引。王景明教授 研究总结得到，现在活动的地裂缝主要集中在大华北地区，东北和华东地区也有零星出 现。近2 0 余年来，因地裂缝造成的灾害频繁发生，给国民经济造成了重大损失，仅大 同市就达6 3 亿元；西安市高达1 6 9 亿元，据王景明教授估算，全国由于地裂缝造成的 经济损失约9 1 2 5 亿元。同时，地裂缝也是一个重大的工程地质问题，越来越受到重视。 2 0 世纪7 0 年代唐山大地震后，出于鉴别震兆的目的，我国的地裂缝研究广泛开展， 目前的研究的水平很高，所涉及的区域也十分广泛。我国的地裂缝灾害较为集中的分布 在由汾渭地堑系、华北平原地堑系、郊庐断裂系和大别山北缘断裂系所组成的大华北地 质构造带上，其中汾渭盆地地裂缝最具代表性，并且也是目前研究水平最高的。关于汾 渭地堑地裂缝的成因，被认为是这一区域的新近构造活动的产物( 李永善1 9 8 6 ，王景明 1 9 8 9 ) ；另有部分学者认为它是构造活动、人为因素和外力作用叠加影响所致，但也认 同构造作用在裂缝形成过程中的重要作用。 在城市地裂缝灾害研究方面，西安、大同和邯郸等地裂缝出现较早、发育时间较长 的城市一直是灾害研究的重点地区，其中尤以西安的研究水平最高。西安是我国地裂缝 灾害最典型、最严重的城市，相关的科研机构和学者从不同的角度出发，对西安地裂缝 的形成机制进行了深入的探讨，目前比较认可的一种是西安地裂缝的活断层与人工抽水 7 第一章绪论 沉降双重成因模式。关于西安地裂缝成因机制方面的研究，刘国昌( 1 9 8 4 ) 、张家明 ( 1 9 8 6 ) 、吴毅加( 1 9 9 0 ) 、李永善( 1 9 9 2 ) 、彭建兵( 1 9 9 2 ) 、王兰生( 1 9 9 4 ) 、刘玉海 ( 1 9 9 4 ) 、及徐光黎( 1 9 9 6 ) 等都提出过各自的概念模型，虽然具体过程有所差异，但 都认为地裂缝的形成是由基底的伸展断裂系叠加了区域拉张应力场后，由城市的地下水 过量开采诱发形成n 钉。 在区域地裂缝的成因机制研究的基础上，随着人们对城市地裂灾害认识的逐步深 化，有关地裂缝活动规律预测预报方面的研究也取得了一定进展。冯希杰( 1 9 9 0 ) 根据 地裂缝活动的实测数据，应用静力位错理论分析了地裂缝诱导的垂直位移场，对地裂缝 两盘在一定时间段内的位移幅度进行预测，给出了未来地裂缝带上的垂直活动量。李新 生( 1 9 9 4 ) 和徐光黎( 1 9 9 6 ) 等还利用v e r h u l s t 模型分别对西安地裂缝和地面沉降活 动的时间规律进行了预测n 射。此外，陕西地矿局和中国地质大学采用信息量方法提出了 西安地裂缝活动的空间预测预报模型，并根据模型计算的结果编制了西安地裂缝活动程 度空间预测图( 1 9 9 0 ) ，对西安市未来不同地块的地裂缝灾害发育烈度进行了有意义的 评价。 近年来有关专家得到国家自然科学基金资助，对我国部分地区地裂缝属性、分布、 活动特征、成因和成灾机制，灾害效应与对策进行了长达2 0 年的系统研究，随着人们 对地裂缝灾害重视程度的不断提高，以及各种现代化手段在研究过程中的应用，开展对 地裂缝现象致灾机理、成灾环境，以及减灾对策和工程治理措施的研究是地裂缝研究今 后的发展方向n 副。 长安大学硕士学位论文 第二章西安地裂缝的工程性质及其危害 2 1 西安地裂缝分布及其活动特征 2 1 1西安地裂缝的空间分布特征 西安地裂缝是在地质环境控制下，空间上具有三维变形特征的地表线状裂缝，它是 发育在西安市区内的一种独特的城市地质灾害。 西安地裂缝在平面上具有明显的方向性、成带性、似等间距性、位错同步性和多级 性以及剖面上的结构组合形式多样性等展布规律n 1 。( 张家明，1 9 9 0 ：彭建兵，1 9 9 1 ；易 学发，1 9 9 7 ：等) 。 ( 1 ) 方向性 西安市地铁二号线沿线所通过的1 1 条地裂缝带的总体走向为n e7 0 。 - 8 0 。，局 部地段的地裂缝走向为n w ，n n e 和e w 向，均位于古黄土梁南侧的坡脚下，无论黄土 梁的高度如何变化，也不管黄土梁的局部走向如何改变，地裂缝总是与其相伴相随。而 在这一特定构造地貌之外的部位，至今尚未发现一条确切活动的地裂缝。也就是说，这 些地裂缝与黄土梁二者之间存在成生关系。 ( 2 ) 成带性 西安地裂缝是在西安正断层组的基础上发育起来的，由南而北在黄土梁洼之间有规 律排列，呈带状分布。它们一般都由主裂缝及其下降一侧的次级裂缝组成地裂缝带，带 宽3 - - - - 8 m ，局部可达2 0 - 3 0 m n l 。 ( 3 ) 似等间距性 各条地裂缝带大体呈等间距近似平行排列，间距为0 4 - 2 。l k m ，平均约l k m ( 西安 市地震局地裂缝研究组，1 9 8 6 ) 。这特征反映了控制各地裂缝带的先存断裂具似平行 等间距性特征。 ( 4 ) 位错同步性 地铁二号线沿线所通过的地裂缝带中除f 1 2 一东三爻一曲江池地裂缝带、f l l 一南寨 子一新小寨地裂缝带、新开门至电视塔南地裂缝( f 1 0 ) 和电视塔北陕师大地裂缝( f 9 ) 四条地裂缝带外，其余7 条地裂缝的南盘地面皆向东错移，其水平位错量为0 一- 5 c m ：裂 面皆向南倾，南盘地面下降1 0 - - 1 4 2 c m ；单缝张开1 - 、一8 c m ，实为一个三维活动位移场， 9 第二章西安地裂缝的工程性质及其危害 其中南侧下降最大，张量次之，左旋扭量最少，三者之比在1 9 7 6 - - 1 9 8 9 年为1 0 ：3 ：0 8 ， 近年三者之比为3 ：1 ：( 注：指在测量误差之内) ，表明这些地裂缝位错活动现状是 以南盘下降为主的n 铂。 ( 5 ) 多级性 作为西安地裂缝主体的这些n e e 向地裂缝具有显著的多级性，同级地裂缝走向相 同，侧列再现首尾相接，排成左行雁列式，组成高一级的地裂缝带，实为剪切破裂带。 这种现象在西安地裂缝出现的早期尤为明显，与唐山7 8 级地震主破裂带地裂缝现象颇 为相似( 王景明等，1 9 8 1 a ) 。对于各级地裂缝而言，皆由次一级的羽状张扭性地裂缝组 成n 铂。 ( 6 ) 剖面结构组合形式的多样性 西安地裂缝带在剖面上的形态一般为上宽下窄的楔形，向下逐渐消失，最深达百余 米。剖面上呈舒缓波状，倾角均大于6 0 。，倾向南。而且西安地裂缝大多是由主地裂缝 和分支裂缝组成的。少数地裂缝则伴生主地裂缝、次生地裂缝和分支裂缝。次生地裂缝 分布在主地裂缝的南侧，总体倾向北西，主干地裂缝与次级地裂缝在剖面上的组合形式 具有多样性的特点，大致概化为以下四种：追踪式( 图2 1a ) 、阶梯状( 图2 1 b ) 、“y 型( 图2 1 c ) 和侧羽状( 图2 1 d ) ，其中“y 型颇具构造意义，它是地裂缝南盘下降、 北盘上升的垂向剪切作用在地表自由面上产生末端张裂效应的结果( 彭建兵，1 9 9 1 ) 。 王一 脓西耳报社 缝遗踪武翻萄图 图2 1 西安地裂缝带削面组合形式圈( 据彭建兵1 1 ) 1 0 西h 报社地裂 倒羽状锕面鼹 长安大学硕士学位论文 2 1 2 西安地裂缝活动特点 根据1 9 8 9 年以来所监测的各条地裂缝年平均垂直活动速率的资料，将这些地裂缝 活动划分为四级：活动强烈，速率 3 0 m m a ；活动较强烈，速率2 0 - - - 3 0 r a m a ： 活动中等，速率5 - - 2 0 m m a ；活动微弱，速率 5 m m a 。这些地裂缝的垂直沉降速率 以5 - - 3 5 n u r d a 居多，最大达5 5 0 6 m m a 。就其活动特点而言，西安市地铁二号线所经过 的这些地裂缝带具有较明显的周期性、活动速率的不均匀性、突变性、活动方式的一致 性和正断性。 ( 1 ) 周期性 据已有的跨地裂缝带水准变形监测结果及研究资料，地裂缝的活动具有明显的周期 性。地裂缝活动存在着由活跃期和隐伏期组成的活动大周期，大周期与地震活动有较好 的对应关系，完整的大周期为4 0 0 - - - , 7 8 0 a ；中周期为2 0 - - - , 2 4 a ；短周期与承压水位动态变 化基本一致，约3 - 4 个月，即每年1 - 3 月的地裂缝带活动速率较小，而7 - - 1 0 月速率 较大，与西安市地面沉降速率年内变化规律基本一致，这主要是由于随季节变化，市区 超采地下水引起承压水位下降从而导致地面沉降，进而加剧地裂缝活动所致n 幻。 ( 2 ) 活动速率的不均匀性 地裂缝的活动为一缓慢的蠕动过程，主要表现为主地裂缝的南侧( 上盘) 下降，北侧 ( 下盘) 相对上升，且上升与下降速度不同。次生地裂缝则与之相反。 现有的监测资料表明，地裂缝活动速率在时空上分布不均，西安市东南郊一带活动 速率高，一般在5 - - 3 0 m m a ，西北郊相对较弱在i - - i o m m a 之间。同一条地裂缝不同 地段活动强度也有差异，总体规律是西部较弱，中部较强或强，东部强烈。而西安市地面 沉降资料进一步证明了这一点，西安市地铁二号线所经过的市区地面沉降速率从北向南 逐渐增大，而从东向西则逐渐减小，其总体表现为从西北向东南递增。市区西北部的地 面平均沉降速率为1 2 - 2 7 m r n a ，东南部则达i i 0 - 5 5 5 m m a ，这与地裂缝带活动速率 不均匀性的空间分布一致。西安市地铁二号线沿线地裂缝中以6 、f 6 、f 7 和f 9 三条活 动相对强烈，其他活动相对较弱n 1 。 ( 3 ) 突变性 据以往的仪器监测资料表明，地裂缝活动过程中常出现突变，这种突变常常与地震 活动密切相关。如1 9 9 8 年1 月5 日泾阳县永乐镇4 8 级地震时，西安电子城地裂缝仪器 自动监测曲线出现明显的突跃点。这说明地震有明显加剧地裂缝活动的迹象或趋势n 铂。 第二章西安地裂缝的工程性质及其危害 ( 4 ) 活动方式的一致性 地裂缝带基本具有统一的三维空间运动变形特征，即南倾南降的垂直位移、水平引 张和水平扭动。其中以垂直位移量为最大，南北拉张量次之，而水平错动量则很小，三 者之比为1 ：o 3 1 ：0 0 3 。据1 9 8 9 年5 月至今的监测资料，这1 1 条地裂缝中以f 6 、f 5 和f 4 等3 条活动量最大，其活动方式以张裂倾滑为主，兼具左旋走滑，垂向活动速率 以5 - - ，3 5 m m a 居多，最大达5 5 - - - 6 0 m m a ；水平引张速率大体为垂直活动速率的1 3 ， 活动速率为2 - - 1 0 m m a ，最大达1 4 m m a ；而水平扭动速率比垂直活动速率小l 2 个数 量级，最大速率为3 1 6 m m a 。 ( 5 ) 正断性 主地裂缝带均表现出南倾南降的正断活动特征，并以张性或张扭性裂缝出现。 2 2 西安地裂缝成因机制 西安地裂缝的成因最初有三种说法：抽水成因说、构造成因说和二者迭加说n 融。 但是关于西安地裂缝成因的最早观点认为地裂缝是由于过量抽取地下水导致地面 大面积沉降而引起的，在差异沉降陡变带上，由于两侧变形差大于岩土体的极限应变而 产生了地表破裂。 后来许多学者从不同角度对西安地裂缝的成因机理进行了研究，提出了地裂缝的构 造成因观点如断块掀斜成因( 张家明) 和构造重力扩展成因等。 近年来越来越多的学者趋向于西安地裂缝的形成是以隐伏断裂构造的发育为基础， 过量开采地下水为诱因的成因观点( 王绍中，1 9 8 5 1 肖箐英等，1 9 8 9 1 夏其发等，1 9 9 0 1 彭建兵，1 9 9 2 ) ，也就是说西安地裂缝是构造作用和抽取地下水共同作用的结果。但二 者的作用不同，地裂缝是土层中的剪切破裂带在近地表处的扩展延伸，但其超常活动却 是由于过量抽取地下水，使弱透水层( 粘土层) 压缩而改变土层中的应力状态所引起的 ( 彭建兵，2 0 0 4 ) 。由于1 9 9 6 年以后西安地区逐步关闭了大批地下水井，限采地下水， 地裂缝活动量明显减小，以及近几年局部超采地下水明显引起地裂缝活动加剧( 如a ) 等特点进一步证明，西安地裂缝的现今异常活动主要与超采地下水有关。 因此我们可以认为西安地裂缝的形成机制大致可以总结为以下两点g ( 1 ) 西安断陷位于渭河断裂以南，秦岭北侧断裂以北，哑柏断裂以东，i i 缶潼长安大 断裂以西的广大冲、洪积平原地区。西安处于渭河盆地的中部、西安断陷的东南隅。北 1 2 长安大学硕士学位论文 以渭河断裂为界，东南以临潼一长安大断裂为界，其中临潼一长安断裂在近代具有很强 的活动性。控制着西安地裂缝的发展，目前己查明的1 3 条西安地裂缝均位于该断裂i l s y 两者走向一致，组成了统一的断裂系统，并影响了西安地区黄土梁洼地貌的地形变化“。 ( 2 ) 上世纪9 0 年代以前，西安市的城市用水全部取自地下水，而且城郊和许多单位 尚有数百口白各井，集中开采埋深1 0 0 3 0 0 m 的深层承压水。由于长期的过量抽汲同一 层位的承压水使医域水位下降，由此引发深层承压含水层的压密，使该时期内抽水引起 的地面沉降量大于构造活动沉降量，出现了严重的地面沉降，并加剧了西安地裂缝的发 展。 23 西安地裂缝的工程危害 2 31 西安地裂缝对城市建设的危害厦灾害特征 地裂缝是西安的主要城市地质灾害。上世纪6 0 年代以来的长期活动造成r 建( 构) 筑物及城市设施不同程度的破坏。如：地表破裂，管道锚断或变形，建筑物开裂等，给 城市建设带来了严重的危害如图22 和图23 所示1 。6 0 年代建于地裂缝之上的许多 房屋变形严重，影响使用，不得不拆除。许多已规划的建筑物因场地分布地裂缝不得不 重新规划，由于地裂缝分布，使其附近主要影响范围内的许多土地不能充分开发利用。 据1 9 9 8 年前统计数据，西安地裂缝所过之处楼房及厂房毁坏2 0 0 多座，道路7 0 多处， 名胜古迹8 处，错断供水、供气管道4 0 多次，累计损失上亿元。 孽，f 彳藿 。7 下! ! 一 f 翎甲暇 ， ，一一、二j 田z2 西北大学留学生楼西墙开裂( 镜向：末) 田2 3 西安电磁线厂地面错袭( 镜向：北) 西安地裂缝作为一种地表地质灾害现象，它与人类工程活动的关系是不言而喻的 “。地裂缝作用可以由剪切、拉伸严重地破坏或摧毁结构物，也可能在很大程度上影响 地基物质的物理性能，或者降低其强度，或者改变其渗透性。 一一。一 警一 第二章西安地裂缝的工程性质及其危害 一般来说，西安市地裂缝带对地面建筑物的危害可以通过避让、基础加固等方法得 以消除和降低，然而对分布范围极广的城市生命线工程如道路、桥梁( 立交桥) 以及城 市地下管网等的危害是无法避免的。就西安市地裂缝对城市道路的破坏而言，在西安城 市路网中就有数十处之多，随处可见，破坏中横向破坏占绝大多数。初期路面开裂、上 盘沉降，在道路上形成路坎，随后逐渐形成一道凹槽，严重影响了交通运营质量。 纵观以往西安市城市建设中的地裂缝灾害的表现形式，西安市地裂缝灾害大致具有 如下几个明显的特征： ( 1 ) 三维空间的有限性 地裂缝灾害的三维空间有限性，主要是指地裂缝致灾范围仅限于地裂缝带的影响空 间之内，对远离地裂缝带的外围地段和更深处不具辐射作用( 刘玉海等，1 9 9 4 ) 。并且在 地裂缝范围内，