（地质工程专业论文）西安地裂缝工程灾害机理模式及防治对策研究.pdf

摘要 地裂缝灾害是西安市主要的环境地质灾害问题。自2 0 世纪5 0 年代以来，在西安城 区发现的地裂缝已达1 4 条之多，迄今为止已造成四十亿元的直接经济损失，而且西安 地裂缝还在不断出现和发展，严重地制约着城市建设用地的有效利用和规划发展，也为 城市工程建设留下了重大的灾害隐患。因此，开展地裂缝的成因和致灾机理研究，制定 经济有效的防治对策是西安市急待解决的重大地质灾害难题。 目前，西安地裂缝的发育分布特征和活动特点等已经被人们基本掌握，但在成因机 理方面的研究还不成熟，仍存在不同观点和争议，关键在于还有一些基本问题未得到解 决；受地裂缝成因和致灾机理研究程度的限制，地裂缝减灾防灾对策的研究也远远不足。 本文针对西安地裂缝研究中存在的问题和不足，重点研究了西安地裂缝对建筑物的破坏 模式，并提出了建筑物的防灾对策。 论文的主要工作有以下几个方面： 1 针对西安地裂缝对建筑物破坏变形特征，依据作者对西安市跨地裂缝房屋的灾 害调查，提出了地裂缝带上建筑物的破坏模式。 2 借助p l a x i s 模拟试验手段，以西安市疋地裂缝为例，应用数值分析方法，研 究了具有正断层性质的地裂缝破裂引起上覆土体中的应力场和位移场等的变化规律。分 别计算了以砖砌体、砌块砌体、石砌体作为建筑材料时，地裂缝对建筑物的破坏变形规 律。 3 以西安市疋地裂缝为例，对跨地裂缝的三级建筑物防灾、地裂缝灾害影响带宽 度进行了数值模拟；提出了上下盘建筑物的安全距离。 本论文得到国家自然科学基金重点项目汾渭盆地地裂缝灾害成因与大陆动力学 ( 批准号：4 0 5 3 4 0 2 1 ) 资助。 关键词：西安地裂缝，工程灾害机理模式，数值模拟，防治对策，安全距离 a b s t r a c t g r o u n df i s s u r e sh a v eb e e nt h em a i ne n v i r o n m e n tg e o l o g i c a ld i s a s t e ri nx i a l lc i t y s i n c e 19 5 0 s ，14g r o u n df i s s u r e sh a v eb e e nf o u n di nx i a na r e a ，w h i c hh a sc a u s e d4b i l l i o n y u a n s d i r e c tl o s s e s t h ew o r s ei st h a tn e wf i s s u r e sa r ec o m i n gf o r t ha n dd e v e l o p e d a sar e s u l t ，t h e u t i l i z a t i o no fb u i l d i n gl a n da n du r b a np l a n n i n ga n dd e v e l o p m e n to fx i a nc i t ya r eb a d l y r e s t r i c t e d ，a n dg r e a th i d d e nt r o u b l ei sb u f f e df o rc i t y se n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n s ot h eg r e a t g e o h a z a r dd i f f i c u l tp r o b l e mt ob es o l v e du r g e n t l yi st op e r f o r mt h er e s e a r c ho ng e n e s i sa n d d i s a s t e r - c a u s i n gm e c h a n i s ma n dw o r ko u te c o n o m i c a la n de f f e c t i v ec o u n t e r m e a s u r e s p r e s e n t l y , t h ed i s t r i b u t i o na n da c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i co f x i a ng r o u n df i s s u r e sh a v eb e e n f o u n do u tb a s i c a l l y , b u ti t sg e n e t i cm e c h a n i s mi si m m a t u r eb e i n gm a n yd i f f e r e n tp o i n t so f v i e wa n dd i s p u t e so ni tf o rt h a tt h e r ea r es o m ek e yb a s i cp r o b l e m sb e i n gu n r e s o l v e d f u r t h e r m o r e ，t h er e s e a r c ho nt h ec o u n t e r m e a s u r e so fm i n i m i z i n ga n dd e f e n d i n gd i s a s t e ri sf a r 劬ms u f f i c i e n c yb e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o no fg e n e s i sa n dd i s a s t e r - c a u s i n gm e c h a n i s m r e s e a r c h i n gd e g r e e t h ep r o b l e m sa n dd e f i c i e n c i e si nt h er e s e a r c ho fx i a ng r o u n df i s s u r e s w e r ea n a l y z e d b a s e do ni tt h i sp a p e rs t u d yo nt h ed e s t r u c t i o nm o d eo fb u i l d i n g ，a n dh a v ep u t f o r w a r dp r o p o s a lf o rc o u n t e r m e a s u r eo fp r e v e n t i o n s o m em a i nw o r ka r eg o ta sf o l l o w si nt h i sp a p e r ： 1 t h i sp a p e rs p e c i f i ct ot h ef e a t u r e so fd e f o r m a t i o no fg r o u n df i s s u r e st ob u i l d i n g si n x i a n ，i ti ss t u d yo nc l a s s i f i c a t i o no f t h ed e s t r u c t i o nm o d eo f b u i l d i n g ，b a s e do nt h es u r v e yo f b u i l d i n g sw h i c ha r ec r o s s i n gg r o u n df i s s u r e s 2 t h i sp a p e ri sb ym e a n so ft h em e t h o do fi m i t a t i o no np l a s i x ，a n da s s i s t e db yt h e m e t h o do fn u m e r i c a lv a l u e ，t a k i n gf o rt h e 兀o fg r o u n df i s s u r e si n x i a l lc i t y , s t u d yt h e v a r i a t i o no fs t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l do ft h eo v e r l y i n gs o i ll a y e rw h i c ht h en o r m a l f a u l tq u a l i t a t i v eg r o u n df i s s u r e sl e a dt o a n di ts e p a r a t e l yc a l c u l a t e do u to ft h ev a r i a t i o no ft h e f e a t u r e so fd e f o r m a t i o n ，w h e nb r i c km a s o n r y , b l o c km a s o n r ya n ds t o n em a s o n r ya c ta ss o l e l y m a t e r i a lo ft h eb u i l d i n g 3 t a k i n gf o rt h e 六o fg r o u n d f i s s u r e si nx i a l lc i t y , t h i sp a p e ri m i t a t e dd i s a s t e r p r e v e n t i o no ft h et h r e e l e v e lb u i l d i n g sw h i c h w e r ec r o s s i n gt h eg r o u n df i s s u r e sa n dt h ew i d t h o ft h ei n f l u e n c i n gz o n eo fg r o u n df i s s u r eh a z a r d s b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，i t c a l c u l a t e dt h es a f e t yd i s t a n c eo fh a n g i n gw a l la n df o o t w a l l k e yw o r d s ：x i a ng r o u n df i s s u r e s ，e n g i n e e r i n gd i s a s t e rm e c h a n i s mm o d e ，n u m e r i c a l a n a l y s i s ，c o u n t e r m e a s u r eo fp r e v e n t i o n ，s a f e t yd i s t a n c e i l 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。 论文作者签名：渗触 伽p 年6 月 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。 论文作者签名：器吞鸯 导师签名：朋工飙 认n 占年占月印日 2 噜q8 年艿只4e t 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 西安地裂缝研究进展及研究意义 1 1 1 西安地裂缝研究的进展与现状 从1 9 7 7 年1 0 月西安市发现地裂缝至今，3 0 多年中己给城市建设、工农业生产和 人民生活造成巨大损失，地裂缝和与其相关联的地面沉降已成为西安市区目前最主要的 地质灾害。2 0 世纪8 0 年代初至今国内许多生产、科研和教学单位对西安地裂缝及地面 沉降从不同角度开展了系统深入的研究。研究成果可概括为三个方面：一是地震地质的 研究，这方面陕西省地震局、国家地震局等有关单位做了大量的工作，成果对西安地区 所处的构造动力环境做出了评价和观测；二是地裂缝、地面沉降成因机制和演化规律的 研究，陕西省地矿局有关单位、河北理工学院( 现河北理工大学) 、西安工程学院( 现 长安大学) 、成都理工学院( 现成都理工大学) 、中国地质大学、地质科学院、陕西师范 大学等做了许多工作，通过各种手段的系统研究，提出了多种成因观点，对地裂缝的成 因、成灾机制获得了更实际的认识；三是地裂缝场地工程地质评价、预测，机械电子工 业部、建设部等一些部属勘测设计院、西安市城乡建设委员会及下属有关单位、陕西地 矿局第一水文工程地质队、成都理工学院( 现成都理工大学) 等都作了大量工作。通过 对地裂缝分布规律和工程地质特征的系统调查和统计分析，评价了西安市区场地稳定 性，并制订了勘察设计规程，成果已在城市规划建设中发挥了作用。 目前西安市已完成了1 ：2 0 万1 ：3 万各种城市系列图的编制，西安市地裂缝调查初 步研究及环境地质等方面的工作；同时长安大学( 原西安地质学院、西安工程学院) 等 一些科研单位和其它有关部门也对西安及咸阳地裂缝、城市环境地质、地震等进行了大 量的工作，对城市周围的地质构造、地震、地裂缝、地面沉降等，都提出了看法和认识； 第一水文地质工程地质队和陕西省地质环境监测总站对西安地面沉降和地裂缝进行了 三十多年的监测，积累了较为丰富的资料，尤其是近一两年来，随着西安地铁2 号线的 开工建设，长安大学、铁道部第一勘测设计院等单位针对地铁隧道穿越地裂缝区间又进 行了专项的模型和理论研究，为地铁穿越地裂缝提供了较为详实的设计资料。西安市地 面沉降和地裂缝灾害的研究，虽然已历时2 0 余年，但由于一直未建成系统的监测网络， 况且现有的监测设备和手段不仅落后，而且相当一部分监测点已损坏；此外，对新出现 的地裂缝带以及次级地裂缝发育等新情况不明，更没有对其进行监测。因而很难对地面 沉降和地裂缝灾害的最新活动状况及未来发展趋势进行全面把握，更谈不上预测预报。 第一章绪论 另外，目前对西安地裂缝成因大家的看法都趋于一致，但地裂缝的活动规律和发展趋势 仍旧处于探讨之中，而这正是工程建设最为关心的问题。因此，目前对西安地裂缝的研 究仍旧处于摸索和探究阶段。1 4 4 - 4 5 1 1 1 2 地裂缝的研究意义 地裂缝种类多，成因复杂，常对人类生产和生活产生不利影响，是一种常见的自然 灾害。因此，鉴别研究地裂缝对工程场地评价、城乡建设规划、防灾减灾技术的形成和 完善等有着重要的指导意义川。 1 ) 判别地裂缝与地震活动的联系，避免盲目防震的损失。在地震之前出现的宏观 现象，如动物、地下水、声、光等异常，往往是重要的地震前兆现象，因为它们常在地 震前很短的时间内出现，对地震的短临预报有重要意义。有些地震之前在未来震区内会 出现地裂缝，若能及时鉴别其与地震的关系，就可将其视为地震前兆，作为地震预报的 依据之一。 由于地震宏观前兆的不确定性，常常使人感到困惑。虽然广大群众比较容易观察到 包括地裂缝在内的某些宏观现象，但是却不容易正确判断这类现象的属性。加上恐惧等 心理因素，人们很容易将一些与地震并无关系的异常现象误认为地震宏观前兆，从而引 起思想上的混乱，甚至盲目避震，造成不必要的损失。所以正确判断这些异常属性，一 直是地震工作者和广大群众所关心的问题。多年来的研究表明，只有极少数沿活断层分 布的地裂缝是地震前兆，如何认识和区分这些地裂缝，目前仍无有效方法。虽然属于地 震前兆的地裂缝现象很难捕捉和把握，但他们毕竟有理论和实践根据。 2 ) 鉴别地裂缝的属性，确定防裂对策，减轻地裂缝灾害损失。 通过对西安、大同地裂缝的观测，发现位于断层蠕滑型地裂缝之上的工程建筑，在 地壳构造应力支配下，通过地下断层活动产生三向位移，导致地表土体破裂，形成由地 基土一基础建筑物自下而上的应力传递、集中和释放，从而产生连续破坏。大量建筑结 构破坏证明，在现有常用的建筑结构型式下，各类建筑物对于断层蠕滑型地裂缝的破坏 作用，都是不可抗拒的，为防治由此而引起的破坏，建筑物和构筑物应避开地裂缝一定 距离。 对于区域微破裂开启型地裂缝，它们多是由于区域构造应力增强，引起大范围闭合 的土层构造节理的开启张开，并无水平和上下位移，开启的节理缝多数未延及地表，所 以其上建筑物并未开裂，只有遇强降雨或浇地时才使其在地表显现成地裂缝，造成其上 的建筑物开裂破坏，结构略有变形，可通过适当的结构加强措施来预防。但因这种地裂 2 长安大学硕士学位论文 缝漏水，使农田灌溉和水利设施受损；或者强采地下水，使地面沉降隐伏地裂缝开启。 只要控制地表水和地下水活动，就可减少地裂缝灾害。 膨胀土湿胀干缩，严重的干缩可产生大量地裂缝。这种非构造地裂缝造成建筑物地 基的不均匀隆起、下沉和结构物的开裂破坏。美国的膨胀土地裂缝等对结构物的破坏带 来的经济损失平均每年超过2 3 亿美元，比洪水、地震、飓风和龙卷风等造成的经济损 失的总和还要多。对膨胀土地裂缝，应立即处理地基、防水保湿、改造建筑物的工程结 构。 从上述三种地裂缝可以看出，构造地裂缝和非构造地裂缝的防裂对策应不同，其中 构造地裂缝中的断层蠕滑型地裂缝和区域微破裂开启型地裂缝采取的防裂措施也应不 同。所以事前判定地裂缝属性，进行其场地工程地质评价，采取相应对策，对减轻地裂 缝灾害是至关重要的。 3 ) 用前兆地裂缝预报地质灾害和地质工程病害。 地裂缝往往与滑坡、地面沉降、地震等相互关联，构成环境地质问题系列的一环。 综合研究这种环境地质系列，有效地指导监测、勘察地质灾害，保障国民经济的发展。 如1 9 8 5 年长江西陵峡湖北新滩至广家崖一带发生大规模滑塌，之前在1 9 5 8 年已发现地 裂缝，1 9 6 4 、1 9 7 7 、1 9 8 2 各年地裂缝继续扩张并产生3 次较大崩塌。1 9 8 2 年新滩滑塌 体后弧形张裂缝不断延长加宽。东西两端裂缝连成一体，后续崖壁下滑近1 0m ，并出现 羽张裂缝。西陵岩崩调查处，对这些地裂缝进行了几年监测，并据地裂缝发展扩大情况， 于滑塌前几天发生险情预报，1 3 7 1 户居民全部撤离新滩镇，从而减轻了灾害损失。 很多实例表明，许多大滑坡前的几个月、几年乃至几十年，作为预兆未来的滑坡体 前后会出现地裂缝。如果能及时认识并及早监视，用这些地裂缝是可以预报滑坡发生时 间和规模大小的。过去因为不认识这些地裂缝，没有对滑坡前兆地裂缝进行监视、研究， 曾酿成大灾。1 9 8 0 年6 月湖北远安盐池河崩塌前两年在陡崖上发现l m 宽地裂缝，崩塌 前3 个月又出现8 条地裂缝。如果认识地裂缝，知道其研究意义，对其进行监测，这些 滑坡灾害是可以正确预报的( 谢广林，1 9 8 8 ) 。 在膨胀土地区，若在建筑物周围发现膨胀土裂缝，则需要立即处理地基、防水保湿、 改造建筑物的工程结构。在岩溶发育区，若事先能确定某地段出现的地裂缝属于岩溶塌 陷或陷落地裂缝，就可做出预测，提前采取相应的撤离或防备措施。在修建的土石坝中， 若发现渗蚀地裂缝的发育，则可采取灌浆方法进行整治。 所有这些，都需要对地裂缝进行调查研究后，才能得到结论，说明了对地裂缝进行 第一章绪论 研究的重要意义。 4 ) 为城乡建设布局规划提供依据 ( 1 ) 摸清地裂缝空间分布范围、判别地裂缝属性、确定地裂缝两侧建筑物安全距离， 可以为建设布局和规划提供依据。如西安市通过地裂缝地质填图及若干地裂缝场地的地 质评价，发现穿过市郊区并有显著位移的1 0 条地裂缝，截至1 9 9 6 年累计长度已达 7 6 8 8 k m ，分布在建筑物密集区。若按2 0 , - - 一4 5 m 为地裂缝影响带，以3 5 m 作为重要建筑 物避开的合理距离，则全市地裂缝影响范围约3 6 9 k m 2 ，约占全市建设总用地面积的 1 3 5 。为了合理规划城乡建设，减少地裂缝区损失，提出防裂减灾对策，进行场地勘察 评价，必须综合研究地裂缝灾害，推广地裂缝场地勘察技术方法，使地裂缝研究向纵深 发展。 ( 2 ) n 用历史地裂缝活动，推断历史地震活动，为国家的大区域规划建设服务。研究 表明，同一地区历史时期的地裂缝与强震活动是在同一构造应力场作用下形成的不同构 造现象。前者是活断层蠕滑和区域土层构造节理开启的反映；后者是活断层速滑的表现 f 王景明1 9 8 5 a ) 。如华北区历史时期的地裂缝和强震活动，同时出现3 0 0 - - - 4 0 0 年的活动 周期，其活跃期相对应：在各周期内地裂缝和地震活动的总体强度也相对应。换言之， 地裂缝次数多、长度大的周期内地震活动频繁且强烈。据此利用历史时期地裂缝多面全 的记载为依据，来反推恢复漏记或失传的在同一周期内地震活动强度( 王景明，1 9 9 2 a ) ； 反之用同期地震活动反推地裂缝活动亦然。我国有5 0 0 0 年的历史，因时间久远许多地 裂缝和地震事件漏记或失传，利用记载较多的地震或地裂事件，来评价各地5 0 0 0 年来 的地震、地裂活动规律，划定活动周期，也为评定资料不足区域的地壳稳定性和大区域 的规划提供历史依据。 5 ) 为避免和消除区域环境地质灾害提供依据 包括地裂缝和地面沉降在内的、相互关联的环境地质问题系列，若发生在较大城市 和工业区中，往往在短期内演变并发展成具有较大破坏性的地质灾害。如西安、大同等 地的地裂缝分别造成约1 6 9 亿元和6 3 亿元的经济损失。散布在农村和旷野的地裂缝， 累积给农业、水利和交通造成的危害也很大。若及早发现并进行勘察监测。研究对策， 合理规划工农业建设布局。可减轻乃至消除地裂缝及相关地面沉降的危害。 6 ) 某些地裂缝可为寻找矿产和地下水、地热等资源提供线索 尽管地裂缝是人类改造自然中的一种不利现象，是一种消极因素，但地裂缝的发育 在人类利用自然中也带来了一些有利的信息( 谢广林，1 9 8 8 ) 。盐丘地裂缝通常是地质工 4 长安大学硕士学位论文 作者寻找地下盐矿、硫磺矿等的重要信息；泥火山地裂缝的发育，往往指示着其下部可 能蕴藏着石油、天然气和沼气等，而且由于裂缝中逸出这些有机化合物气体，更有利于 石油工作者去探索地下的宝藏；在第四纪沉积平原地区，地裂缝带的发育有时可能表明 地下存在着埋藏古河道，这为水文地质工作者寻找地下水的富集地带提供了信息：个别 地裂缝在其发育时伴随着热气的逸出，引起了井水和池塘水水温的升高，反映了在该地 裂缝下不很深的地方可能是一个地热的富集场所，在该处打地热井可能会收到良好的效 果，因而这种地裂缝成为寻找地热资源的一个线索。例如大别山北麓1 9 7 4 年9 月发育 的地裂缝有的就伴随着热气的逸出，一个小池塘水温升高近1 0 ，这是值得重视的寻找 地热资源的线索。 7 ) 通过地裂缝研究获取地壳一定深度的信息，判别断层活动的规律 通过对西安、大同等地裂缝的研究，发现地裂运动常携带地壳一定深度下地层中物 理、化学参数变化的信息，可望利用地震活动能为研究地震预报探索提供新的信息源； 二能为地下水、地热资源的开发利用提供更多的资料；三能提供断层的深部活动情况。 以地裂缝形式表现出来的这种地表地质现象，实质上一是反映该区基底断层活动，二是 反映区域地壳浅表层应力状态的一个窗口，通过它们可以看到控制地裂缝发生和发展的 深部地壳运动概况。 总之，关于地裂缝的研究有着多方面的意义，随着科研工作的逐步深入和经济建设 的不断发展，地裂缝的研究一定会取得更多的成果，在四化建设中发挥更大的作用。一 1 2 国内地裂缝研究综述 1 2 1 国内外地裂缝研究成因综述 我国地裂缝的研究工作是伴随探索地震预报和捕捉地震前兆研究开始的。2 0 世纪 5 0 年代国内首例地裂缝出现在西北大学，6 0 年代初期河北、安徽、广东、广西、湖南、 陕西等地又多次发现地裂缝和房屋开裂现象，但由于灾害较轻，当时并未引起人们足够 的重视。对地裂缝真正意义上的研究则始于1 9 7 6 年唐山地震之后，至今国内地裂缝的 研究已历时3 0 余年。 纵观我国地裂缝的调查、监测、研究工作，依据不同时期的工作目的，王景明1 5 i 将 我国地裂缝研究划分为了5 个阶段： ( 1 ) 1 9 6 6 年邢台地震前，工程勘察部门为所遇地裂缝的场地工程稳定性问题进行 局部分散的调查研究工作阶段； ( 2 ) 邢台地震后到1 9 7 0 年云南通海7 7 级地震前，地裂缝调查主要目的多是鉴别 第一章绪论 其是不是地震前兆异常，属于零星分散的目测性调查阶段； ( 3 ) 通海地震后到1 9 7 9 年江苏溧阳6 级地震前，地裂缝调查的目的多是捕捉地震 前兆信息，属于有组织的重点调查研究阶段： ( 4 ) 溧阳地震后至1 9 8 9 年山西大同6 1 级地震前，发展成为地震前兆捕捉、地裂 缝场地评价和城市防灾、地质环境监测等多种目的的地裂缝勘察研究阶段，进入地裂缝 研究的高潮期； ( 5 ) 1 9 8 9 年大同地震至今，逐步转入主要为城市防灾、区域地质环境评价而进行 的地裂缝深入研究和勘察阶段。 我国现代地裂缝的分布范围甚广，除灾害严重的大华北7 省外，粤、桂、吉3 省也 较为发育，此外，辽、甘、宁、鄂、黔、滇也有零星出现。因此在地裂缝的调查研究过 程中，全国地震、地质、勘察等部门的众多单位都参与了地裂缝的研究工作，为地裂缝 的成因机理、灾害防治等汇聚了广泛思想和参考，但是也带来了一些争论。就地裂缝的 成因而言，国内的观点与美国学者基本雷同，所持观点主要有三种，即：“构造说”、“水 成说”、“综合说”。 1 9 6 6 年邢台地震时，邯郸市区新出现了6 条地裂缝。1 9 6 8 年国家为了确定邯郸地 裂缝是否属于地震征兆，特派综合考察队对此进行了深入分析，认为它们不是地震前兆， 并对邯郸市的地裂缝成因提出了三种不同的看法：( 1 ) 认为邯郸地裂缝规模大、延伸直、 方向明显，与邢台地震和邯郸周边中小地震伴生，是新构造运动的产物，实谓构造成因 说；( 2 ) 依据所见地裂缝均在邯郸市内，上宽下窄位错不明显，地裂缝急剧发展期无地 震伴生，却与市区地下水位下降过程一致，故认为邯郸地裂缝是抽取地下水引起土层失 水压缩的结果，可称为地面沉降说或水成说；( 3 ) 认为邯郸地裂缝的产生和加速发展起 决定作用的是水，构造运动和土体对其产生地点、方向起一定的控制作用，俗称综合成 因说。这次对邯郸地裂缝调查所提出的成因学说，实为我国地裂缝成因观点的基调。后 来在对西安地裂缝成因机理的研究中，也无非是这三种观点。 西安是我国城市地裂缝灾害中最严重、最典型的城市，许多学者对西安地裂缝的性 质和成因提出了不同看法： ( 1 ) 水成说 水成说是西安地裂缝成因的最早观点。这种成因说认为西安地裂缝是由于深部过量 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 岩土体的极限应变能力而产生了地表破裂。这一观点的事实依据是：1 ) 西安地裂缝主 6 磕蜜 学硕士学位论文 要分布在承压水f 降漏斗和地面下沉区：2 ) 地裂缝活动的峰值期恰在地下水过量丌采 之后；3 ) 地裂缝活动的速度远远大于一般常见的断层活动速度。 易学发等( 1 9 8 4 年尸着重于深井水位动态变化和地面不均匀沉降与地裂缝活动之间 的时间关系认为西安市超采地下承压水导致地面大幅度下沉是西安地裂缝产生和发展 的主要原因。而局部地质构造条件对地裂缝的形成有一定的控制作用。王卫东等( 1 9 9 8 年1i 圳采用二维有限单元法，通过建立二维稳卷模型，对地裂缝活动速率与深井水位下 降和地面不均匀沉降之间的对应关系进行了有限元数值模拟。i 拈s 6 1 ( 2 ) 构造说 认为西安地裂缝是西安地区构造在特定的地应力条件下产生活动的一种表现( 王 辛。1 9 8 4 ) 。对于西安地裂缝的构造成因机制，许多学者先后从不同角度提出了概化模 式。基本上一致认为地裂缝是由基底伸展断裂系在横向拉张应力场作用下形成。其中， 最具有代表性的是断块振斜成因( 张家明，1 9 9 0 年) 3 1 和构造重力扩展成囚( 王兰生， 1 9 8 9 ) 4 1 。 根据张家明的观点在n n w 向区域引张应力作用下，以断块掀斜为主要活动形式 的西安伸展断裂系活动( 图1 2 ) 构成了西安地裂缝形成和发展的本质。而2 0 世纪7 0 年代以来地裂缝活动速率的加快和活动方式的周期性变化则主要与集中过量抽汲深层 承压水引起含水系的释水压密和发生相应的形变有关。 构造重力扩展机制( 图1 3 ) 认为，西安地裂缝是在特定的地质背景及构造动力环 境下，岩土介质体在引张应力及自身重力作用下，由于删向临空或潜在临空，而导致浅 层介质体的变形破裂，是一种浅生的时效破裂机制。是地质体在自身重力效应影响下的 一种压扁伸展现象。 圈1 1 断块掀斜成因模式图( 据张家明1 9 9 0 )图12 构造重力扩展模式图( 据王兰生，1 9 8 9 ) 遗再鬟n 日r 2 一中o 喀i - t * 日t 4 t t 第一章绪论 ( 3 ) 综合说 认为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碎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l5 l 。 随着研究的深入，近年来，越来越多的学者( 王绍中，1 9 8 5 ；肖箐英等，1 9 8 9 ：王 景明等1 6 i ，1 9 8 9 ；夏其发等，1 9 9 0 ；彭建兵，1 9 9 2 ：刘国昌1 7 i ，1 9 9 2 ) 趋向于第三种观点。 从国内外研究的总体情况可以看出，作为区域性地裂缝的成因，构造和地下水开采 复合成因观点已被大多数人所接受。但对于某些局部地裂缝的成因问题，目前仍有争议。 关于构造因素和地下水开采对地裂缝活动的影响评价，国外主要根据地面沉降、断层形 变和地裂缝表面位移的长期观测资料，通过不同的方法来量化它们之间的关系。我国在 这方面的研究多侧重于理论性的探讨。1 , 1 4 4 7 1 1 2 2 地裂缝灾害的防治对策研究 地裂缝研究的目的是为防治地裂缝对工程建筑物的破坏，保障工程建设的安全。构 造作用形成的地裂缝只能采取预防措施，减少灾害损失；对于人类活动诱发的地裂缝， 可以针对诱发因素，消除和控制诱发产生地裂缝的因素，抑制地裂缝的发展，消除地裂 缝致灾作用( 孙广忠，2 0 0 0 ) i s l 。国内外的研究结果表明，现代地裂缝的频繁发生多是 人类工程活动( 抽取地下水和石油) 诱发引起的。因此人类可以通过约束自己的活动( 如 停止过量开采地下水和石油) 来消除地裂缝的诱发因素，从而达到减灾和防灾的目的。 1 9 5 8 年美国加利福尼亚州政府颁布了地面沉降法( 加利福尼亚公共资源条例3 3 1 5 ， 3 3 4 7 条，h o l z e r ，1 9 8 9 a ) ，严格控制开采地下水和石油。该法令对减缓地面沉降和地裂 缝起到了很大作用。当时，长滩市已沉降了7 m ，法令实行3 - - , 4 年后，长滩的地裂、地 面沉降问题就缓解了。德克萨斯州1 9 7 5 年通过立法( h b 5 5 2 ，德克萨斯州立法第6 4 条，1 9 7 5 ) ，并成立了限制开采地下水的地方机构( 与西安市节约用水办公室的职能相 似) ，对休斯敦沉降区的所有抽水井实行1 - - 5 年的抽水量审批制度。按抽水量核收审批 费，并鼓励开发与应用地表水源。针对地裂缝灾害，亚利桑那州成立了专门的地裂缝灾 害委员会，统一管理地裂缝减灾各项事宜，并提出了普及地裂减灾的科普教育、地裂早 期监测与识别和及时处置相结合的对策( s a n d o v a l ，b a r t l e t t ，1 9 9 1 ) 。从2 0 0 6 年开始，亚 利桑那州法律规定，土地权所有者、开发商和不动产代理方必须声明其出售的房产附近 是否有地裂缝存在。2 0 0 6 年7 月1 日政府通过立法，将专门投资用于建设具有高精度的 长安大学硕士学位论文 城市地裂缝图库，以便市民查验他们的住区是否受到地裂缝的威胁1 9 1 。 在西安地区，陕西省政府建设厅于1 9 8 8 年组织制订了西安地裂缝场地勘察与工 程设计规程( d b j 2 4 6 8 8 ) 1 1 0 l 。规程主要提出了地裂缝场地勘察和工程评价的方法和 内容，并就地裂缝场地的工程设计提出了相应的工程设防措施。为了遏制西安城区因超 采地下水而引起的地裂缝扩延和地面沉降问题，陕西省和西安市政府从大环境治理方面 入手积极采取了各种有效的整治措施，并于1 9 9 6 年对大雁塔周边单位的4 0 0 多口自备 井实施了封井措施。2 0 0 6 年陕西省建设厅重新修订了8 8 规范，出台了( d b j 6 1 6 2 0 0 6 ) 新规程1 1 1 1 ，明确指出西安地裂缝是一种灾害，但规范的核心内容基本不变。1 4 8 - 5 1 1 1 2 3 现行地裂缝防治措施 由于跨地裂缝建筑遭受破坏的不可避免性，避让为主的综合措施是西安地裂缝场 地勘察与工程设计规程( d b j 2 4 6 - 8 8 及d b j 6 1 6 2 0 0 6 ) 中力倡的工程设计主导措施。 根据2 0 多年来西安地裂缝两侧既有建筑物大量的裂缝调查和变形观测结果，结合工程 经验，规程( d b j 6 1 6 2 0 0 6 ) 规定了西安地裂缝场地建筑物规划设计时基础外延至地裂 缝的最小避让距离( 表1 1 ) 。 表1 1 地裂缝场地建筑物最小避让距离( m ) 建筑物重要性类别 结构类别构造位置 上盘 ，6 砌体结构 下盘 | | 4 钢筋混凝土结构、 上盘4 02 06 钢结构下盘 2 4 1 2 4 对于铁路、公路、市政工程跨越地裂缝时，规程( d b j 6 1 6 2 0 0 6 ) 规定着重从场地 勘察、桥墩基础合理避让和采取稳妥的上部结构形式( 静定结构) 三方面采取措施。对 于地下管道穿越地裂缝时应采取柔性接头等措施。 地铁穿越地裂缝则是一个全新课题，规程 ( d b j 6 1 ，6 2 0 0 6 ) 指出适应地裂缝变形的 结构设计是解决问题的关键，但没有给出具体的结构措施。为了有效地解决好西安地铁 工程结构措施及防水措施问题，长安大学对西安市地铁二号线所涉及的地裂缝的活动特 点和变形扩展机理、地裂缝对地铁工程建设的影响以及可能引起的工程灾害进行了深入 研究1 1 3 i 。首先依据西安地裂缝的历史活动规律，确定出了每一条地裂缝未来百年内的晟 大垂直位移量为5 0 0 m m ，地裂缝地段的地铁隧道设防长度为6 0 m ，其中上盘为4 0 m ， 下盘为2 0 m ；进行了1 ：5 的大型结构模型试验，结果表明跨地裂缝地段地铁结构必须采 用分段结构形式进行设计，且应采用柔性接头进行处理等措施。 9 第一章绪论 虽然实践证明规程给定的安全距离是有效的，但是，西安作为一个拥有悠久历史的 文化古城，其城市布局沿袭历史的发展己成为定局，而且随着近年来西安经济的飞速发 展，西安市的土地价格昂贵，可供利用的空间己经有限，完全采取避让措施，将会给城 市的规划和发展造成巨大困难，也会带来巨大的土地资源和经济上的浪费。采取避让措 施对于城市规划也将产生较大不利影响，因为西安市地裂缝带有十余条，完全采取避让 措施，从西安市上空俯视整体上将形成十余条空中走廊。因此，合理的地裂缝治理措施 应该是既能降低、延缓建筑物的损害，又能最大程度的减少经济损失，避免恶性事故的 发生。 1 3 地裂缝研究中存在的问题 虽然西安地裂缝的研究工作进行了多年，也取得了许多重要成果，但迄今为止还存 在许多关键问题没有解决。 1 3 1 地裂缝成因机理方面 综合成因说是工程界公认的用于解释西安地裂缝成因最合适的观点，这一观点从宏 观上定性地解释了西安地裂缝成因，完善了“水成说”和“构造说”各自不能圆满解释的诸 多方面。然而，就综合成因说本身来讲还有一些关键问题没有解决：西安地裂缝之下 是否普遍发育有活断层? 如果真的发育有活断层，二者之间又有怎样的交接关系? 在 区域引张应力作用下，下伏断层是怎样控制西安地裂缝的产生和发展的，或者说深部隐 伏断层的活动是怎样引起上覆土层破裂的? 地裂缝从无到有经历了一个怎样的过程? 抽水在西安地裂缝形成与活动过程中又扮演着什么样的角色? 事实上构造活动与含 水层垂直差异沉降引起的隐伏断层破裂扩展在力学机理上有很大的相似性，二者均是造 成了隐伏断层两侧上下盘土体的错动，在断层尖端积累剪应变并随差异沉降的增大向上 覆土层传播。那么它们究竟有着怎样的破裂扩展模式，是否正如人们想象的那样与西安 地裂缝的平、剖面特征相对应? 显然，以上任何问题的解答都不是一件容易的事，他们既是西安地裂缝研究中急待 解决的关键科学问题，又是当前国内外地裂缝研究中的前沿科学问题。他们的圆满答案 才是进一步深入研究地裂缝成因机理的前提。 1 3 2 地裂缝成灾机理及防治对策方面 受地裂缝成因机理和致灾机理研究程度的限制，地裂缝减灾防灾对策的研究远远不 深入，仍有一些问题急待研究解决：处于隐伏状态的地裂缝在显露地表的过程中，其平 l o 长安大学硕士学位论文 面和剖面结构各具什么特征? 破裂带、变形带和影响带宽度各是多少? 地裂缝两盘各类 建筑物的安全避让距离如何确定? 地下线状工程通过地裂缝带时会出现哪些可能的变 形破坏模式等等。只有对这些问题展开系统而深入的研究，才能制定科学的防灾对策和 防治技术，为西安市的重大工程建设提供技术储备，也为其他地区的城市建设提供工程 参考。 1 4 本文主要研究内容 多年来，有关西安地裂缝方面的研究，多停留在定性地质的分析研究层面上，限于 成本及所研究问题的复杂性，而与其相关的力学机理和物理、数值模拟等方面的定量研 究偏少。针对地裂缝研究中存在的一些问题和不足，本文分章节重点分析了以下几个方 面的问题： 1 针对西安地裂缝对建筑物破坏变形特征，依据作者对西安市跨地裂缝房屋的灾 害调查，提出了地裂缝带上建筑物的破坏模式。 2 借助p l a x i s 模拟试验手段，以西安市五地裂缝为例，应用数值分析方法，研 究了具有正断层性质的地裂缝破裂引起上覆土体中的应力场和位移场等的变化规律。分 别计算了以砖砌体、砌块砌体、石砌体作为单一建筑物材料时，地裂缝对建筑物的破坏 变形规律。 3 以西安市兀地裂缝为例，对跨地裂缝的三级建筑物防灾、地裂缝灾害影响带宽 度进行了数值模拟；提出了上下盘建筑物安全距离的大致范围。 第二章西安地裂缝的基奉特征和分布拽律 第二章西安地裂缝的基本特征和分布规律 白二十世纪5 0 年代后期以来，西安市区自北向南分布1 4 条地裂缝。分别是：( 1 ) 城北大明宫辛家庙地裂缝带( ) ；( 2 ) 城北红庙坡- 龙首村一八府庄地裂缝带( ) ；( 3 ) 城西劳动公园地裂缝带( 五) ；( 4 ) 城西南边家村( 西北大学) 地裂缝带( ) ；( 5 ) 城南和平门外地裂缝带( 正九( 6 ) 草场坡( 秦j i l 厂) 地裂缝带( 五) ；( 7 ) 小寨路( 铁 炉庙) 地裂缝带( ) ；( 8 ) 大雁塔北池头地裂缝带( ) ；( 9 ) 电视塔北胰师大地裂 缝带( ) ：( 1 0 ) 新开门至电视塔南地裂缝带( 厶) ；( 1 1 ) 南寨子一新小寨地裂缝带 ( ) ：( 1 2 ) 东三爻地裂缝带( 上，) ；( 1 3 ) 曲江池地裂缝带( 正，) ；( 1 4 ) 清凉山地裂 缝带( 凡) 圈2 1 西安地理缝平面分布圈 2 1 西安地裂缝的基本特征 西安地裂缝是一种区域性的地质灾害现象旧，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及剖面上的结构组合形式多样性( 图2 2 和图23 ) 等 展布规律，并具有以下基本特征：大多是由主地裂缝和分支裂缝组成的，上盘发育大 规模的次级裂缝。主地裂缝总体走向北东，近似平行于临潼- 长安断裂；倾向南东， 长安大学硕士学位论史 与临潼长安断裂倾向相反，倾角约8 0 0 。 地裂缝在走向上具断续延伸特征，每条地裂 缝的延伸长度可达数公里至数十公里。地裂缝都发育在特定的构造地貌部位，即粱岗 地貌的南侧陡坡上( 粱间洼地的北侧边缘) 。地裂缝的活动方式是蠕动，主要表现为 主地裂缝的南侧( 上盘) 相对下降，北侧( 下盘) 相对上升；次级地裂缝则表现为北侧 ( 上盘) 下降，南侧( 下盘) 相对上升。 地裂缝的垂直位移具有单向累积的特征，断 距随深度的增大而增大。 图2 , 2 西安地裂缝与地貌构造关系图 211 平面展布特征 西安地裂缝尾在西安正断层组的基础上发育起来的，由南而北在黄土粱洼之间有规 律排列，均位于黄土粱的南侧，呈带状分布( 如图22 所示) 。在平面上呈左行雁列，主 体走向为n e 7 0 0 8 0 0 。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 。各条地裂缝带大体呈等问距近似平行排列。间距为 0 4 2l k m ，平均约 i o n 。地裂缝和地面沉降调查结果表明，西安地面沉降区与承压水 位下降区的分布位置相吻合，而地裂缝则出现在地面沉降槽边缘的陡变地带上，组成地 裂带的次级裂缝均靠近地面沉降槽中心的一侧。西安地裂缝的空问分布、产状形各、位 移动向。都有一定规律可循，概括起来有如下规律； ( 1 ) 方向性：西安1 4 条地裂缝延两个固定方位延伸，其中6 条地裂缝较严格地按照 第二章西安地裂缝的基本特征和分布规律 n e 7 5 。 - 8 5 。方向展布。其中有4 条地裂缝的部分段落按照n e 5 0 。 - 6 0 。方向延伸， 这些段落拐弯后复又按n e 7 5 。8 5 。方向伸展，它们基本不受地形地物的影响。 ( 2 ) 成带性：1 4 条地裂缝在横向上，均由一条主干裂缝和2 1 2 条伴生或次级地裂 缝组成宽5 4 0 m 的裂缝带，最宽可达1 1 0m ，成带定向延伸，地裂缝带总张开量3 - -