（环境工程专业论文）地裂缝带黄土的渗透变形试验研究.pdf

摘要 汾渭盆地地裂缝灾害严重影响着该地区国民生产和经济发展，地裂缝的突发性活动 多与突降暴雨有关。因此，对地裂缝带黄土浸水后的强度和变形特性研究显的尤为重要。 它既对地裂缝的形成机理研究提供依据，又为研究黄土地区水土流失、灾害防治、黄土 体工程性质及其相关岩土工程问题提供借鉴。 本文通过对咸阳地区三原县双槐树村地裂缝灾害预警示范试验场的野外调查，查明 地裂缝带黄土的宏、微观地质特征，找出研究区地裂缝分布和发育的规律，确定了水的 作用是这一地区地裂缝超常活动的外动力因素，并以双环法渗透试验、变水头渗透试验 和三轴压缩试验为手段进行微观研究。在此基础上，选择有地裂缝通过的黄土场地进行 现场试坑浸水试验，对地裂缝带黄土的渗透与变形特性进行了系统的试验研究和深入的 理论分析，研究结果表明： ( 1 ) 地裂缝带黄土的渗透系数与埋深呈负相关关系，且不同深度含不同裂缝宽度 的黄土其侧向渗透系数要远小于垂向渗透系数，一般在一个数量级以上；裂缝对q 3 黄 土的垂向渗透产生影响，裂缝越宽，其垂向渗透性能越好，对其侧向渗透影响则较小； 在裂缝宽度小于l c m 的范围内，地裂缝带q 2 黄土的渗透系数受不同宽度裂缝的影响较 小。 ( 2 ) 通过分析不同裂缝宽度和含水率对裂缝带黄土的力学性能的控制作用，得出 同一类型地裂缝带黄土的强度随着含水率的增大而降低，含水率增大越多，强度降低越 多，且裂缝的宽度同强度成负相关性。地裂缝带黄土的变形可分为轴向变形、弯曲变形、 旋转变形和扭转变形四种方式。 ( 3 ) 通过对原位试验浸水前后含水率剖面、不同深度沉降关系曲线、地表沉降等 值线图的综合分析，发现地裂缝带黄土的渗流场由于裂缝的存在而导致不均匀入渗，继 而引发了地裂缝带与周围土体发生差异沉降，定性的得出由于含水率的增加导致不同类 型的土的强度降低的因素是渗透力拖拽、水力侵蚀、渗透固结和排水固结这四种作用。 最后针对地表水入渗对地裂缝活动的诱发作用，提出了几种相应的防治措施。 关键词：地裂缝带黄土，试验研究，渗透特性，变形特性，渗透变形模式，防治措施 a b s t r a c t t h eg n pa n de c o n o m i c a ld e v e l o p m e n ta r es e r i o u s l ya f f e c t e db yt h eg r o u n df i s s u r e si n f e n w e ib a s i n ，i t sp a r o x y s m a la t t a c km o s t l yr e l a t e st os u d d e ns t o r m t h e r e f o r e ，t os t u d yo nt h e s t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs u b m e r g i b l el o e s si nt h ef i s s u r ez o n ea s s u m ee v e n g r e a t e ri m p o r t a n c e i tc a np r o v i d ear e f e r e n c et ot h es t u d yo nf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fg r o u n d f i s s u r ea sw e l la sa l le x p e r i e n c et os o i la n dw a t e rl o s s ，d i s a s t e rp r e v e n t i v em e a s u r e s ， e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fl o e s sa n ds o m er e l a t e dg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s b o t h o ft h em i c r oa n dm a c r og e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs o i lo fg r o u n df i s s u r ez o n ea r e a s c e r t a i n e d ，t h ed i s t r i b u t i o n sa n dd e v e l o p m e n tl a w so fg r o u n df i s s u r ei nt h ef e n w e ib a s i ni s d e t e c t e d ，w a t e ri sd e t e r m i n e da st h ee x t e r n a ld y n a m i cf a c t o rt oa b n o r m a la c t i v i t i e so fg r o u n d f i s s u r ei nt h ed i s t r i c tt h o u g ht h ef i e l di n v e s t i g a t i o nt ot h et e s ts p o tf o rf o r e w a r n i n ga n d e x h i b i t i o no fg r o u n df i s s u r ei ns h u a n g h u a iv i l l a g e ，s a n y u a nc o u n t r y ，x i a n y a n gr e g i o n , t h e m e a n so ft e s t ss u c ha si n f i l t r a t i o nt e s tt h r o u g hm e t h o do fd o u b l e r i n ga n dv a r y i n gh e a d , t h r e e - a x i a lc o m p r e s s i o nt e s ta r ea p p l i e dt ot h em i c r os t u d y a c c o r d i n gt ot h o s es t u d i e s ，t h e l o e s ss p o t sw h i c ha c r o s sb yg r o u n df i s s u r ea r et a k e na se x a m p l e s ，t h ef i e l dp i ti n f i l t r a t i o nt e s t i sc a r r i e do u t ，t h ep r o p e r t i e so fi n f i l t r a t i o na n dd e f o r m a t i o no fl o e s si nt h eg r o u n df i s s u r ez o n e a r er e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l ya n dd e e p l yt h e o r e t i c a la n a l y z e d t h er e s u l t sf r o mt h e i n v e s t i g a t i o ns h o w e d ： ( 1 ) t h en e g a t i v ec o r r e l a t i o ni sf o u n db e t w e e nc o e f f i c i e n to fi n f i l t r a t i o n ，a n dt h es i d e c o e f f i c i e n to fi n f i l t r a t i o ni sl o w e rt h a nt h a to ft h ev e r t i c a la tt h ed i f f e r e n td e p t ha n dw i d t ho f g r o u n df i s s u r e ，a l m o s ta no r d e ro fm a g n i t u d e t h ev e r t i c a li n f i l t r a t i o no fq 3l o e s si sa f f e c t e d b yt h eg r o u n df i s s u r e ，t h ew i d e rt h ef i s s u r ei s ，t h eb e t t e rv e r t i c a li n f i l t r a t i o ni s t h es i d e i n f i l t r a t i o ni sl e s sa f f e c t e db yg r o u n df i s s u r e ；i n f i l t r a t i o no fq 2l o e s si sl e s sa f f e c t e db yt h e w i d t ho fg r o u n df i s s u r ew i t h i nt h elc mw i d er a n g eo fg r o u n df i s s u r e ( 2 ) a n a l y s i so ft h es t r e n g t ho ft h el o e s so ft h es a m et y p eg r o u n df i s s u r ez o n er e d u c ew i t h t h ei n c r e a s eo fr a t eo fw a t e rc o n t e n t ，a n dt h en e g a t i v ec o r r e l a t i o ni sa l s of o u n db e t w e e nt h e w i d t ho fg r o u n df i s s u r ea n dl o e s ss t r e n g t ht h o u g ht h ea n a l y s i so nc o n t r o la c t i o no fg r o u n d f i s s u r ew i d t ha n dr a t eo fw a t e rc o n t e n tt om e c h a n i s mc h a r a c t e r i s t i e so fl o e s s t h ed e f o r m a t i o n o fl o e s sc a nb ec l a s s i f i e di n t of o u rt y p e s ：a x i a ld e f o r m a t i o n ，f l e x u r a ld e f o r m a t i o n ，r o t a t i o n a l i i d e f o r m a t i o na n dt o r s i o nd e f o r m a t i o n ( 3 ) t h o u g ht h ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s i so ff i e l dw a t e rt e s to ns e c t i o no f r a t eo fw a t e r c o n t e n t ，t h es u b s i d e n c er e l a t i o na td i f f e r e n td e p t h ，c o n t o u rm a po ft h ea n ds u b s i d e n c e ，i tt u r n s t h a tt h ee x i s t e n c eo fg r o u n df i s s u r er e s u l ti n u n e v e n l yi n f i l t r a t i o ni nt h ei n f i l t r a t i o nf i e l d ， w h i c ha r i s ed i s t i n c t i v es u b s i d e n c eb e t w e e nt h es o i lo fg r o u n df i s s u r eb e l ta n dt h es o i la r o u n d f o u rc a u s e sa r ef o u n d ( s u c ha si n f i l t r a t e dd r a w , w a t e re r o s i o n ，i n f i l t r a t e dc o n s o l i d a t i o na n d d r a i n a g ec o n s o l i d a t i o n ) a f f e c tt h er e d u c eo fd i f f e r e n tt y p e ss o i ls t r e n g t hw i t ht h ei n c r e a s eo f r a t eo fw a t e rc o n t e n t k e yw o r d s ：f i s s u r e dl o e s s ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，p e r m e a b i l i t y , d e f o r m a t i o n ，p a t t e r no f s e e p a g ed e f o r m a t i o n ，c o u n t e r m e a s u r e i i i 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：鸯南 2 7 年5 月2 。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： 导师签名： 奢韶 善谁 砑年岁月2 0 日 叼年r 月如日 长安大学硕士学位论文 1 1问题的提出及选题意义 第一章绪论 地裂缝是黄土地区常见的一种地质灾掣1 1 ，它常常造成房屋开裂甚至倒塌、路面沉 陷变形、管线破损断裂、桥涵受损、水井失效、水库漏水、水坝溃决，甚至引起一些地 下工程结构的破裂和漏水现象，严重影响工程设施的正常使用，对其修复难度也较大。 由于地裂缝都呈线状延伸，有些工程不可避免要穿过地裂缝带，由此也就带来了相应的 危害或灾害，如西安至铜川高速公路穿越三原县双槐村地裂缝的地段，每到降水集中年 份，都会引起路面的变形甚至开裂，严重影响公路的正常运营。规划中的西安地铁2 号 线通过11 条地裂缝，解决地裂缝带的结构和防水措施成为西安地铁设计的关键问题之 一。处于地裂缝带中的黄土，认识其渗透变形特征，掌握其渗透变形规律，有助于对黄 土地区裂缝带的路面或地基进行正确处理，也有助于裂缝带的工程结构和防水措施的优 化设计。 黄土中存在大量不同规模、不同成因、不同力学性质、不同尺度和不同时期的裂隙 ( 缝) ，地裂缝的产生总是伴随着黄土原有裂隙的演化、扩展和贯通，因而强烈地受到 内部裂隙形态及其分布方式的影响和制约。地裂缝带黄土是指地裂缝活动后在新的应力 下结构发生改变黄土。目前我国学者对裂隙岩体的力学特征及其时效特征的研究较多， 而研究裂缝对土体力学性质的影响以及裂缝对土体破坏的控制作用不多，特别是降水后 裂缝带黄土的渗透变形研究尚属空白。因此，对裂缝带土渗透变形的研究，必将成为一 个前缘的科学技术问题，不仅验证及完善土的变形和强度理论提供途径，也为岩土工程 设计提供依据。 2 0 0 4 年8 月9 日深夜和1 0 日凌晨，渭河盆地的咸阳市三原县陵前镇双槐树村在经 受长达2 个多小时的强暴雨之后，出现了两条走向n e e 的地裂缝，其中，南部的一条 从村中经过，长达8 0 0 多米，裂面垂直。地裂缝所经过之处，造成农田毁坏，房屋、窑 洞开裂甚至倒塌，公路路面变形沉陷，桥涵受损，水井干枯废弃，水渠等水利设施失效， 给当地居民带来巨大损失。汾渭盆地作为我国现代构造活动最为强烈的地区之一，地裂 缝的形成及活动与现代构造活动的关系十分密切，属构造型地裂缝。三原地裂缝场地位 于晚第四纪以来活动的礼泉一浦城一合阳活动断裂带上，同时又地处渭河北缘地震带 第一章绪论 上，其地裂缝的活动与活动断裂的关系极为密切。在此基础上，汾渭盆地地裂缝显露地 表或突发活动多与超量开采地下水和突降暴雨有关，即水的作用是这一地区地裂缝超常 活动的外动力因素。三原地裂缝场地位于一地面沉降带边缘，2 0 0 4 年8 月的突然重新开 裂正好是一场暴雨之后不到几个小时，显然该地裂缝活动与强降水的入渗有关。因此， 在三原地裂缝带选择典型的场地进行大规模的原位浸水渗透实验，研究并揭示水的作用 如何诱发隐伏活动断裂开启通达地表以及黄土渗透变形加剧地裂缝活动等机理问题，将 有助于解释和揭示汾渭地区地裂缝形成的内外动力耦合成因机理，建立汾渭活动构造地 区黄土地层中典型地裂缝的成因模式及其防治技术体系，从而为汾渭盆地地裂缝的调查 与监测工作提供范例和经验教训，也为地裂缝灾害防治对策的制订提供科学依据，推动 我国地裂缝调查研究工作的进步。 本论文课题依托于彭建兵教授负责的国土资源大调查项目：汾渭盆地地裂缝与地面 沉降监测与防治研究。项目编号：1 2 1 2 0 1 0 6 4 1 4 0 3 。项目于2 0 0 6 年正式启动，项目的前 期工作从2 0 0 4 年8 月开始进行，其总体目标是立足于国土资源大调查中的水工环领域 学科研究前缘问题的探索，以服务于地方经济可持续发展为宗旨，以解决当前汾渭地区 地裂缝灾害研究中的一系列前缘科学技术问题为目标，以渭河盆地三原地裂缝示范实验 场为对象，解剖和揭示汾渭盆地地裂缝灾害形成的内外动力学背景及机理，研究和开发 有关地裂缝灾害的调查、探测、监测、评价及防治的新技术、新方法。本人参与了项目 的研究工作，论文中引用了部分项目成果。 1 2本课题国内外研究现状及发展趋势 1 2 1裂隙性黄土的研究现状 土体作为地质体的一部分，经过漫长的地质作用，赋存在一定的地质和应力环境中， 土体中存在着大量的弱面或带，我们把土体中广泛存在的层面、第四纪断层面、软弱层、 土岩界面、风化面、裂隙面、人工裂面、优势流面、土与结构物接触面等称为土体中的 结构面【2 1 。裂隙性黄土是土体分布结构面的明显例子，本文所研究的地裂缝带黄土即属 于裂隙性黄土。对于裂隙土的研究国内外主要集中在对裂隙粘土的研究上。早在2 0 世 纪3 0 年代，国外的研究者们就从粘土地基变形破坏和边坡失稳大量事故的分析以及对 粘土力学特性的实验研究中就已经发现裂隙所起的重要作用，但并未对此问题引起足够 的重视，直到上世纪六十年代才在有关文献中对这方面进行论述。p g f o o k e s ， a w s k e m p t o n ，l o k ，y 。a c h u d n o v s k y ，a 。b w i l l i a m s ，j - m d u n c a n ，l b j e l t u m ，m eg o w n 2 长安大学硕士学位论文 等主要从粘土体中裂隙的形态、分布和成因以及裂隙性粘土的变形、强度、边坡稳定性 和试验方法等方面开展了研究，他们研究成果的基本特点为：( 1 ) 多从土力学角度着眼， 将此类粘土作为一种“材料 ，而将其作为地质历史形成物的研究较少；( 2 ) 对裂隙性 粘土变形和强度笼统的研究较多，而在裂隙对土体变形和强度的控制性方面具体分析研 究的较少；( 3 ) 关于裂隙的成因，根据其宏观特征进行一般性推论的较多，但缺乏较确 切的论据【3 】。 我国的裂隙性粘土分布很广，西南、中南、华东、华北广大地区均有分布。其中最 明显的例子是著名的成都裂隙粘土，对其研究最具有代表性的是成都理工大学孔德坊以 土的工程地质特性为基础，来论证裂隙和裂隙粘土的成因及其对土体力学性能的控制【4 1 。 近年来，越来越多的文献在对土边坡稳定性的有限元计算及边坡变形破坏机理的本构模 型中开始考虑裂隙影响【5 】。 目前对黄土裂隙研究的国外文献较少，国内的研究是以孙建中、王景明为代表，其 主要侧重于对黄土构造节理、地裂缝等宏观裂缝的力学性质、区域特征及系统性规律进 行分析【6 】【7 1 。 沈珠江等( 1 9 8 3 、1 9 9 8 ) 构建了能考虑土体颗粒之间胶结破坏过程的结构性模型，有 代表性的即所谓的复合体模型、堆砌体模型【引。在复合体模型中作者引入了损伤力学的 概念，将土体视作为由原状士和损伤土( 重塑土) 构成的复合体，二者共同承担外荷载， 经比较，该模型能较好地反映结构破损过程，但不能模拟三轴试验中低围压下的剪胀现 象。在堆砌体模型中作者假定总的应变增量一部分由有效应力增加而引起，可由弹塑性 模型计算，另一部分则由颗粒的破损组成，该模型能较好地反映土体在低围压下的剪胀 性【9 】。谢定义等( 2 0 0 0 ) 提出了土体结构性定量化参数，并将该参数引入土体的变形本构 关系和强度本构关系中，建立了以结构性参数为基础来描述土体变形一强度基本规律的 结构性模型【1 0 】。此外，沈珠江等( 1 9 9 4 ) 把损伤力学运用到黄土上，建立了黄土的非线性 损伤力学模型，这一模型可以方便的模拟黄土的应变软化和浸水软化现象【1 1 】。 1 2 2 渗流理论的研究现状 1 8 5 6 年，法国水利工程师h d a r c y ( 达西) ，在一系列试验的基础上，总结出线性渗流 方程，后来称之为d a r c y 定律，这标志着渗流力学的诞生【1 2 】。在这以后，俄国的数学力 学家n e 儒可夫斯基在1 9 世纪末对渗流问题进行了研究，并于1 8 8 9 年导出了渗流微分方 程。并认为在数学上渗流和热传导有相似的数理方程。 第一章绪论 2 0 世纪渗流力学有了长足的发展，很多学者对土的入渗理论做了深入的研究。 b u c k i n g h a n l ( 1 9 0 7 ) 首次提出了水势的概念。后来土的水分运动理论都是建立在水势这个 概念基础之上的。g r e e n 和a m p t ( 1 9 11 ) 应用d a r c y 定律，从严格的定理出发，经过假设和 严密的推理，推导出饱和入渗理论的g r e e n a m p t x , 渗公式【1 3 】。2 0 世纪3 0 年代至5 0 年代， 水分入渗的理论研究取得了重大进展，标志是产生了描述非饱和土水分运动的基本公 式。r i c h a r d s ( 1 9 3 1 ) 弓i 入了流体力学中的连续方程，并与己有的d a r c y 定律相结合，得到 r i c h a r d s 入渗公式，他以研究非饱和土水分运动的最基本的出发点。p h i l i p ( 1 9 5 7 ) 从另一 个角度来解r i c h a r d s 方程，引入波尔曼变换( b o l t z m a n n ，1 8 9 4 ) ，解得入渗深度与时间的 l 关系是t2 的幂级数。p h i l i p 公式可以从土体性质中获得所需的参数，而不必用实测值去 拟合参数值【1 4 】【1 5 】。 土壤学学者研究土的入渗问题主要考虑的是一维垂直入渗，b e a r ( 1 9 7 2 ) 将质量守恒 定律和达西定律的数学公式推广到三维问题。应用流体、固体的连续方程，流体的运动 方程、状态方程和介质的压缩定律，推导出饱和一非饱和介质中渗流的控制方程1 6 】。 我国学者陈钟祥( 1 9 8 0 ) 1 7 】、吴望一( 1 9 8 2 ) 【1 酊、郭嗣z ( 1 9 9 0 ) 【1 9 】深入研究了双重及 多层介质渗流，他们主要从物理化学的角度考虑，取得了一定的进展；孔祥言( 1 9 9 9 ) 潜 心研究了多孔介质对流等1 o l 题，取得了显著成果【2 0 】；郭尚平等( 1 9 9 6 ) 还提出了生物多重 介质渗流模型【2 1 】。 渗流理论的研究都主要以均匀介质为对纠2 2 1 ，目前在国内外对非均匀介质的研究较 少，特别是对地裂缝带土体的渗透特性研究尚属空白，而地裂缝灾害的发生与渗流场变 化有着密切的联系。因此，对地裂缝带黄土的渗透特性研究必将成为一个前缘的科学技 术问题。 1 2 3 黄土渗透变形的研究现状 黄土作为一种特殊的粉质粘土，既有粘土的一般性，又有其特殊性，其工程性质最 特殊之处就是变形、强度对水作用的特殊敏感性，即水敏性【2 3 1 。上个世纪以来，黄土对 水的特殊敏感性及其在黄土变形、强度和本构关系等力学特性上所表现出的影响规律一 直是黄土力学特性研究的重点【2 4 】。天然状态下的黄土层的天然含水率比较低，强度比较 高，压缩性也比较低，但是在浸水或增湿后，黄土强度会骤然下降，变形突然增大，其 变化的幅度和变化的速度对其上的工程构造物的稳定性有很大的影响，也是黄土地区地 基稳定性影响的最主要因素，其变化规律是黄土地区工程技术人员最关心的问题。 4 长安大学硕士学位论文 黄土对水的敏感性之根本原因在于黄土具有特殊的微观结构，主要表现在大孔隙 率、垂直的节理裂隙发育和可溶性胶结物，它与分布地域、生成时的气候有密切关系。 黄土的骨架颗粒成分、形态、排列方式、孔隙特征、胶结物种类以及胶结程度等，对黄 土的工程性质有着重要影响。黄土增湿变形的外因主要是力与水的作用，应变与应力、 含水率及渗透系数之间存在的函数关系，即为黄土湿陷的本构关系【2 5 1 。含水率的状态、 历史、路径、变化速率、水平的变化导致黄土的变形和强度随之变化。通过控制试验条 件，把各种影响因素分离开来，可以分析相互之间的规律性。当湿陷性黄土增湿时，强 度骤然降低的同时发生大幅度沉降变形，这也是黄土内在的微观结构发生变化的外在反 映。 国外对黄土渗透变形的研究较少，主要是以r o g e r s 等通过对中国、前苏联、北美 和欧洲黄土的水固结作用进行研究，取得了一定的成果【2 6 】；国内对黄土浸水变形特性的 研究方法主要是原位浸水试验和室内单轴或三轴试验。自2 0 世纪五六十年代开始，我 国就在不同地区进行多次试坑浸水试验，获得了宝贵的实测资料，其大多是在q 。黄土中 进行的【2 7 , 2 8 , 2 9 。钱鸿缙( 1 9 9 2 ) 等通过大量室内外试验对河津黄土地基湿陷变形试验研究， 认为对于没有试坑浸水试验资料计算自重湿陷量时应根据区域湿陷性黄土统计关系乘 以调整系数，黄土自重湿陷敏感性可用自重湿陷敏感系数p 来综合评判【3 0 1 。李大展 ( 1 9 9 3 ) 等在q 2 黄土中进行大规模浸水试验，根据测试结果，场地地基沉陷量主要是 在停水后出现的，是由土层固结引起的，得到结论q 2 黄土与古土壤交互分布地基土与 一般自重湿陷性黄土的湿陷性有很大区别，实测自重湿陷量与计算自重湿陷量相差悬殊 ( 其比值p 。约为o 1 0 0 1 5 ) 2 8 】。张苏民( 1 9 9 2 ) ，曾国红( 1 9 9 7 ) 利用室内单轴或三 轴试验得出在一定的应力范围内，增湿变形具有压密变形的基本性质，即可把湿陷变形 和压缩变形作为同一机理【3 1 3 2 1 。另外，雄冰等( 1 9 9 9 ) 运用离心模型试验，研究了不同 黄土路基高度因降雨等原因而引起得湿化沉降与水平变形分布特征，也得到一些有益的 结论。 其实，湿陷性黄土地基危害性的大小不仅取决于湿陷量的大小，而且与湿陷变形发 展的速率密切相关【3 3 1 。但目前的现场浸水试验重在获得宏观整体的湿陷指标，判断湿陷 等级，预测湿陷变形量，而限于测试手段和工期限制，很少进行黄土浸水后入渗规律测 试与研究，更没有进行黄土增湿过程变形性状的研究【3 4 1 ，特别在地裂缝灾害的地带，由 于黄土本身的裂隙和一级或多级活动引起的地裂缝的存在与扩展，使得土体的变形模量 和强度参数降低，渗透系数增大，损伤加剧，并呈强烈的各向异性，对土体的变形破坏 5 第一章绪论 有重要影响【3 5 1 。现有的工作和取得的成果还不能满足评估黄土非均匀沉降计算工作的需 要，主要问题在于还缺乏对黄土浸水入渗规律和增湿变形和强度特性的完整认识。 黄土增湿剪切变形是在剪应力和浸水共同作用下产生的，并随着剪应力变化而逐渐 发展甚至出现增湿剪切破坏3 6 1 。黄土的增湿剪切过程不仅有增湿剪缩，还有增湿剪胀现 象。当黄土颗粒的“落势”大于“跃势”时出现剪缩：当黄土颗粒的“跃势”大于“落势”时则 出现剪胀【3 7 】。 鉴于目前地裂缝带黄土的研究很少且只限于力学特性的研究，而地裂缝灾害的突发 性活动多与突降暴雨有关。所以，弄清地裂缝带黄土浸水后的强度和变形特性，既对地 裂缝的形成机理研究提供依据，又为政府部门在黄土地区防灾减灾提供借鉴。 1 2 4地裂缝带黄土研究的发展趋势 由于地裂缝带黄土的研究处于起步阶段，尚须解决的理论问题还有许多，随着防灾 减灾工程的急迫需要及技术手段的不断提高，今后的研究将得到进一步的发展。主要趋 势表现在下列方面： 1 、进一步加强对地裂缝成因的认识，正确地揭示土体微观结构对宏观力学响应之 间的关联。 2 、探索地裂缝带黄土结构性定量化的有效途径，完善和应用裂缝带黄土与结构共 同作用的理论和方法。 3 、重视和应用地裂缝带黄土中浸入水份转移和分布的特性规律，找出浸水过程对 变形的相互影响，总结出其导致地裂缝扩展的模式。 4 、总结和应用地裂缝带黄土地区工程建设的经验，将减灾规划、防治工程同社会 经济发展紧密结合。 1 3 研究的主要内容和技术路线 1 3 1 本课题研究的主要内容 1 、分析地裂缝带黄土渗透变形的现状、存在问题及其发展趋势，收集相关资料， 确立研究方向； 2 、研究所选地裂缝场地黄土的宏、微观地质特征，掌握裂缝发育的空间分布规律； 3 、研究地裂缝带黄土在不同状态下的渗透、强度和变形特性，在此基础之上得出 了黄土受到地裂缝作用影响后的渗透指标和力学指标； 6 长安大学硕士学位论文 4 、综合分析地裂缝对黄土浸水后对变形的影响，掌握其渗透变形规律，总结试验 场地裂缝带黄土的渗透变形模式。针对地表水导致地裂缝扩展的模式提出相应的防治对 策。 1 3 2 本文的研究方法及技术路线 本文通过对咸阳地区三原县双槐树村地裂缝灾害预警示范试验场的野外调查，查明 地裂缝带黄土的宏、微观地质特征，找出研究区地裂缝分布和发育的规律，确定了水的 作用是这一地区地裂缝超常活动的外动力因素，并以双环法渗透试验、变水头渗透试验 和三轴压缩试验为手段进行微观研究。在此基础上，选择有地裂缝通过的黄土场地进行 现场试坑浸水试验，对地裂缝带黄土的渗透与变形特性进行了系统的试验研究和深入的 理论分析，总结试验场地裂缝带黄土的渗透变形机理。具体的技术路线如图1 1 。 7 第一章绪论 图1 1 技术路线图 8 长安大学颈士学位论文 第二章试验场概况和地裂缝带黄土的地质特征 2 1 试验场概况 黄土在我国北方各省分布广泛，而湿陷性黄土，又多出现在地表上层。先存的一级 或多级活动断裂所引起的构造地裂缝，致使该地带的黄土土质不均，对其力学性质和渗 透规律有着不可忽视的影响。本文研究的地裂缝黄土为陕西三原地裂缝灾害预警示范试 验场的同一裂缝带、不同深度的裂缝带黄土。 2 1 1 地形地貌 该试验场位于关中盆地渭河北岸的一级黄土台塬上，海拔一般为5 0 0 6 0 0 m ，南与 渭河阶地相接，台塬与阶地高差7 0 l l o m 。在陵前镇与双槐村之间为北东东走向的构造 洼地( 图2 1 ) 。其中，双槐村长坳沿线是该洼地带的的最低区带，呈北东向一直延伸 到太平庄、流曲镇以远方向。 图2 1 试验场区地貌示意图 2 12 地层结构 试验场地层上部为q 3 与q 2 黄土及黄土状土，厚8 0 1 3 0 m ，夹9 2 0 层古土壤，下 部由q l 冲积、洪积和潮相沉积物组成，从老到新叙述如下： 第二章试验场地裂缝带黄土的地质特征 1 下更新统( q 1 ) 为午城黄土( q l w ) + 三门组( q i s ) 地层，钻孔显示厚度为1 8 1 4 4 m 。上部午城组为浅 黄色石质黄土，致密坚硬，含钙质结核，夹有残缺状古土壤层；下部三门组为河湖相沉 积的黄灰色砂岩层、砂砾岩层，并夹有亚砂土与亚粘土。 2 中更新统( q 2 ) 为离石组( q 2 i ) 黄土地层，钻孔显示厚度为1 4 4 9 8 m ，研究区东部的赵氏河、西部的 浊峪河以及台塬南部下均见有出露。主要由风积浅黄色黄土，含钙结核，夹有7 1 6 层 棕红色古土壤层。 3 上更新统( q 3 ) 区内黄土塬地表普遍出露的是上更新统马兰黄土地层( q 3 m ) ，主要为风积浅黄色黄 土，疏松、多孔、含钙质结核、具湿陷性，并发育垂直节理，底部夹有古土壤。 4 全新统( q 4 ) 区内沟谷与试验场南部渭河河谷平原区广泛分布全新统现代冲积物。其中，山前洪 积物( q i p l ) 主要为山前洪积( 扇、裙) 层、砂卵石、砂砾和砂质粘土；早期冲积物( q l m ) 主要为冲积砂质粘土、粘土质沙土、砂和砂砾石；现代冲积物( q 2 8 1 ) 主要为河床、河漫 滩冲积亚砂土、砂和砂砾石。 2 1 3 地质构造 试验场区地处渭河拉张断陷盆地中央北部区域( 图2 2 ) ，高陵一固市断陷块的次级 断隆块体泾阳次断阶的北东部位，在深部构造上处于宝鸡一渭南地幔隆起带的北部 边缘过渡区，莫霍面埋深4 2 k i n 。大地电磁测深资料反映出该区中上地壳1 0 - - 2 0 k m 深 度范围内存在厚约6 s k m 的低阻高导层，为地壳的软弱带；新生代以来，本区一直 处于南北向张应力场作用下的伸展拉伸环境之中。这种深部构造背景和构造应力场背 景，为该地区断裂的活动提供了有利的条件。 三原地裂缝及其周围有数条区域性活动大断裂存在。地裂缝南边约3 k m 处是口镇一 关山东西向大断裂( f 4 ) ，该断裂南北两侧块体的差异运动非常明显，在地貌上显示为 该区黄土台塬与河谷阶地的主要分界线；地裂缝试验场区位于礼泉一蒲城合阳北东东 走向大断裂( f 1 0 ) 带上。试验区及其附近地表所对应的是与断裂走向基本一致的陵前 构造洼地区，该洼地区带一直向富平县的流曲镇以远方向延伸，构成f i o 大断裂北东向 延伸的主要构造地貌标志之一。此外还有与f 1 0 平行的白水舍阳断裂( f 5 ) ，北北东 1 0 k 安大学预士学位论文 向的长安一临撞一白水断裂、双泉一临猗断裂等。对试验场构造稳定性影响最大的主要 是口镇一关山东西向大断裂( f 4 ) 和北东向的札泉一蒲城合阳大断裂，这两条断裂延 伸长、切割深度大，活动性强，在三原地裂缝研究区附近交汇通过，成为引发地裂缝活 动的主要地质因素。断裂的继承性括动对地层分布、岩性厚度变化、地貌发育、水文地 质特征及地热分布均有重要的影响。 圈2 , 2 试验场区地质示意图 2 l4 水文地质条件 试验场区属半干旱性气候特征，降雨多集中在7 9 月份，降水是该区潜水的最主 要的补给源。试验场东部有石川河、赵氏河，西部与清峪河、浊峪河相邻。 场区内潜水含水层深5 0 7 0 m ，岩性主要为亚砂土，属于弱含水层。第一层含水层 以下由多个弱含水层和中富水层、强含水层相间互层组成，弱含水层岩性主要为亚粘土、 亚砂土组成，强含水层主要为砂土组成。场区生活和农田灌溉用水主要采自深层的承压 含水层，井深一般1 2 0 3 0 0 m ，出水量l o 3 0 m 3 h 。近年来，由于用水量明显增加，地 下水位下降较明显，一些水井水量明显减少，从而可导致含水层的释水固结变形。 试验场区无常年流水，且地势低洼，强降水时在低洼地带容易汇集地表水，又因本 区浅层黄土存在湿陷性，从而在积水地带的表水入渗和湿陷可产生渗透变形和湿陷变 形。 第二章试验场地裂缝带黄的地质特征 2 2 试验场地裂缝发育特征 在野外调研期间，为了揭示试验场区地裂缝的空间展布特征、地裂缝与下部断层的 关系、裂缝所处的第四纪地层特征以及地裂缝的深部延伸状况，在横跨地裂缝带布置了 一系列的探槽、浅井和平洞，并对其进行了编录和取样工作。 2 2 1 平面展布特征 试验场区地裂缝由两条近平行的裂缝带f l 和f 2 组成线状延伸明显，走向n e e ， 已探查出的延伸长度约4 k m 。其中，靠南面的裂缝位于构造洼地的南缘，是南部塬区与 北侧沉降洼地的构造和地貌分界线，最新括动形成的裂缝连贯性强，地表破裂呈锯齿状， 整条裂缝呈折线状，裂缝连续分布长度约$ 0 0 m ，地表开裂最大宽度达到2 m ( 双槐村枣 树林内) ；北面的地裂缝位于构造洼地的最低区带，呈断续分布，局部分叉，并形成四 处串珠状的沉降渗水中心( 图2 3 ) 。 图2 3 试验场区地裂缝带分布简图 222 剖面形态特征 该试验场区地裂缝剖面有如下特征： ( 1 ) f i 裂缝带宽度大于3 0 m 。如t j 2 竖井挖了1 0 m 深，平洞挖了2 5 m 长，共发 现隐伏裂缝2 8 条但仍没有穿透裂缝带，其中的单个裂缝数量较多，未出露地表的隐 伏裂缝较多。通过挖掘和清理原砖厂采土所留下的天然剖面可以清楚的看到裂缝带的范 围，其中影响最宽的达4 9 6 m 。f 2 裂缝带宽度小于1 0 m ，裂缝带中的裂缝数量相对较少。 ( 2 ) 浅部地层中的地裂缝角度陡倾近直立，倾角在7 0 0 9 0 0 之间。裂缝宽度较 大( 最大i r a ) ，往地层深部裂缝倾角和宽度都变小，主裂缝倾向n n w 向。图2 4 是双槐 村东侧砖厂主裂缝带附近开挖的探槽剖面，它是由七条近直立的裂缝组成。 1 2 圈24 颓槐事时 j 乐侧砖j 地裂缝带剐i n 】形态剖 ( 3 ) 新近张开的裂缝充填物松敞或无充填，颜色偏深( 图25 、26 ) ：形成较的 裂缝大多数充填或局部未充填，如t c 一7 揭露的数条裂缝宽2 2 5 c m 不等，其中有三条 裂缝未充填或松散充填，为近期活动裂缝：其余均充填较密实为早期活动裂缝( 图2 7 、 2 8 ) 。 图2 5 探槽t c 1 的地裂缝中充填 粘砂质杂p ( 获黑色) 图2 6 探槽t c 7 的地裂缝中充填 杂色砂质杂粘p 第一章 r 验场地裂缝带黄十的地质特征 警| | | | | 隧邕匕篓溺 函隧缀毯髓 图27 探槽t c - 3 的地裂缝局部充填图2 8 探槽t i c 一7 的地裂缝无充填 ( 4 ) 探槽( 井) 揭示裂缝有多种剖面形态( 图2 9 ) 。它们不是一条简单的直线或 曲线，而是常有诸如弯曲、宽窄、间断、错列或分支变化。多数地裂缝也有主裂缝和次 裂缝之分，若干条士次裂缝合在一起形成复杂的图像，组成x 型、“y ”型、雁列型、 阶梯型、箱型等。裂缝土要形态可以描述为：近地表呈直立状态具有上宽下窄的尖楔 形裂口：地表裂缝呈略弯的直线和锯齿形；裂缝在剖面上错列、分支与结环。 氅 b 箱型蛙 r 、”* m t * 图2 9 地裂缝剖面形志图 ( 6 ) 在f l 主裂缝带丌挖的t j 3 探井发生位错，第一层古土壤底部的钙质结核层 甲黔 潮汹”、：| 互 长安大学硕士学位论文 虽大错距达4 0 c m ( 图21 0 ) ，虽近张开的裂缝沿着主裂缝北侧发展。 ( 6 ) 在f 1 主裂缝带的t c l 0 探槽剖面中我们可以看出裂缝活动具有多绒性，不 同期次的新裂缝或沿着老裂缝发展或切割错断老裂缝( 图21 1 ) 。 ( 6 ) 通过对试验场区地裂缝浅层地震和高密度电法的初步勘探( 图21 2 ) ，可以发 现试验场区潜水面以下到深度2 0 0 m 以上地层似乎被错断。 阳2 1 2 浅层地震勘探成果刚 ( 7 ) 通过对探槽剖面的分析，f 1 主裂缝带其裂缝的性质主要以拉张为主 2 23 地裂缝总体特征 裂缝的总体特征主要是指对开挖后的探槽、探井及平洞中裂缝的形态特征、充填情 况及裂缝的活动情况进行详细描述，见表2 掣醛 也 蒌凄錾要薹囊零蓁 根避n 赠 野裂椒吲 枣 辎碟野誉 需 也g 辎娟 蜓 捌辐 嫠馨 萋曩萋羹蓁囊粪羹 捌 臀诞 长憨 烬以 碟 霉妲 卜幅隧睦 裂烬搿 碟躁碟 鋈鋈囊霎 缀鄙 萋蓁萋蓁蓁蓁萋蓁 穴 野镀 砖 薹鋈錾蓁 恹峰 枣 哩曲冀鼍癣蟊 椒氡 喔缸 鄹 雅测箍逦镫卅野止由巨 球蚓嘬碳 恹 蜊 谋 廿副书k 忙野枢根；。，口扭群 椒印衽 嚣黎曼震是震墨- 佃h 限窑 董望蒸霎耋萎 文皇礤需警二 嚣妥秦茹誊篓 娄璧塞霉曩：薹 莲 g 蒸芰翼囊 要；卒至篓墨 坩 ：窿裂裂烈幂 型r 裂癣斟求 耳椒锄硼礤镁 藿 只礤柑苞黧倒 担1 鉴崾 鬻 毫莲量萎茎面 1 一g 镀 。怊到 映 割 碟 丢囊餐蓊茎害 碟暑i 1 ；卜悄商餐 蓬垂嚼- k 冀：l 塞 礤裂搂涮懈羽 口烈1 l f 蜊捌 噬 栾鞲骝艿警 篓篱蕃蓦霾 互哩蓬墨a 嗡 爱 岚 互宴旧状子1 h三宾冁d 赵 删 掣 罂 h 爨裒镫 h 萋竖状羲 鞯宜癸靶j 莹。 扫屡覆菇“- h 靶巾 卜 n 辎骠 u 2 ： 艘辑嫩鼗埝蹈捌臻碧剥球，n僻 始聋峰冒gh枢轻裂裂冒螺繇籍 褂按 辐 譬噩嫠 嚼 h i 来递状 砖 裂 避 碟 o 磐相i 臀 厘镫 幕是莲 。 蜒 罄龄臀喇翌僻 制 徊也蝗根暮 碟 罂臀 嗣蜒 湘懿 冁1 ! 雹：群 蚕簧凄夏蚕蓑 砖 鬓饕 班 螺 量 萋薹| 辇茎量霎 郸 踺晨 恹 霉童曩 制 球 框瑙锭 瘿毗喔 羹耋曩霎霎茎 肇霉