（地质工程专业论文）跨地裂缝钢筋混凝土桥梁破坏机理的物理模型试验.pdf

摘要 大力发展交通运输事业，是加速实现四个现代化的保证。在公路、铁路、城市和农 村道路交通以及水利等建设中，为了跨越各种障碍或是建立立体化的交通，必须修建各 种类型的桥梁，使其成为陆路交通中的重要组成部分。在我国公路交通中，混凝土桥梁 ( 预应力混凝土桥梁与钢筋混凝土桥梁) 是最主要的桥梁形式。 随着西安城市规模的快速发展，西安交通也迅速发展起来。但是从上世纪7 0 年代 后期开始，由于自然和人为等因素的作用和影响，西安先后出现了1 4 条地裂缝带，并 且还在不断发展中。它们对已建的某些桥梁产生了显著影响。因此探究地裂缝对桥梁结 构的影响机制、桥梁跨越地裂缝带破坏模式等问题意义深远。 通过钢筋混凝土桥梁跨越地裂缝的大型( 1 ：5 ) 结构模型试验，利用沉降平台模拟 地裂缝活动，采用沉降杯、高精水准仪、钢弦式压力盒、位移计、应变片等测试元件， 研究西安典型地层埋深1 2 5 m 范围内地裂缝活动对钢筋混凝土桥梁的影响机制，得出混 凝土桥梁在地裂缝带影响下的应力应变特征，确定混凝土桥梁的受力模式，为混凝土桥 梁跨越地裂缝段的结构措施提供科学依据。 用a n s y s 有限元软件建立地裂缝与混凝土桥梁的数值模型，通过数值计算，分析 混凝土桥梁结构在地裂缝影响下的受力及变形情况，并与模型试验所得结果进行对比， 为市政工程中通过地裂缝段的桥梁设计提供试验依据。 本文研究工作得到国家自然科学基金重点项目( 4 0 5 3 4 0 2 1 ) 资助。 关键词：西安地裂缝，钢筋混凝土桥，简支梁桥，结构模型试验，有限元数值模拟 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r t a t i o ni st og u a r a n t e et h a tt h er e a l i z a t i o no ft h e f o u rm o d e r n i z a t i o n sa c c e l e r a t eq u i c k l y i nt h ec o n s t r u c t i o n ss u c ha sh i g h w a y s ，r a i l w a y s ， u r b a na n dr u r a lr o a da n dw a t e rc o n s e r v a n c y , i no r d e rt os t r i d ea c r o s sa l lo ft h eo b s t a c l e so r e s t a b l i s ht h r e e d i m e n s i o n a lt r a f f i c ，e a c ht y p eo ft h eb r i d g ew h i c hw i l lb e c o m et h ei m p o r t a n t c o m p o n e n to ft h eo v e r l a n dc o m m u n i c a t i o ns h o u l db eb u i l ti nc h i n e s er o a dt r a f f i c c o n s t r u c t i o n ，t h ec o n c r e t eb r i d g e ( p r e s t r e s s e dc o n c r e t eb r i d g ea n dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e ) i st h em o s ti m p o r t a n tf o r mo ft h eb r i d g e w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f x i a n , x i a nt r a n s p o r t a t i o na l s od e v e l o p sq u i c k l y b u tf r o m t h el a t e1 9 7 0 s ，d u et on a t u r ea n dm a n - m a d ef a c t o r s ，t h e r ew e r ea l t o g e t h e r l 4g r o u n df i s s u r e b e l t sw h i c ha r eg r o w i n gn o wi nx i a n g r o u n df i s s u r eb e l t sh a dar e m a r k a b l ei m p a c to ns o m e b r i d g e s s oi th a sf a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c et oi n q u i r yt h ei n f l u e n c em e c h a n i s mo ft h eg r o u n d f i s s u r e so nt h es t r u c t u r eo ft h eb r i d g ea n dt h ed a m a g ep a t t e r n so ft h eb r i d g es p a n n i n gg r o u n d f i s s u r eb e l t s t u d i e so fi n f l u e n c em e c h a n i s mo fg r o u n df i s s u r ea c t i v i t yt ot h er e i n f o r c e dc o n c r e t e b r i d g ei n t h ex i a nt y p i c a ls t r a t u mb u r i e dd e p t h1 2 5 ma d o p t e dt e s t i n gc e l l ss u c ha sa s e t t l e m e n tc u p ，h i g h - p r e c i s i o nl e v e l ，s t e e lw i r ep r e s s u r eo nt h eb o x ，d i s p l a c e m e n tm e t e ra n d s t r a i ng a u g e sa n ds i m u l a t e dg r o u n df i s s u r ea c t i v i t i e sb ys e t t l e m e n tp l a t f o r mt h r o u g ht h e l a r g e s c a l e ( 1 ：5 ) s t r u c t u r a lm o d e le x p e r i m e n to fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g es p a n n i n gg r o u n d f i s s u r e i tc o m e st oac o n c l u s i o nt h a tt h es t r e s ss t r a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n c r e t e sb r i d g e u n d e rt h ei n f l u e n c eo fg r o u n df i s s u r eb e l t sa n dt h ec o n c r e t e sb r i d g e ss t r e s sp a t t e r n , w h i c h p r o v i d e st h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h es t r u c t u r a lm e a s u r e so ft h ec o n c r e t e sb r i d g es p a n n i n g g r o u n df i s s u r es e c t i o n n u m e r i c a lm o d e lo fg r o u n df i s s u r ea n dt h ec o n c r e t e sb r i d g ei sb u i l tb yt h ea n s y s f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，t h es t r e s sa n ds t r a i no fc o n c r e t e sb r i d g es t r u c t u r eu n d e rt h ef i s s u r e i n f l u e n c ea r ea n a l y z e dt h r o u g ht h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n w i t ht h ec o m p a r i s o no ft h em o d e l e x p e r i m e n t sr e s u l t ，i tp r o v i d e st h ee x p e r i m e n t a lb a s i sf o rb r i d g ed e s i g np a s s i n gt h eg r o u n d f i s s u r es e c t i o nd u r i n gt h em u n i c i p a le n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e rw o r ko ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o nk e yp r o j e c t s ( 4 0 5 3 4 0 2 1 ) f u n d i n g k e yw o r d s ：g r o u n df i s s u r e si nx i a n ，r e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e s ，s i m p l ys u p p o r t e db r i d g e ， s t r u c t u r a lm o d e lt e s t i n g ，f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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：剐海仡硝年朔e l 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：刘滗谴硒年s 月e l 导师签名：朋玉飒z 9 占年厂月占日 长安大学硕土学位论文 第一章绪论弟一旱三；百下匕 1 1问题的提出 大力发展交通运输事业，是加速实现四个现代化的保证。四通八达的现代交通，对 于加强全国各族人民的团结，发展国民经济，促进文化交流和巩固国防等方面都具有非 常重要的作用。在公路、铁路、城市和农村道路交通以及水利等建设中，为了跨越各种 障碍( 如河流、沟谷或其他线路等) ，必须修建各种类型的桥梁与涵洞，从而使其成为 陆路交通中的重要组成部分；在国防上，桥梁则是交通运输的咽喉，在需要高度快速、 机动的现代化战争中具有非常重要的地位。 在我国公路交通中，混凝土桥梁( 预应力混凝土桥梁与钢筋混凝土桥梁) 是最主要 的桥梁形式。钢筋混凝土桥梁首先出现于1 9 世纪末，由于它具有很多优点，所以至今 仍广泛应用。 钢筋混凝土桥的耐久性好，正确设计及施工质量优良的钢筋混凝土桥可以使用很长 时间。 钢筋混凝土桥所用的材料为钢筋及混凝土，钢筋混凝土的可塑性和可模性好，因此， 可以方便的用来制作各种结构形式的桥梁结构。尤其是用钢筋混凝土可以很容易做成常 用于城市中的斜交桥，这是其它材料难以建筑的。 钢筋混凝土桥的整体性能使得它们对动荷载的动力作用及临时荷载增长的感受性 较小( 但比石桥的程度还是要差些) 。沿钢筋混凝土结构通行车辆的嘈杂声较小。钢筋 混凝土桥具有很大的刚度。 在经济方面，钢筋混凝土桥在很多情形下特别是在短跨及中跨时，比金属桥要更具 有优势。 除此之外，钢筋混凝土桥的施工也比较简单。 钢筋混凝土桥的耐久性好，其检修及养护所需要的费用不大。 由于具有以上的优点，钢筋混凝土桥在都市、公路以及铁路上都应用得非常广泛。 正因为钢筋混凝土桥被广泛的应用，一旦钢筋混凝土桥发生破坏，那么所带来的生 命财产的损失都将是无法预计的，所以对钢筋混凝土桥的破坏的研究就凸显出其必要。 钢筋混凝土桥破坏的原因主要有以下几种：物理化学方面、结构方面的原因、材料 方面、设计与施工方面的原因，以及还有自然灾害方面的原因。 本文主要研究的是自然地质灾害中的地裂缝对桥梁产生的破坏。对穿越地裂缝来 第一章绪论 说，在公路交通建筑的形式上，以桥梁的形式跨越，效果是最好的。它受到的影响与道 路和地铁来说，都要小。而且从维护上来说，桥梁的维护费用要比地铁和道路要小。因 此是钢筋混凝土桥是跨越地裂缝的公路建筑形式的最优选择。 但是，影响程度较小，也只是相对而言。如果由于地裂缝的影响，使桥梁产生破坏 所带来的后果也是很严重的。因此有必要对地裂缝造成钢筋混凝土桥破坏的影响要进行 深入的研究。 自上世纪7 0 年代后期以来，西安市区先后出现了1 0 余条地裂缝带，其活动时间之 长和规模之大，在国内尚属罕见。n 1 地裂缝所到之处，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 均采取避让的方法，但是交通建筑不同于工业与民用建筑，无法避让，必须穿越这些地 裂缝带，并且不允许建成运营后出现大的破坏，因此对跨地裂缝钢筋混凝土桥破坏机理 的研究是十分有必要的。 1 2 地裂缝国内外研究概况 地裂缝，又称地裂，民间俗称“地峡”，是一种常见的自然现象【2 1 。它是发育于地壳 表层的一种岩土介质的不连续现象，是在内外力作用下及人类活动等因素引起的地表破 裂形迹。 随着时代的进步、经验的积累和技术的发展，人们对于自然灾害本质的认识水平也 逐步提高。但是直至二十世纪初期之前，人们对发生地裂缝的事件还都是简单记载，或 者只是简要说明表观原因。 1 2 1 国外研究概况 二十世纪二十年代后期，在美国德克萨斯州休斯敦附近的g o o s ec r e e k 油田出现了第 一条与地面不均匀沉降相伴而生的地裂缝【3 1 ，之后相关部门才慢慢开始广泛深入探究各 种地裂缝现象的成因，并试图减少地裂缝灾害损失和尝试避免地裂缝灾害的发生。 在美国的g o o s ec r e e k 油田出现地裂缝的此后几十年中，由于大规模的生产活动，美 国的地面沉降和地裂灾害一发而不可收，至今已在全国许多地区发现了不同规模的地裂 缝现象。随着人类工程活动的发展和地震科学研究及野外地质考察的深入，世界各地被 发现的地裂缝已经愈来愈多。据初步统计，美国、新西兰、意大利、前苏联、土耳其、 2 长安大学硕士学位论文 蒙古、日本、墨西哥、智利、瑞士、秘鲁、德国、加拿大等国家都出现过不同类型的地 裂缝。【4 h 6 l 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( 姜振泉， 1 9 9 7 ) 1 8 。早在2 0 世纪初期，美国即有学者涉足于地裂缝问题的研究。但是它对地裂缝 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。 而在对于地裂缝的研究过程中，产生了三种地裂缝的成因模式： l 、构造成因 构造成因观点最早由l e o n a r d ( 1 9 2 9 年) 提出，他从地震角度分析了1 9 2 7 年9 月1 2 日出现于亚利桑纳州皮卡乔( p i c a c h o ) 城附近的地裂缝及相距1 3 k m 的e it i r om i n e 地 面异常破裂的成因【1 0 】。认为是1 9 2 7 年9 月1 1 日发生于亚利桑纳州东南部t u e s o 城附近 的地震活动导致了岩层破裂，并使已具破裂面的岩层重新复活。b o 之后有些学者，如 s a v a g e ( 1 9 6 6 ) 、k r e i t l e r ( 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 e ( 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 ) 等对亚利桑纳、加利福尼亚、德克萨斯等州地裂缝的。 研究也坚持构造成因观点。【1 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 由于地面开裂多与抽取地下水引起的地面沉降相伴随，因此地下水开采成因观点在 研究早期就被大多数地裂缝研究者所接受。但对其成因机理的解释很多，如f e t h ( 1 9 5 1 年) 、f l e t c h e r 等( 1 9 5 4 年) 和l o f g r e n 等( 1 9 6 9 年) s c h u m a n n 等f 1 2 1 ( 1 9 7 0 年) 、n e a l 等( 1 9 6 8 年) 、h o l z e r 和d a v i s ( 1 9 7 6 年) 及l o f g r e n ( 1 9 7 8 ，1 9 8 4 ) 等人先后提出了不同的观点。 3 、区域构造活动与地下水开采的复合成因 2 0 世纪7 0 年代末以来，h o l z e r 等人通过对亚利桑纳州中南部构造盆地地裂缝的活动 性、地质环境资料及地面沉降观测资料综合分析认为，该区域构造活动与地下水开采是 影响地裂缝发育及活动的两个主要因素。西哥州、内华达州、加利福尼亚州及得克萨斯 州等地裂缝的系统研究成果( h a n e b e r g ，1 9 9 1 ，1 9 9 2 ；b e l l ，1 9 9 0 ；p a m p e y a n ，1 9 8 8 ； k e a t o n ，1 9 9 1 ) 对h o l z e r 的复合成因观点给予了充分肯定。 随着研究的深入及大量长期观测资料的积累，人们在比较普遍接受地裂缝的构造及 地下水开采复合成因观点的同时，也深深认识到地裂缝成因机理的多样性和复杂性。 第一章绪论 1 2 2 国内研究概况 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。【7 1 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 和“综合说 。 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 ) 西安地裂缝主要分 布在承压水下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开采之后； 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) 叼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) n 4 3 采用二维有限单元法，通过建立二维稳态模型，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。 ( 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掀斜成因( 张家明，1 9 9 0 年) 【1 5 1 和构造重力扩展成因( 王兰生， 4 长安大学硕土学位论文 1 9 8 9 ) 【1 6 】。 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。 ( 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n 力。 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n 町，1 9 8 9 ；夏其发等，1 9 9 0 ：彭建兵，1 9 9 2 ；刘国副1 钔，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 3 本文主要研究内容 综上所述，国内外对地裂缝的研究已经取得了众多成果，但对地裂缝造成钢筋混凝 土桥破坏的研究较少，特别是物理、数值模拟等方面的定量研究偏少。本文重点分析了 以下几个方面的问题： l 、采用比例尺1 ：5 的简支梁桥结构模型，研究西安典型地层在埋深1 2 5 m 范围内 由于地裂缝活动对桥梁结构应力及应变的影响，包括桥面板上的应力和应变，盖梁上的 应力和应变，桥墩上的应力和应变，以及结构附近土体内应力和变形情况。 2 、采用比例尺为1 ：5 的固定端梁桥模型，以分析类似的结构( 连续梁桥、刚构桥等) 在地裂缝活动时的破坏模式( 在桥面板和盖梁上采用角钢固定以加强节点的连接能力) 。 研究西安典型地层在埋深1 2 5 m 时由于地裂缝活动对桥梁结构的影响，包括桥面板上的 应力和应变，盖梁上的应力和应变，桥墩上的应力和应变，以及结构附近土体内应力和 5 第一章绪论 变形情况。 3 、用a n s y s 有限元软件建立地裂缝与钢筋混凝土桥的数值模型，通过数值计算， 分析钢筋混凝土梁桥在地裂缝影响下的受力及变形情况、结构附近土体的变形情况等， 并与物理模型试验所得结果进行对比，对模型试验结果进行优化，为市政工程中通过地 裂缝段的桥梁设计提供试验依据。 6 长安大学硕士学位论文 第二章西安地裂缝的特征 地裂是指在内外营力作用下，工程建设场地区域表层岩土体破裂或地质体结构扩展 贯通的表层显现，从而形成的宏观裂隙，常伴随地面沉陷，地裂缝是其表象。在中国西 北地区最大的城市西安，2 0 世纪5 0 年代后期地裂缝活动发现以来，几十年的时间 给古城西安的城市建设带来了巨大的损失。截止2 0 0 2 年据不完全统计，西安地区地裂 缝和地面沉降灾害直接经济损失达4 0 亿元。因地裂缝与地面沉降超常活动毁坏楼房1 7 0 余栋，厂房、车间5 7 座，民房近2 0 0 0 间，7 4 条道路遭到破坏，累计错断供水、供气管 道5 0 余次，立交桥2 座，不能有效利用土地4 1 5 4 h m 。另有数十口深井因地面沉降井管 上升而报废，地面沉降还危及多处文物古迹的安全。著名的唐代建筑物大雁塔向n e 方 向倾斜1 0 0 4 m m ，钟楼下沉1 0 0 0 m m 之多。另外由于建筑物的严重破坏和供气、供水、 排污管道破坏而产生的停气、停水等造成的间接经济损失及社会影响更难以估量。嘲 2 1 地裂缝分布状况 西安市区根据地表出露形迹和多种勘察手段确定的地裂缝带有1 4 条，由图下2 1 可见，由北往南依次为口u ： ( 1 ) 城北南寨( 方新村井上村) 地裂缝带( 厶) 位于光大门黄土梁上，西起方新村，东至井上村，全长0 8 k i n ，总体走向8 0 0 ，带 宽达3 m 。目前地表无迹象，地裂缝活动强度及致灾程度微弱。 ( 2 ) 城北大明宫辛家庙地裂缝带( 无) 沿光大门黄土梁南侧发育。西起大明宫遗址，经西安耐火材料厂、陕西重型机械厂 福利区、辛家庙北村、东至新房村。出露长度4 0 k i n 。总体走向7 5 0 ，倾向南，倾角7 5 0 ， 变形带宽达15 m 。辛家庙附近地裂缝活动强烈，致灾严重。 ( 3 ) 城北红庙坡龙首村八府庄地裂缝带( 厶) 沿龙首塬黄土梁南侧发育。西起星火路，经红庙坡、西安味精厂、八府庄水泥制管 厂，东到秦孟村、米家崖。出露总长度1 0 5 k m ，总体走向8 0 0 ，倾向南，倾角8 6 0 ，贯 通性较好。该地裂缝从大庆路加油站向东至秦孟村一段已在地表出露，其中北稍门联志 村至八府庄段活动强烈，沿线的建筑物和道路设施遭严重破坏。大兴路加油站至白家口 段和秦孟村至米家崖段还未见地表出露。 7 第= 章西安地裂缝的特征 图2 1 西安地裂缝平面分布图 ( 4 ) 城西劳动公园地裂缝带( ) 沿劳动公园黄土梁南侧发育。西起兰空干休所，经劳动公园、无线电十一厂、玉祥 门南、莲湖公园、城墙东北角，东至铁路材料总厂。勘察查明的长度1 2 k i n ，其中5 5 k m 已在地表出露。西段西起北石桥，经石家围墙、任家庄，至西安仪表厂东。北石桥污水 处理厂至兰空花园段未见地表出露，其余东西二段均活动强烈，已在地表出露。中段西 起青年路东口，穿越北大街，经后宰门、西安市中心医院，至西安市8 9 中学。该段均 已活动且在地表出露。东段西起城墙东北角的南郭上村南，经东闸口、铁路材料总厂， 车站、华清路加油站，沿华清路向东至十里铺南。该段的西部铁路材料总厂以西均已出 露于地表，且活动强烈。其东郊未见活动。 ( 5 ) 城西南边家村( 西北大学) 地裂缝带( ，4 ) 沿槐芽岭黄土梁南侧发育。西起东桃园，经劳动南路、西北大学、甜水井、南院门、 长安大学硕士学位论文 西京医院，东到西光厂，出露总长度5 3 8 k m ，总体走向3 0 0 ，倾向南，倾角8 5o 。活动 中等，对西北大学附近建筑物破坏较严重，在含光门西、东门北城墙上均有破坏，但贯 通性差。 ( 6 ) 城南和平r - j s i , 地裂缝带( 疋) 沿南稍门、古迹岭、动物园一线的黄土梁南侧发育，走向大致为n e 7 0 0 。西起丈 八北路西辛庄南，经西安高新区、西安电子科技大学、黄雁村、南稍门、西安电力试验 研究所、石油仪器总厂、陕西日报社、兴庆公园西门、互助路立交，沿韩森路北，经韩 森寨十七街坊、十六街坊、长乐坡西段，至黄河小学。越过泸河后，在灞桥电厂出露于 地表。勘察查明的长度为1 7 5 k m ，地表出露8 2 5 k m 。 疋地裂缝的西段黄雁村至丈八北路未见地表出露，该段西安电子科技大学至北方乐 园已查明主地裂缝南侧发育次生地裂缝爿，两者倾向相反，剖面上呈y 字型，平面上 近似平行，两者间距约3 0 m 。， 疋地裂缝黄雁村向东至黄河小学段，地裂缝已在地表出露，其中石油仪器总厂、陕 西日报社和韩森路北侧至黄河小学的地段，活动性强烈。西安地裂缝最大垂直位移就产 生在韩森寨十七街坊，至2 0 0 6 年2 月的累计垂直位移达到6 0 - 7 0 e m 。 ( 7 ) 草场坡( 秦川厂) 地裂缝带( 以) ， 沿交通大学黄土梁南侧发育，呈8 0 0 展布。西起沙井村，经西斜七路过街天桥、南 二环立交桥、建筑科技大学北院、铁路分局、微波厂、秦川厂，东到纺织城国棉四厂北。 出露总长度1 2 k m ，地裂缝连贯性好，走向变化较大，局部走向4 5o - - - 1 1 5 0 。其中活动 强烈地点分布在草场坡、西安交大、西安微波设备厂和秦川厂等地，其中地裂缝与地铁 设计线路相交的南二环长安路立交桥地段，活动强烈，致灾严重，在立交桥墩附近形成 宽达3 2 m 的地裂缝变形带，垂直变形达2 0e m ，目前正在活动，危险性大，而该地裂缝 在西安微波厂内车间地面的累计垂直位移已达6 0 c m 。 已查明草场坡至南窑头村南，五地裂缝南侧发育次生地裂缝z ，其中太白南路以 东已在地表出露，以西呈隐伏状。两者间距为3 0 , - 、一1 3 0 m ，东部为3 0 - - 7 0 m ，西部为7 0 1 3 0 m 。f l 地裂缝北倾，与兀地裂缝倾向相反，剖面上呈) r ，字型。 ( 8 ) 小寨路( 铁炉庙) 地裂缝带( 厶) 9 第二章西安地裂缝的特征 沿乐游塬黄土梁南侧发育，西起西高新开发区，途经丈八沟、木塔寨、丁白村、吉 祥村、小寨、后村、铁炉庙、阳光小区，东至陕西钢厂、纺织城国棉六厂。 勘察查明长度2 0 k m ，地表出露长度为1 4 5 k m 。总体走向7 5o ，倾角8 4 0 ，活动强 烈，致灾严重。该地裂缝的西段，丈八沟以西的西高新开发区内未见出露于地表，中段 均已出露于地表，活动量最强烈的地段位于丁白村、铁炉庙和西安汽车技术学院等地， 累计最大垂直位移可达5 0 - - - 6 0 e m 。其中与地铁二号线相交的小寨商场及长安大学小寨 校区附近( 见图2 5 ) ，路面沉降变形大，路西小寨大中电器楼群北侧已留出避让带，目 前该处柏油路面变形带宽达1 7 m ，垂直变形达2 1 e m 。东段陕西钢厂以东场地也未见出 露地表。 ( 9 ) 大雁塔- 北池头地裂缝带( 五) 西起西安高新技术开发拓展区，经里花水村北、丈八沟西村、紫徽馨园小区，二府 庄、西安医学院、陕西财经学院、大雁塔、北池头村、西安理工大曲江校区、西安交大 科技园，至西安市七十八中学附近。整体贯通性较好，勘察查明的长度为1 7 5 k m ，已在 地表出露的长度仅2 5 k m 。 该地裂缝仅中部邮电十所至北池头段出露于地表，其余大部分都呈隐伏状。 ( 1 0 ) 电视塔北陕师大地裂缝带( ) 西起齐王村东，经潘家庄南、长延堡村、陕西师范大学、西安外语学院、植物园， 至太平堡村东。出露长度3 0 k i n ，整体走向7 0 0 ，倾向南，倾角7 0 0 - - 8 0 0 ，其西段潘 家庄至长延堡地段倾向北。 该地裂缝活动段分布在长延堡村至木材四站和西安植物园至太平堡村东。地裂缝从 陕西师大南侧通过时，导致校园内建筑物上多处开裂，在路西长延堡楼群中已留出4 0 m 避让带。而在长安路以西，该地裂缝由主地裂缝和次生地裂缝组成。两者倾向相反，相 距7 0 1 0 0 m ，近似平行。 ( 1 1 ) 新开门至电视塔南地裂缝带( 石。) 位于吴家坟到南窑头黄土梁南侧，西起西姜村，经西三爻村北、电视塔南、瓦胡同 村，省南郊射击场、王家庄、新开门、黄渠头，至秦川分厂南侧。呈断续出露，出露于 地表的长度约l k m 。总体走向7 0 0 ，倾向南，倾角8 0 0 。该地裂缝仅在长安路两侧出露 于地表，绝大部分地段均呈隐伏状。 1 0 长安大学硕士学位论文 ( 1 2 ) 南寨子一新小寨地裂缝带( ，t - ) 分布于结核病院黄土量的南侧梁洼转折部位。西起南寨子村，经西三爻村南、南绕 城高速长安路立交，东至南寨子村。全长约2 5 k m ，两端地面出露明显，中间呈隐伏状， 其中在地表出露的长度约1 5 k m 。总体走向6 4 0 ，主裂缝倾向s e ，倾角7 7 0 。 目前，仅在西三爻村南未见地裂缝出露，其余大部分已出露于地表，且活动强烈， 其中长安路附近的活动速率较大。在南寨子附近地面裂开2 0 c m ，高校木器厂、长安路 绕城立交桥连接线附近裂开0 5 - - - 1 0 c m 。 ( 1 3 ) 东三爻一曲江池地裂缝带( ，= ，) 分布于南窑头村黄土梁南侧，仅在东三爻村的局部出露于地表。西起长安路三森家 具城北侧，经东三爻村、南窑头村南、雁南路与雁南五路十字、省射击场南侧，东至曲 江西村。全长2 5 k m ，其中在地表出露的长度仅0 5 k i n 。总体走向7 0 0 , - - , 7 5 0 。在东三爻 村可见地面、房屋开裂，表现为南倾南降，西曲江池农田出现串珠状落水洞。 ( 1 4 ) 其中第十四条为李新生2 0 0 7 年首次发现，分布范围西至皂河，东到纺织城，南 起三爻村，北至井上村，面积约1 6 0 k m 2 。 2 2 西安地裂缝的形成机制 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1 。这 和国际上的关于地裂缝的成因的种类是一致的。 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 ；肖箐英等，1 9 8 9 ：夏其发等，1 9 9 0 ； 彭建兵协1 ，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( 图2 2 ) 。 第一帝目立地裂缝特征 mm ， 西安地裂缝历年话动速率圈 图2 2 地裂缝历年括动速率图 但是近几年局部超采地下水明显引起地裂缝活动加剧( 如 ) 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： ( i ) 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，临潼一长安 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。 北以渭河断裂为界，东南以临潼一长安大断裂为界，其中临澶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，目前已查明的1 3 条西安地裂缝均位于该断裂 北侧，| 弭者走向一致，组成了统一的断裂系统，并影响了西安地区黄土粱洼地貌的地形 变化1 。 ( 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 位尚有数百口自备井，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，使区域水位下降。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 西安地裂缝的特征 231 西安地裂缝的基本特征 西安地裂缝是种区域性的地质灾害现象，在平面上具有明显的方向性、成带性、 长安大学硕士学位论文 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 3 和图2 4 ) 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， 与临潼长安断裂倾向相反，倾角约8 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，即梁 岗地貌的南侧陡坡上( 梁间洼地的北侧边缘) 。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。嘲 图2 3 西安地裂缝与地貌构造关系图 1 3 第一m “盘裂缝的特 圈2 4 西安地裂缝带剖面组合形式图 232 西安地裂缝的活动特征 根据1 9 6 0 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 活动划分为三级：活动强烈，速率 3 0 m m a ； 活动较强烈，速率5 3 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 m m a 居多，最大达 5 5 0 6 m m a 。就其活动特点而言，西安市地裂缝具有较明显的活动速率的不均匀性、活 动方式的一致性和位错同步性等特性。“7 1 现有的髓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1 1 0 m m a 之间。同一条地裂缝不同 地段恬动强度也有差异，总体规律是西部较弱，中部较强或强，东部强烈。但近几年来 有些地裂缝( 如6 、矗) 的西南段活动性明显增强并向西南继续扩展。懈 2 4 在地裂缝影晌下桥梁发生的破坏模式 从现有的资料来看直至目前，对跨地裂缝的桥梁的研究还是比较少的。随着西安 城市的快速发展，各种桥梁形式特别是城市立交越来越多的出现，促使人们对跨地 裂缝桥梁的研究。桥梁结构在地裂缝作用下产生的破坏不仅带来维修费用高、维修时 问长、对现行交通影响大的问题，而且维修技术难度也大得多。因此，研究跨地裂缝的 桥梁的破坏模式是非常有必要的。 241 现有的跨地裂缝的桥梁破坏分析 241l 长安路立变 1 9 9 4 年建成通车的艮变路上跨南二环立交( 简称长安路立交) 为两层变形苜蓿叶互 长安大学硕士学位论文 通式立交，f 6 地裂缝斜交桥位( 如图2 5 ) 。 长 ? 3 0 0 6 0 0 0 0 一 量一麓裂缝及编号 矾裂缝灾害点6 2 1 观溯点及绽号 图2 5 疋地裂缝平面展布图 2 0 0 7 年8 月份，我们课题组对长安立交的地裂缝对桥梁的破坏情况进行了调查。调 查发现，在长安立交南段，由于f 6 地裂缝的影响，桥面板的交界缝形成错动，东侧桥 栏处垂直错动1 5 c m ( 北高南低) ，水平错开1 5 c m ( 北一西，南一东) ，裂缝宽约2 - 5 c m 。 ( 图2 6 ) 桥中间景观带栏杆错动明显，张开1 0 c m ，水平错动1 5 c m ( 北一西，南一东) ， 无明显垂直错动。此缝南侧依次分布有4 条裂缝，间距3 - 8 m ，最远的一条距桥中央4 0 m ， 这些裂缝均为东西向，横穿桥面。在长安立交的中央，东侧桥栏张开约9 1 5 c m ，西侧桥 栏张开约3 c m ，( 图2 7 ) 垂直有微错动，桥面伸缩橡胶止水带被拉裂破坏，沿此缝桥中 间景观带栏错开，东侧栏张开9 5 c m ，西侧3 5 c m 。在长安路立交的北段，裂缝位于桥 中央以北1 3 6 m 处，裂缝东端桥栏有水平错动，错距1 - 2 c m ( 北一西，南一东) ：垂直错 距2 5 c m ( 北低南高) 。以紧邻此桥栏第一个车道分界栏为界，桥板交界缝东西宽度不同； 西端桥栏只有水平张开，约3 c m ，没有水平，垂直错动( 图2 8 ) 。 课题组同时对立交桥下路面及周围情况进行了调查，调查发现，在立交桥下南侧慢 车道，裂缝可见长度1 0 m ，以6 5 度走向穿过路面，路面上裂缝宽1 5 - 3 0 c m ，已修补。裂 缝末端位于桥下快慢车道分界栏处，引起路栏错动，垂直错动量1 5 c m ( 西高东低) ，同 时也有水平错动，错动量3 c m ( 西一北，东一南) 图2 9 。此裂缝处南侧桥墩面上裂开 约1 2 条裂缝，间隔约3 m 左右，均垂直地面。我们在调查中还发现，在立交桥下东北侧 慢车道，裂缝可见段长约1 0 m ，走向5 0 度，裂缝起始端位于快慢车道交界栏处，错动 较大，整体上上部错动比下部大，上部垂直错动量2 0 c m ( 西高东低) ，水平错动量6 c m ( 西一北，东一南) ，下部垂直错动量1 3 c m ，水平错动量3 5 c m ，图2 1 0 。裂缝向东北 延伸，所经之处地形下陷，呈现凹槽状。距此裂缝约4 5 m 以东路面有一条同向裂缝，长 8 m ，裂缝宽约2 - 3 5 c m ，向东北延伸，路边草坪内仍可见，走向近东西向，呈串珠状陷 1 5 第。t 西立袋缝特* 薄洞。 通过市政设计院多年来的枪测资科以及我们此次的地裂缝调查分析可知，上述破坏 仅引起桥梁的儿何变形，并未对结构产生大的受力破坏