（地质工程专业论文）黄土破裂特性试验研究.pdf

摘要 岩土体在外力作用下会发生各种各样的破坏，包括拉裂破坏、剪切破坏及塑性流变 软化等。发育于汾渭盆地黄土体中的地裂缝，其成因复杂多样，实质上也是土体在应力 一渗流一损伤耦合作用下的一种破裂行为。本文以汾渭盆地地裂缝为研究背景，以三原 县双槐树村地裂缝试验场为试验场地，通过对地裂缝发育的介质环境一黄土( 包括裂隙 性黄土) 进行抗拉、抗剪、流变特性力学试验研究，以及各种作用下的数值试验研究， 分析了与地裂缝有关的黄土破裂特性及破裂行为，并在此基础上讨论了黄土地区地裂缝 的成因机制与扩展机理。 黄土的单轴拉伸试验表明，黄土的抗拉强度与极限拉应变值均很小，地质环境下发 育的黄土地裂缝与黄土的弱抗拉特性有着密切的关系，当黄土体内拉应力储备大于其抗 拉强度时，拉应力便会寻找一种可以释放能量的通道，于是在土中产生拉张裂缝；黄土 的蠕变试验表明，土体达到破坏性蠕变阶段时的极限应变与围压及含水率大小有关，高 湿度黄土具有更明显的流变软化特性，三原地表张开的地裂缝与突降暴雨的短期浸泡作 用直接相关，属于浸润作用下的短期流变软化一开裂问题，深部地裂缝则存在长期应力 作用下的蠕变现象；裂隙性黄土的抗拉破裂及抗剪破裂特性表明，其破裂主要受控于所 处的应力状态及土体中原有的宏观结构面，在低围压情况下，裂隙性黄土更容易沿原有 裂隙结构面产生裂缝而破坏，黄土体中多数地裂缝是在土体中原有的结构面上发育起来 的；借助数值分析软件r f p a ，真实地再现了土体中裂纹的萌生、扩展至贯通过程，并 且确定出了各种因素作用下的起裂应力及裂纹扩展路径。 黄土在各种作用下的破裂特性试验研究表明，汾渭盆地的构造应力场是引发地裂缝 的主控因素，其他一些作用则为附加因素。 关键词：黄土破裂；地裂缝；抗拉强度；剪切特性；流变特性；成因机制：扩展机理； 构造应力场 a b s t r a c t t h es o i lw o u l dg e n e r a t ea l ls o r t so fb r o k e nu n d e rt h ef u n c t i o no fe x t e r n a lf o r c e ，s u c ha s t h et e n s i l eb r o k e n ，t h es h e a rb r o k e na n dt h ep l a s t i cr h e o l o g y t h eg r o u n df i s s u r ed e v e l o p e di n f e n w e ib a s i nh a dt h ec o m p l e xg e n e s i s ，a n dw a sak i n do fs o i lb r o k e nu n d e rt h ec o u p l i n g f u n c t i o no fs t r e s s ，s e e p a g ef l o wa n di m p a i r m e n t t h ea u t h o ri nt h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h e m e c h a n i s mo fg r o u n df i s s u r e si nf e n w e ib a s i na c c o r d i n gt ot h eg r o u n df i s s u r e si ns a n y u a n t e s t i n gf i e l d b a s e do nas e r i e so fm e c h a n i c a lt e s to fl o e s s ，s u c h 硒t e n s i l et e s t ，s h e a rt e s t ， c r e e pt e s ta n dn u m e r i c a lt e s t ，a n a l y z e dt h er u p t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n db e h a v i o rr e l a t e dt ol o e s s g r o u n df i s s u r e s b a s e do nt h i s ，d i s c u s s e dt h eg e n e s i sa n de x p a n s i o nm e c h a n i s mo fg r o u n d f i s s u r e sd e v e l o p e di nl o e s s t h et e n s i l et e s ti n d i c a t e dm a tt h eg r o u n df i s s u r e sd e v e l o p e di nl o e s sw e r ec o n c e r n e dt o t h ev e r ys m a l lt e n s i l es t r e n g t ha n dl i m i ts t r a i no fl o e s s w h e nt h et e n s i l es t r e s si nl o e s sw a s b i g g e rt h a nt e n s i l es t r e n 垂a a , t h et e n s i l ec r a c k sw o u l dc o m ei n t ob e i n gt or e l e a s et h et e n s i l e s t r e s s t h ec r e e pt e s ti n d i c a t e dt h a tt h el i m i ts t r a i ni nd e s t r u c t i v ec r e e ps t a g ew a sr e l a t e dt ot h e c o n f i n i n gp r e s s u r ea n dw a t e rc o n t e n t ，a n dt h eh i l g hw a t e rc o n t e n tl o e s sh a dt h em o r eo b v i o u s t h e o l o g i c a ls o f t e n i n gc h a r a c t e r t h es a n y u a ng r o u n df i s s u r ed e v e l o p e d o nt h eg r o u n ds u r f a c e w a sn e a r l yc o n n e c t e dw i t hd u m pr a i n s t o r m ，a n dg r o u n df i s s u r ed e v e l o p e di nd e e pl a y e rw a s r e l a t e dt oc r e e pu n d e rt h ef u n c t i o no fl o n g t e r ms t r e s s t h et e s to ff i s s u r e dl o e s si n d i c a t e dt h a t ， t h es t r e s ss t a t ea n dt h eo r i g i n a ls t r u c t u r a lp l a n ec o n t r o l l e dt h er u p t u r eo ff i s s u r e sl o e s s ，a n dt h e f i s s u r e dl o e s sw a se a s i e rt op r o d u c ec r a c k su n d e rl o wc o n f i n i n gp r e s s u r e b yu s i n gt h e n u m e r i c a la n a l y z i n gs o f t w a r er f p a ，t h ei n i t i a t i o n ，t h ee x p a n s i o na n dt h ep e n e t r a t i n go f f i s s u r e si nl o e s sw e r er e a p p e a r e d ,a n dt h es t r e s sa n de x p a n s i o np a t ho fc r a c k sw e r e d e t e r m i n e d t h eb r o k e nt e s to fl o e s ss h o w e dt h a tt h et e c t o n i cs t r e s sf i e l do ff e n w e ib a s i nw a st h e c o n t r o l l i n gf a c t o rt og r o u n df i s s u r e s ，a n do t h e rf a c t o r sw e r ea d d i t i o n a lf a c t o r s k e yw o r d s ：g r o u n df i s s u r e ；l o e s s ；t e n s i l es t r e n g t h ；r h e o l o g i c a lc h a r a c t e r ；t e c t o n i cs t r e s sf i e l d ； g e n e t i cm e c h a n i s m ；r u p t u r em e c h a n i c s ；e x p a n s i o np a t h 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：硐彳 叩年胡沙日 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：掬许 导师签每：杉l 之气 砷年，b 月刀e 1 沙7 年7 z 月川j 长安大学博士学位论文 1 1 论文选题背景 第一章绪论帚一早珀下匕 地裂缝是一种表生地质现象，俗称“地峡 ，是直接或间接地恶化环境、降低环境 质量、危害人类和生物圈发展的地质事件【1 1 。中国对地裂缝的记载较早，比国外早了四 千多年。有关地裂缝记载的史书很多，其中包括太平街览、资治通鉴、墨子非 攻下、后汉书本记、旧唐书、山西通志、天灾表及一些地方志及历史文献 等。王景明通过查阅史书发现，史书中所记载的地裂缝大多分布在中国东部地区，尤其 在大华北七省中。对大华北七省的4 0 0 0 多年来有记载的1 0 8 起历史地裂缝进行综合研 究发现，华北地震与地裂缝活动的时序起伏、力学特征、成因环境都是相关的，它们是 一个统一的区域构造应力场作用的产物。因此，我国地震学术界将有关地裂缝作为地震 前兆现象之一。1 9 6 6 年，在我国东部地区人口稠密的河北平原地区，发生了6 8 级和7 2 级地震，使国民经济和人民生命财产遭受到了巨大的损失。之后的时间里，在我国大华 北其他一些地方也发生了破坏程度不一的地震，与此同时，中国东部许多地区不断发现 地裂缝，并由分散活动逐渐趋于集中在大华北地区发生。自此，地裂缝作为可疑的地震 前兆，引起了人们的高度重视，许多科技工作者开始展开对地裂缝的调查研究工作。进 入二十世纪9 0 年代，在大华北地区出现了大面积的地裂缝活动现象，尤其是邯郸、西 安、兖州、临汾、榆次、大同等城市也出现了规模较大的地裂缝，造成城市建筑损坏、 道路变形、管道破裂、农田漏水等，危及工农业建设和城市生命线工程的安全，经济损 失数以亿计。 位于青藏、鄂尔多斯、华北、华南四大块体之间的汾渭盆地构造带( 图1 1 及图1 2 ) ， 全长千余公里，总体呈n e s w 向的“s ”型，地理坐标大致为3 4 。 - - - 3 6 。n 和1 0 7 。 1 1 2 。e 之间，由一系列新生代断陷盆地组成，包括大同盆地、忻定篙地、太原瓮地、 临汾盆地、运城盆地及渭河盆地等六大盆地，是世界上著名的地震、地质灾害活动区之 一，地裂缝便是其中最典型的地质灾害。目前，在西安、大同、榆次、临汾、运城等地 区，由地裂缝引起的经济损失已达到了几千万至几十亿元，严重威胁着这些地区的居民 生活和经济建设【z 】。 汾渭地堑是由一系列断陷盆地构成的新构造活动带，新构造运动表现为左旋( 渭河 第一章绪论 瓮地) 或右旋( 山西断陷带) 扭动和横向拉张的联合作用特点，其总体特征是盆地相对 于周围山体的持续下沉。汾渭盆地分布着大量黄土，区内的地裂缝大多发育于黄土地层 中，黄上特殊的工程力学性质和地层结构为地裂缝的产生提供了独特的孕裂基础。在西 安地区，目前己发现的地裂缝均顺着黄土粱展布，且均出现在黄土粱的南侧洼地中( 图 l3 ) 。可见，地裂缝现象对黄土地貌的形成具有独特的影响，两者之间存在一定的成生 关系 3 1 。 * t t - ￥n ：，j _。 田1 i 汾精地堑区域地质田 田t j 汾楫盆地扣造略图厦地爱麓分布示毒田( 据张家嚼鹰辩聱糖) 鲢蜜人学博l - 学论j 图1 3 西安黄土粱洼地貌及地裂缝分布图 口前认为，汾渭盆地黄土中发育的地裂缝具有如f 摹本特征1 4 i ： ( i ) 具有明显的方向性和成带性。区内地裂缝一般不受地形地物的影响而径直延 伸沿走向地裂缝往往芏带状分布，且地裂缝带多与活动断裂在空h j 上相对应，两青走 向一致： ( 2 ) 平面特征和剖面特征明显。地裂缝在平面上多呈不规则的锯齿状剖面上呈 宽f 窄的楔形裂e l ，倾角大都较陡( 6 0 。8 0 。) 裂缝两壁多粗糙； ( 3 ) 继承性和扩展性明显。医内现今地裂缝 f 【f 分足在史前地裂缝或历史地裂缝的 基础上重新活动的，因而具有较强的继承性，地裂缝一旦产生，扩展f 分迅速，纵向上 多沿走向由初期裂点、裂段向一端或两端扩展； ( 4 ) 具有水平拉张为主的运动方式。地裂缝位移方式主要以水平拉张为主次为 垂直错动，水平扭动量甚少； ( 5 ) 成因复杂。区内地裂缝成困复杂人致町分为地震地裂缝、活断层活动地裂 缝、滑坡地裂缝、黄上湿陷地裂缝和人为活动地裂缝等，并以前两种构造地裂缝占优势： ( 6 ) 成灾显著。广泛分布于汾渭锭地内的地裂缝，已对生产建设和人民生活造成 了严重的损失。 陕西省是地质灾害频发的苇要省份之一。据陕西省地质调查局统计，陕西省每年均 有各炎地质灾害发生，其中主要包括地裂缝、地面塌陷、泥石流、崩塌及滑坡等( 幽l4 ) ， 对陕西省的经济建设造成极大的威胁。就地裂缝这一地质灾害州言，其分布范围已遍及 许多地方，包括西安市、渭南市、威阳市、风翔县、泾阳县、三原县、韩城市等。其中， 第章绪论 ( a ) 2 0 0 3 年伯) 2 0 0 4 年 l 一地裂缝；2 一地而塌陷：3 泥t i 流；4 崩塌；5 一滑坡 图1 4 陕西省地质灾害构成示意罔 承载着华夏文叫的卉都两安，是遭受地裂缝灾害最严重的城市之一。西安市北临渭河， 市依秦岭，东临骊山，西滂沣河，位j 。北纬3 3 0 4 i 3 3 。4 3 。，东经1 0 7 0 3 8 1 0 9 。4 9 之m ， 地势总格局足东南高m 西北低。东南为黄土台塬，由东南往西北旱阶梯状下降，西北足 大片冲秘平原，地势开阔平坦。伞区海拔3 6 0 7 0 0 m 河谷冲积平原r 多低于5 5 0 m ， 黄土台塬区一般为5 5 0 - 7 0 0 m ，是陕西省政治、经济、文化和交通中心也是世界著名 的四大文明古部之一。据史料也载，两安地区历史上曾发生过至少i 五次地裂现象。康 熙成宁县志称，“西安地裂横竖血画”。近五f 年来，地裂缝的活动因人为因素而更加 强烈，成为城市建设的主要地质灾害。西安市的标志性建筑物一吉城墙、钟楼、大雁塔 等名胜古迹亦1 i 可避免地受到损害，有关研究成果表明，由于过量丌聚地卜水引起的地 裂缝活动量，- 与地裂缝活动总量的百分之八h 西安钟楼因此f 沉了= 百九l 。五毫米( 图 l5 ) ，村大雁塔竟向啊北倾斜了一千一百毫米( 图l6 ) 。 图1 5 下沉的西安钟楼圈1 6 倾斜的西安大雁蟮 资料显示，西安市的地裂缝最早发现t1 9 5 8 年，1 9 7 6 年以后，发育规模和活动强 。 -。 。 。 l矧 _。，-。-：。 |兰舌m主要m” k 盛大学博i 学位论文 度急剧增大。如今，随着人类i 程活动的加剧，西安地裂缝事件愈演愈烈，| 发而不可 收拾，已给西安市人民的生活和生产建设造成了极大的危害( 凹l7 图l1 0 ) 。据调查 统计，最近几年，西安地裂缝己使1 3 2 幢楼房破坏，其中2 1 幢全部或部分拆毁。还有 1 0 5 7 问平房( 含民房、两层楼房、车f u 】、校舍、仓库等) 毁坏或受损；土道路破坏6 0 处，地r 管道1 0 处深水井3 口围墙4 2 7 堵，礼章、蓄水池、游泳池、停车场等公 批设施7 处；受损村寨4 1 个工厂9 l 座，q j 小学及人专院校4 0 所，其他企事业单位 9 7 处，仪楼房、平房损失估计( 不肯维修赞) 达2 1 6 46 万元。著将其他损突费及维修 费等讨箅在内，则损失更犬。 图17 地裂缝危_ ；5 乏人类居所 鏊一黼窿一。必蒯 图1 9 地裂缝切断地下水管道图1 1 0 地裂缝错断变通要道 町见，地裂缝问题已不仅仅是一个简单的地质灾害问题，它已走进了人们的日常生 活，破坏了人类的生存环境，已成为人们普遍关注的社会阐题。随着“西部大丌发”战 略的实施，“r 一五”期问陕西省的基础建设任务十分繁重。然而，若在受地裂缝干扰 地段进行基础设旌建设，地裂缝问题便成了工程建瑷中的“拦路虎”，如拟建的西安地 铁2 导线工程，白北向南穿越l o 条地裂缝和2 条次级裂缝( 图l1 1 ) ，地裂缝的存在势 一，d ，一-_l，。i_ 一鲞 第一章绪论 必威胁到地铁2 号线的施工及运营。如何确保 施工过程中的安全及地铁工程建成后的安全 运营，已成为该工程设计的首要技术难题。因 此，尽快开展深层次的地裂缝研究，把握地裂 缝的未来扩展趋势并提出相应的防治对策，对 于城市规划及城市建设已显得尤为迫切和必 要。 西安市地裂缝的危害性引起了许多单位 和个人的注意，经过一些学者先辈的调查研 究，已基本摸清了西安地裂缝的分布特点。图1 1 l 地铁2 号线与地裂缝位置分布图 西安市地裂缝的分布形态在平面上具有定向性、成带性和等问距性特征( 图l1 2 ) ，在 剖面上大致呈“阶梯状”、“y 型”及“追踪式”三种形态( 围1 1 3 ) 。这些地裂缝均沿 n e e 方向平行伸展，并且具有垂直位错、水平拉裂和扭动等三种变形特征。 圈i 1 2 西安地裂缝平面分布圈 有关汾渭盆地地裂缝成因机理方面的研究，还存在不同的观点和争议，成因争论最 早起自于西安地裂缝的研究，其中包括“构造说”、“水成说”以及“复合成因说”，这 几种观点差异很大迄今依然莫衷一是。然而，随着研究工作的不断深入，越来越多的 人认为西安地裂缝以构造成因为主，即地裂缝是由基底伸展断裂系在横向拉张应力场作 用下形成的，并同时叠加了地下水开采的影响。其代表性的观点有张家明的断块掀斜成 困论嘲，刘国昌、王景明的隐伏断层蠕动成因论，王兰生的构造重力扩展成因论吧 长安太学博j 岸位论文 帮耄 1 2 地裂缝研究现状 1 2 1 国外地裂缝研究现状 1 9 世纪，英国著名的自然科学家c 莱伊尔曾在其著作地质学原理中描述了不 同成因的地裂缝。2 0 世纪，随着自然科学和工业建设的发展及地震科学研究和野外地质 调查的深入，世界各地发现的地裂缝越来越多。根据国外地裂缝研究成果的检索情况， 围外地裂缝问鹿的研究以美国开展得最为广泛i m ”，。 1 9 1 8 1 9 2 6 年之间，在美国德克萨斯州的g o o s tc i c e k 油田发现了第一条地裂缝， 第一章绪论 随后，于1 9 2 7 年在亚利桑那州的p i e a c h o 盆地义发现了地裂缝l l q 。在此后的时间内， 美国地裂缝事件时有发生。到了7 0 年代，美国西南的6 个州、1 4 个地区都出现了地裂 缝，给美国人民带来了巨大的经济损失。其中，亚利桑那州便是地裂缝灾害晟严重的地 方之一( 图1 1 4 ) 。早在4 0 多年以前，美国的有关地质学家就已经提醒人们要注意美国 西南部亚利桑那州的地裂缝灾害，但人们对此并不在意m 】。在过去，由于地裂缝通常发 生在术被丌发且人烟l j 分稀少的地区，地裂缝曾经仅被人们看作是一种好奇的地质现象 ( a ni n t e r e s t i n gp h e n o m e n o n ) ，其灾害性并没有引起人们的注意。近年来，随着人口的 迅速增长，美国人口逐渐向西南部地区转移，加之这些地方以前出现的些地裂缝已被 充填而成为隐伏地裂缝，人们才开始对这种潜在的地质灾害担忧。对于一些刚搬迁到发 育有地裂缝地区的居民，根本小知道自己的院子或住宅f 面是否“隐藏”着地裂缝，经 常因此而遭受完如其来的打击。例如，2 0 0 5 年8 月的一个早晨，p a md e c r i e s 惊讶地发 现在自己新买的亚利桑那州的院子里一夜之间竟然出现了一条深5 m 宽3 m 的地裂缝， 这条地裂缝是前一天夜单的一场大雨所致，地裂缝使得地面大片土地下陷，严重破坏了 土地的完整性( 图l1 4 右图) ，同时也给p a md c v r i e s 一家人带来了很大的震惊。诸如 此类的事件在美田其他一此地区也绎常l 演。 跳 图1 1 4 美田亚利桑邴州地裂缝( 据r a y h a r r i s ，1 9 9 7 & 2 0 0 5 ) 美国的地裂缝灾害破坏性极大，引起了有关政府部门的注意 9 1 。1 9 7 5 年，德克萨斯 州通过立法束限制抽取地下水，避免因此而引发地裂缝灾害；1 9 9 1 年，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。这些措旖的实施对减轻地裂 缝灾害起到了一定的作用，但随着人类工程活动的加剧，地裂缝灾害并没有“销声匿迹”， 长安人学博士学位论文 并且在一些地方更加肆虐发展。在美国的加利福尼亚卅i ，直到9 0 年代，仍有许多因地 裂缝损失要求索赔的诉讼案发生。 目前，美国的地裂缝研究主要集中在位于其国土西南部新构造活动比较活跃的盆地 和谷地中，包括亚利桑j j g , 卅l 、加利福尼亚州、得克萨斯州、内华达州及新墨西哥州等。 由于这些地方的部分地裂缝是伴随着因长期超采地下水而引发的地面沉降产生的，因 此，关于地裂缝成因的认识，形成了三种不同的观点，即构造成因观点、地下水开采成 因观点及构造与地下水开采复合成因观点。 构造成因观点最早由l e o n a r d ( 1 9 2 9 ) 提出，他从地震角度分析了1 9 2 7 年9 月1 2 日出现于亚利桑那州皮卡乔城附近的地裂缝及与之相距1 3 k m 的e it i r om i n e 的地面异 常破裂的成因，认为这两处地裂缝现象均与1 9 2 7 年9 月1 2 日出现于亚利桑那州东南部 图森城附近的地震有关。后来其他一些学者也坚持了构造成因观点，但他们的成因机制 解释却不尽相同，其中大多认为构造因素对地裂缝的影响表现为控制性，并不排除其他 因素对地裂缝形成发展的间接影响。 地下水开采成因观点是在研究早期被大多数地裂缝研究者所接受的观点，很多人先 后提出了不同的成因机理，包括f l e t c h e r ( 1 9 5 4 ) 的渗透变形机理、n e a l ( 1 9 6 8 ) 的土 层失水收缩变形机理、l o f g r e n ( 1 9 6 9 ) 的渗透应力拖曳作用机理、s c h u m a n n ( 1 9 7 0 ) 的差异压密变形机理及b o u w e r ( 1 9 7 7 ) 的刚性折裂机理。 h o l z e r 等人经过对亚利桑那州南部p i c a c h o 盆地内地裂缝的活动性、地质环境资料 及地面沉降观测数据的综合分析，认为该区域内的构造条件和地下水开采是影响地裂缝 形成和活动的两个主要因素。 截至目前，国外其他一些国家也进行了地裂缝观测和理论研究，总结了当地地裂缝 的发育规律及影响因素，另外，一些有关地裂缝的预测预报方法也被相继提出，对这些 地方的减灾防灾工作具有重要的指导意义，然而，至于其有效性及实用性还有待进一步 验证。 1 2 2 国内地裂缝研究现状 在中国，地裂缝出现相对较晚，虽然早在1 9 5 8 年于西安市的西北大学内发现了首 例地裂缝，但真正意义的研究开始于2 0 世纪7 0 年代中后期唐山大地震后。之后的十几 年内，在我国的华北地区已出现了两千余处地裂缝，此时西安市的地裂缝灾害也已经相 9 第一章精论 当严重，地裂缝所到之处错断道路、扭断管道、毁坏农且j 、破坏民居，这种极具破坏性 的地质灾害引起了许多专家和学者的注意，并促使他们开始着手对地裂缝这一地质灾害 进行研究。时至今日我国肘地裂缝的研究水平总体较高，所涉及的区域也比较广泛。 我国的地裂缝灾害较集中的分和在由汾渭地帮系、华北平原地堑系、郯庐断裂系和太别 l e 麓断裂系所组成的大华北地质构造带上。其中，汾渭盆地的地裂缝最具代表性并 且就1 7 1 前来看，其研究水平也最高。 2 0 世纪8 0 年代，钾目安地裂缝场地勘r 一 察br 枉设计规程( d b j - - 2 4 - - 6 8 8 ) 然i b i u , 纛：篙蒿熏i 碜人们提1 汉事h 程。2 0 世纪9 0 年代发其 i ：一 以后的时1 1 j j 里，有关学者已在地裂缝灾害 研究方面取得了叮喜的成粜。其。 】，张家 明、李永善、彭建兵、姜振泉搜王景明等 经过多年的悉心探索研究和艰苦的科学 实践1 14 5 ”i ，得到了一系列有关地裂缝的 图1 1 5 主要相关地零 缝专著 t 要研究成果，他们的地裂缝专著先后出炉( 图1 15 ) 。这些成果是他们阜勤劳动的结 果及智慧的结晶，成果的取得为进一步研究地裂缝提供了宝贵的资料，县有很高的实用 价值及借鉴意义。在这期间，有关部及科研院校等单位对地裂缝的研究也怍出了很大 贡献，其中包括陕西省地矿局区域地质调蠢大队、陕荫省第 、第水文地质t 程地质 队、陕西省环境监测总站、陕两省地震局、咸m 市陶土资源局、山两省环境监测总站、 眭安大学、成都理【大学、中h 地赝大学等。另外其他一些专家和学者也在地裂缝研 究方l 取得了一些进展，如冯希杰( 1 9 9 0 ) 根据地裂缝活动的实测数据【l ”，应用静力位 错珲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 了预测，并给出了未柬地裂缝带上的乖卣活动量；李新生( 1 9 9 4 ) 和徐光黎( 1 9 9 6 ) 等 利用v e r h u l s t 模型分别对西安地裂缝活动的时间规律进行了预测瑚l ：等等。 进入2 1 世纪，随着国家经济水平的普遍提高，中削各大城市已加快建设步伐，人 类工程活动也几益加剧地裂缝问题如“m 后春笋”般再次摆在了人们而前其发展的 肆虐性及破坏的臣大性使人们不得小对其进行更深一步的研究，目前以汾渭盆地的地裂 缝灾害研究最为火热埘j 。2 0 0 4 年以柬陕西省地质环境监测总站和长安大学合作， 承担了中国地质调查局下达的西安地区地裂缝调查任务，如今已分别完成了西安地裂缝 k 业太学博i ：学位论史 l ：1 0 0 0 0 地质填罔、地下水位、水准测鼠、分层标及自动化仪器船测等监测工作与g p s 观测刚建设以及2 0 k m 的浅层地震勘探工作，进一步查叫了西安计丁地裂缝的发育规律和 活动状况。 2 0 0 5 年长安大学承担了中国地质调查局下达的汾渭盆地典型地区地裂缝地面沉 降监测与防治研究( 1 2 1 2 0 1 0 6 4 1 4 0 3 ) 项目任务该项目由长安大学彭建兵教授负责， 旨在解决当6 地裂缝和地面沉降等地质灾害调查、探测、监测、评价及防治中的一些关 键科学技术问题，预测地裂缝的发展趋势及其可能引发的城巾地质环境潜在危机及工程 建设安全惟隐患，为城市规划、建设与管理以及社会公众信息需求提供服务。 在渭河搞地的泾阳、二原及富甲等渭北台塬上也广泛分布着地裂缝，这些地裂缝多 在l 【f 前活断层或塬前活断层附近发育( 图11 6 ) 。2 0 0 4 年8 月9 日，三原县陵前镇双槐 树村一夜之问出现了长达8 0 0 m 的地裂缝( 图11 7 、11 8 ) ，走向n e e ，裂面垂直。该地 裂缝略其定旋走滑特征，将其沿线的村民房犀及水什拉裂破坏，探槽揭露该地裂缝具有 圆口困口圆 圈11 6u 镇关l ij 她k 地裂缝分布图及破裂形迹 。， ：蔟篝豢鐾豢，癌寨等攀慧篓攀蓬 目曷“曷“吕。黾，。p 囤1 田田 图1 1 7 三原县职槐树村地裂缝场地工程地质图 第一章绪论 灞 黔 w 聋= 田1 1 8 三原县双槐树村地裂缝破裂形迹 多次活动迹象，足汾渭盆地最新出现的典型地裂缝带。以卜这蝗地区发育的地裂缝其有 代表性为深入开展地裂缝的调查研究工作提供了理想的天然试验场。 自2 0 0 5 年以柬，彭建兵教授负责的课题组一直致力干汾渭盆地地裂缝成因及发育 特征等系列问题的精细研究，己基本掌握了汾渭盆地地裂缝的分布规律f 2 剐”。对于 地裂缝成因机理方面的研究，目前也做了很多工作，其中包括大量的野外调研工作及+ 系硎大型物理模拟试验与数值模拟等工作，认为汾渭盆地地裂缝具有统一的构造特征和 明显的构造成囚，其形成话动与现代地壳活动有着极为密切的关系人类过量抽取地下 水以及地表水的入潘侵蚀无疑加剧了地裂缝的现代活动。然而，由于研究工作的分散性， 在地裂缝成因机理的研究方面还存在不少关键问越尚待解决，其中最关键的问题之一便 是如何从力学机理上解释构造作用怎样肩动地裂缝灾害，深部断层活动如何引起表十层 破裂? 这问题便足本文的研究日的所在。 要解决上述问题，笔者认为首先要从地裂缝发育的介质环境一黄土的力学性质研究 出发。黄土作为地裂缝发育的介质。其本身的性质对地裂缝的影响是显而易见的。一方 面黄土地层传递着深部地层中的构造应力和应变，地裂缝形成后及其延伸发展后的强 度和规模均会受到黄土地层本身性质的控制：另一方面，不同类型的土层在地裂缝产生 后的后续效应不同，对于黄上地层来讲其对水的敏感性及强湿陷性会使得地裂缝进一 步扩展，并会产生湿陷变形等伴生现象。 构造应力场是地裂缝发育的主要力源。地裂缝作为一种构造区域内的共生地质现 象，其区域背景是十分明显的。地裂缝的发生与区域性构造活动的强化相伴生，地裂缝 的分布和力学形态也反映出基底构造的主拧作用。地裂缝的构造基础是构造地裂缝形成 的主导因素，地壳运动产牛的内应力是活断层蠕滑、节理等区域微破裂开启和岩土体最 长安大学博士学位论文 新破裂活动并在地表出现地裂缝的驱动力，是触发构造地裂缝产生的动力因子。没有这 种区域构造应力的活动，就不会使断层蠕滑和节理开启，进而冲破地表岩土体产生区域 性隐伏裂缝或在地表张开的地裂缝。那些随机发生的重力、动静荷载和水等因素的作用， 只能在局部的作用点上、有限区域内引发个别地裂缝。 汾渭盆地内的一些地裂缝虽然也表现出构造地裂缝的特征，但由于地壳应力活动的 驱动力不够强而没有延及地表，这些地裂缝破裂源位移在向上传递的过程中逐渐被上覆 岩土层吸收，特别是容易被上覆松散且垂直节理发育的黄土地层吸收或分解而减弱或消 失，有的没有出露于地表，大多只是呈现出隐伏地裂缝状态。还有一些地裂缝虽然处于 区域构造活动比较强的区域，有的也已延及地表并开裂出较宽的裂缝，但不久便会被人 类耕耘或工程活动破坏掩埋，又变成了隐伏地裂缝。这些地裂缝经常在一些外营力的诱 发作用下再次出露于地表，成为非构造因素诱发的构造地裂缝。促使隐伏地裂缝显现的 诱发因素有很多，其中，水便是一个重要的诱发因素，包括抽汲地下水、大气降水或人 工灌溉等。抽汲地下水的诱发作用是通过压缩性土层的固结变形来实现的，而地表水则 会通过溶蚀一潜蚀、渗透变形、水压致裂等方式使隐伏地裂缝出露于地表或使已经开裂 的地裂缝进一步开裂扩展。 以上分析表明，黄土体中发育的地裂缝问题，从某种意义上讲，其实也是各种因素 作用下黄土的破裂问题。地裂缝是地壳深部地应力释放的结果，是深部地壳变形在地表 黄土中的再破裂效应。黄土体中地裂缝从无到有的过程，就是地壳应力及其它诱发因素 引起黄土体从相对完整到逐渐破裂的过程。 1 2 3 黄土力学性质研究现状 在工程建筑方面，黄土是具有特色的建材和地基材料，多年以来，一直是我国岩土 工程界研究的主要对象之一【3 3 1 。2 0 世纪5 0 - - 一8 0 年代，结合当时的国家基本建设，我国 一些学者已对黄土的时代成因、基本性质、变形强度特征等进行了深入研究，并解决了 许多实际工程问题，取得了显著的成果。8 0 - - - 9 0 年代，黄土研究的重点转移到了黄土的 微结构、黄土在静动荷载作用下的应力应变本构模型和本构关系、黄土的振陷特性等方 面的研究，这一系列研究也取得了一定的创新成果。近年来，关于黄土力学性质的研究 又迈上了新台阶，主要包括对非饱和黄土力学特性及其吸力测试技术的研究、黄土地基 处理的研究及黄土高陡边坡路堑塌陷机理及增稳措施的研究等等。 第一章绪论 纵观以上研究成果，黄土力学研究的中心问题主要是其变形强度特性、本构关系及 其对水的敏感性的研究，结合专家们多年来的研究成果及实践经验知，黄土的力学特性 主要表现在下列三个方面： ( 1 ) 黄土的变形特性。 天然状态下，黄土一般均处于欠压密状态，具有压缩性大、强度低及流变性突出等 特性，在外荷载作用下很容易发生压密变形【3 3 1 。造成欠压密土的主要原因是因为土颗粒 接触点的原始抗压强度与固化联结键共同形成的抗压强度超过上覆荷重，因而不会使土 在上覆荷重作用下压密的缘故。对于黄土的压密变形，又主要表现为压缩变形和湿陷变 形，其中，因黄土湿陷变形而引起的工程事故屡见不鲜，因此对黄土湿陷变形的研究也 一直是黄土力学研究的焦点。 黄土湿陷变形的显微结构理论认为，黄土的微结构特征是黄土中的粘胶微粒和碳 酸钙凝成的集粒和微碎屑矿物共同组成的许多架空结构和孔隙。微结构中架空结构的稳 定性与各地区的地质地理环境、气候条件以及形成年代有密切关系，其综合影响可归结 为黄土湿陷变形的敏感性。研究表明，湿陷性黄土的颗粒间存在有粒间孔隙、大孔隙、 粒内孔隙和架空孔隙，而架空孑l 隙的破坏是浸水湿陷的主要因素。架空孔隙破坏后，周 围的土粒填入孔隙中，构成湿陷量的主要部分。黄土的湿陷变形特性主要与黄土本身的 物理力学性质有关，其次还取决于外界作用力的大小及其水的影响程度。研究表明，黄 土的湿陷性和压缩性都与浸水路径无关，试样浸水后的压缩性与初始含水量无关，不同 的浸水路径和加荷路径对浸水试样的压缩性均没有影响【3 5 】。 ( 2 ) 黄土的强度特性。 目前，关于黄土强度特性的研究较多的是黄土的剪切强度，其次，还包括黄土的增 湿时的强度特性、黄土的破坏条件、黄土的断裂破坏强度及长期强度等【3 6 1 ，现分述如下： 莫尔一库仑强度准则。早在2 0 世纪5 0 年代，直剪试验已证明黄土的强度基本复 合莫尔一库仑强度准则，以后大量的三轴试验也证明了黄土强度对莫尔一库仑强度公式 的适用性【3 3 】。后来，一些学者在研究黄土的结构强度时发现，由于结构强度的影响，黄 土的剪切强度不服从莫尔一库仑定律，而要分段线性表示之【3 7 3 9 1 。但从文献资料和工程 实际看，这种现象都是在低压力下才出现，对工程应用影响不大，用莫尔一库仑强度定 律表达黄土的强度不会产生较大的误差。 增湿时的强度特性。黄土的增湿剪切变形是在剪应力和浸水共同作用下共同产生 的，并且随着剪应力水平而逐渐发展甚至出现增湿剪切破坏。黄土增湿剪切过程不仅有 1 4 长安大学博士学位论文 增湿剪缩现象，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， 反之则会出现剪胀。 黄土的破坏条件【4 0 1 及断裂破坏强度【4 1 1 。黄土的成因及工程实践表明，黄土的强度 在p q 平面上基本符合莫尔一库仑条件，但常规三轴挤长内摩擦角大于常规三轴压缩内 摩擦角，而且这种差值原状土要大于重塑土。试验资料证明，黄土从断裂破坏过渡到剪 切破坏，要经过一个应力点，若以该点为分界点，则黄土的断裂破坏强度可用通过抗拉 强度和抗压强度的直线描述，剪切强度用莫尔一库仑强度描述。 黄土的长期强度。黄土的长期强度即长期荷载作用下黄土强度的一个极限值， 试验表明原状黄土具有一定的长期强度，且黄土的长期强度衰减显著。 ( 3 ) 黄土的本构模型理论。关于黄土的应力应变数学模型，主要包括线弹性模 型、非线性模型及弹塑性本构模型以及和黄土湿陷变形相关的湿陷非线性模型、损伤力 学模型及结构模型等。 1 2 4 目前尚需解决的关键科学技术问题 以上研究结果表明，关于黄土力学性质的研究如今已达到了比较高的水平。但就目 前来看，研究较多的依然是黄土的剪切强度及黄土的宏观稳定性问题，有关黄土破裂特 性及其破裂行为方面的研究甚少。 对于汾渭盆地地裂缝成因机制及扩展机理的研究，笔者认为亟待解决的黄土破裂特 性方面的关键科学技术问题可概括如下： 由于汾渭盆地多数地裂缝是由深部构造活动所产生的拉张应力所致，因此研究黄 土的抗拉特性与拉张应力作用下黄土的破裂特征至关重要； 通过野外调研发现，汾渭盆地一些地裂缝直接与黄土的流变软化特性及蠕变特性 有关，可见研究黄土的塑性流变特性也势在必行； 黄土节理裂隙与地裂缝具有相同的构造背景，均是深部地壳变形引起的近地表土 体破裂问题，所以，研究裂隙性黄土的力学特性可以在大尺度上反映地裂缝的力学成因 机制； 黄土地区地裂缝的发育与水的作用密不可分，故而水的作用下黄土破裂特性的研 究也极为重要； 土体的破裂均是其内部裂纹产生、扩展、聚集、贯通的表现，黄土地区的地裂缝 1 5 第一章绪论 其实就是黄土体内的一种破裂形式。因此，研究土体在各种作用下的破裂过程，可以直 观地再现地裂缝的开裂扩展过程。 另外，大量工程实例也表明，黄土的抗拉特性及流变特性对黄土地区工程的安全性 及一些地质灾害的发生亦有着至关重要的作用。因此，如果能结合黄土地区的实际工程 及地质灾害问题，对黄土的抗拉破裂特性及塑性流变特性进行详细的试验研究，并从细 观上分析各种因素作用下黄土的破裂力学行为及其成因机制，必将有利于促进黄土力学 这一学科的长足发展，也将有利于地裂缝这一典型地质灾害的深入研究。 1 3 本文研究内容及创新点 为解决上述关键科学技术问题，笔者以汾渭盆地地裂缝为研究背景，以三原县双槐 树村地裂缝试验场为试验场地，通过对地裂缝发育的介质环境一黄土( 包括裂隙性黄土) 进行抗拉、抗剪及流变特性试验研究，以及各种作用下的数值试验研究，分析了与地裂 缝有关的黄土破裂特性与破裂行为，并在此基础上讨论了黄土地区地裂缝的成因机制与 扩展机理，以期为汾渭盆地地裂缝的力学成因机制提供理论基础和技术支持。 论文主要内容分为五大部分，第一部分为黄土抗拉破裂特性试验研究，其中包括原 状黄土以及不同含水率、不同干密度扰动黄土的抗拉特性研究；第二部分为黄土塑性流 变特性试验研究，主要考虑了不同含水率原状黄土在不同围压下的流变特性研究；第三 部分为裂隙性黄土破裂力学特性试验研究，其中包括四种不同倾角的裂隙性黄土的破裂 特性研究；第四部分为土体破裂过程数值试验研究，其中主要考虑了在拉张应力作用、 压应力作用以及水的作用下，土体破裂过程中的裂纹萌生、开裂、扩展直至贯通的整个 过程的仿真模拟。第五部分为土体破裂过程及地裂缝力学成因机制研究，主要结合汾渭 地裂缝发育特征对其进行了力学成因机制分析。 通过上述内容的研究，论文取得了以下几个创新点： ( 1 ) 基于大量的黄土破裂特性力学试验及数值试验研究，将黄土本身的力学性质 和破裂行为与黄土地裂缝的成因有机地联系起来，认为黄土本身的弱抗拉、抗剪特性及 流变软化特性是导致地裂缝发育的一些重要因素。黄土地区的地裂缝发育问题，实质上 是各种因素作用下的黄土破裂问题，也是一个复杂的应力一渗流一损伤耦合问题。 ( 2 ) 首次将含水率与围压两个复合因素考虑到非饱和黄土的流变试验中，并结合 黄土的流变软化特性对地质环境中发育的地裂缝成因机制进行了分析。试验表明，土体 1 6 长安 学博t 位论文 达到破坏性蠕变阶段时的极限应变与围压及含水率大小有关，高湿度黄土具有更明显的 流变软化特性。三原地区地袁张开的地裂缝与突降暴雨的短期浸泡作用直接相关，属f 浸润作用f 的短期流变软化一玎裂问题：深部地裂缝的开裂扩展过程则包含着长期应力 作用下的蠕变过程。 ( 3 ) 首次对不同倾角的裂隙性黄土进行了拉伸试验研究，结果表明，其破裂丰要 受控于所处的应力状态及士体中原有的宏观结构面；裂隙性黄土的三轴剪切试验表明， 低围压情况下，裂隙性黄土更容易沿原有裂隙结构面产生裂缝而破坏。裂隙性黄土的抗 拉、抗剪破裂特性在大尺度上反映了地质环境下的黄上地裂缝的开裂扩展问题，即地裂 缝更容易在近地表( 低围压) 土体中丌裂扩展，且多数以高倾角存在于近地表土体中。 ( 4 ) 借助数值试验分析软件r f p a ，并结合地裂缝发育的地质背景，首次对各种因 素作用下十体中裂纹的萌生、扩展至贯通过程进行了仿真分析，确定出了裂纹的起裂麻 力及扩展路径。这一过程直观地再现了地质环境中黄土地裂缝的开裂与扩展过程。 1 4 技术路线 本文研究工作的技