正斷作用下地裂縫擴展試驗研究

胡宏偉 徐繼山 孟棟材

摘 要：作為一種淺表土體破裂的地質災害，地裂縫活動對自然環境和人類工程活動產生了嚴重的危害，對于斷層控制型這一特定類型的地裂縫，它有別于其他非構造型的地裂縫，具有規模大、災害重、成因復雜等特點，同時它亦可關聯著其他因素而間接促成了地裂縫的發育。本文通過物理模型試驗重現“斷控型”地裂縫發育及擴展過程。結果表明：正斷活動作用造成土體內部應力狀態發生改變，使得下盤處于受拉狀態，上盤處于受壓狀態，并且地裂縫在土體中擴展方向為沿著上盤向上反傾擴展，即擴展方向與斷裂面呈鏡像對稱。受正斷作用影響，地表沉降共出現穩定區、差異沉降區以及穩定沉降區3個區域。其中地裂縫主要發育在斷裂帶兩側附近的差異沉降區，且上盤地裂縫發育范圍較大，下盤地裂縫發育范圍較小。

關鍵詞：地裂縫;斷層活動;物理模型試驗;裂縫擴展

Abstract： As a geological disaster with shallow superficial soil rupture， ground fissure activity has caused serious harm to the natural environment and human engineering activities. It is different from other non-structural types of fault-controlled ground fissures. Cracks have the characteristics of large scale， heavy disasters， and complicated causes. At the same time， they can also be associated with other factors to indirectly promote the development of ground fissures. This paper reproduces the process of "failure control" ground fissure development and expansion through physical model tests. The final result shows that the normal stress action causes the internal stress state of the soil to change， so that the lower wall is under tension and the upper wall is under compression， and the propagation direction of the ground fissures in the soil body is the upward dip along the upper wall. That is， the expansion direction is mirror symmetry with the fracture surface. Affected by the normal fault， the surface subsidence has a stable area， a differential settlement area and a stable settlement area. Among them， the ground fissures are mainly developed in the differential settlement areas near the two sides of the fault zone， and the development range of the upper wall ground fissures is larger; the development range of the lower wall ground fissures is smaller.

Keywords： Ground fissure; Fault activity; Physical model test; Fracture propagation

0 引言

地裂縫作為一種地質災害，它既嚴重影響了國家基礎工程的建設又造成了巨大的經濟損失，因此對地裂縫的研究就顯得尤為重要。而在諸多致裂因素中，斷層“扮演”著重要而復雜的角色——既能直接控制地裂縫，亦關聯著其他因素，如地層結構、巖土體性質、地震活動、地下水抽采、地面沉降等，又間接促成了地裂縫的發育，所以將斷層作用從諸多致裂因素中解離出來，進行針對性的研究，這將有助于更好地認識斷層這一致裂因素，以及在它控制下的地裂縫發育模式和成縫過程并由此提出防控措施（徐繼山等，2012）。

受構造張應力作用發生掀斜作用，兩側地表地層出現差異性沉降（張家明，1990）;受斷裂拉張作用影響，土體出現了側向的臨空面，隨著臨空土體的自重增大，最終導致地裂縫出現（王蘭生等，1994）;由于受大斷裂活動影響，次級斷裂在地表出露，造成地裂縫產生（吳嘉毅等，1995）;在次級斷裂往地表延伸過程中斷塊在自重作用下發生掀斜作用（陜西省地礦局，1994）。目前就斷控型地裂縫擴展機制已取得不錯的成效，但對于細節問題開展的還不夠深入。文章著重分析了受斷裂活動影響下，土體內部應力狀態變化及地表沉降變化特征，并總結出其力學擴展機制，為地裂縫防控減災提供指導幫助。

1 物理模型試驗

（1）模型結構

試驗試驗模型箱箱體的尺寸為：長1.5m×寬1m×高1.3m，箱體內部共由3部分所組成，分別為：固定鋼板、活動鋼板以及活動軌道（圖1）。其中固定鋼板不可活動，用于模擬斷層下盤。活動鋼板為可沿著軌道發生上下的活動，用于模擬向下活動斷層上盤?；顒愉摪宓拇怪边\動主要通過鋼板底部千斤頂的調節來控制（彭建兵等，2008;趙其華等，1994）。

（2）監測裝置

試驗監測裝置主要由應變監測測線和地表沉降位移監測器組成。其中埋設應變監測測線4條，分別位于地表深度2.5cm、12.5cm、25cm和40cm的中線位置上;地表沉降監測由地表中線布設的6個位移計構成。

（3）試驗步驟

試驗共攤鋪模擬4層地層，由下往上依次為粉砂、砂質黏土、粉質黏土和填土，每層以砂、石膏、碳酸鈣及水按相似配合比例拌合，填筑及夯實后厚度依次為20cm、10cm、15cm、5cm。并在每層之間鋪設一層白灰，用作于分層標志。

根據實際斷層地裂縫活動速率，本次試驗過程斷裂的垂直平均活動速率定為8mm/d，斷裂活動總共歷時5天，總錯斷位移為4cm。

試驗過程中每隔一段時間待活動穩定后讀取監測儀器數據，并觀察土體破裂及裂縫擴展現象。

2 試驗結果與分析

2.1 地表破裂及沉降變化特征

（1）地表破裂特征

當斷裂上盤活動初期地表中部即出現破裂現象，隨著錯斷量增大，地表裂縫數量逐漸增多且長度也隨之延伸，當活動斷裂錯斷4cm后，最終地表共發育有3條主裂縫，其他在這3條主裂縫附近發育有多條短小次級裂縫。其中地表裂縫多發育在活動斷裂的上盤，在斷裂下盤中僅在靠近斷裂帶周圍出現幾條次級裂縫。3條主要裂縫及其他次級裂縫共同組成模型地表破裂形態。從地表裂縫破裂的形態表現為兩側沒有明顯沉降變化特征，可以推斷這些裂縫都屬于張拉裂縫，由上盤土層下降拉張作用所形成（羅文超，2019）。

（2）地表沉降變化特征

圖2為不同測點位置在各個垂向斷距下的地表沉降變化曲線。圖中0點位置表示斷裂帶所在的位置，其他各測點的位置表示距離斷裂帶的水平距離，正值表示上盤，負值表示下盤（郭萌等，2013）。

從地表沉降變化曲線可以看出，隨著底部斷裂錯斷量的增大，地表沉降也隨之增大，具體表現為下盤量沉降較小，上盤沉降量較大，從下盤往上盤地表的沉降量逐漸增大。根據地表沉降量變化的大小將其分為3個區：穩定區、差異沉降區以及穩定沉降區。

穩定區：在斷裂下盤的左側到-17cm范圍內，該區域范圍內地表沉降較小。正因如此，在這一范圍區域內地表幾乎沒有發生沉降變形，基本保持穩定狀態，在試驗過程中這一范圍內也沒有發現裂縫的出現，因此在這一區為安全區域，不會受斷層作用而出現地裂縫。

差異沉降區：該區域位于跨越斷裂帶的-17cm到43cm范圍內。在該區域范圍內地表差異沉降量的變化較大。此區域范圍內沉降曲線較陡，曲線斜率較大，土體差異性沉降變化較大，土體穩定性較差，抗剪強度較低，最易發生破壞。因此土體中發育的反傾裂縫大都出現在這一區域范圍內。總的來說，下盤沉降量較小，僅在斷裂帶附近有微弱沉降，因此下盤也僅在斷裂帶周圍出現少量微小的裂縫。

穩定沉降區：該區域位于斷裂上盤的43cm到上盤的右側范圍內。該區域范圍內地表的沉降量較大但不同位置的差異沉降量變化相對較小。沉降曲線較緩，曲線斜率較小，由于沉降差異變化較小，所以相較于差異沉降變化區，土體中裂縫的發育相對較少。

2.2 剖面破裂特征

最終地層破裂的剖面素描圖見圖3，圖中裂縫1、2、3、4代表其出現的時間，分別對應著斷裂垂向斷距1cm、2cm、3cm和4cm。從素描圖中可以看出，剖面裂縫的形態整體呈反傾狀態（范文東，2017;孟繁鈺，2011）。

從剖面裂縫發育的范圍來看，多數裂縫都發育在斷裂上盤，從下往上裂縫發育范圍逐漸擴大，斷裂下盤僅在淺表靠近斷裂帶附近地層出現幾條細小的裂縫，裂縫整體的形態呈現“Y”型分布。上盤破裂面的范圍為距斷裂帶60cm;下盤破裂面的范圍為距斷裂帶20cm。

從剖面裂縫發育時間上來看，一般都為上部裂縫發育時間晚于下部裂縫，這與實際裂縫從下而上逐步擴展相一致。初期斷裂垂向錯斷1～2cm時，裂縫主要發育在上盤，下盤發育的裂縫多出現在斷裂垂向錯斷3～4cm。

2.3 土體應變變化規律

試驗在土體中共埋設4條應變監測測線，4條測線分別位于4層土體的中部，即測線L1埋深2.5cm、測線L2埋深12.5cm、測線L3埋深25.0cm以及測線L4埋深40.0cm。其各測線縱向應變變化曲線如圖4所示。

根據各測線土體縱向應變變化規律特征可以總結出，各層土體中的應變變化規律趨勢表現出一致性。下盤為正應變，上盤為負應變。在靠近斷裂帶附近的土體中其應變變化最大，而兩側位置應變變化較小;隨著地層埋深的增加，土體的縱向應變變化也隨著增大（黃強兵等，2009）。并且在同一埋深位置處，隨著斷裂垂向斷距的增大，其縱向應變值也隨著增大。

據此表明在斷裂上盤內的土體隨著模型底部的位移而發生同步下沉，而在斷裂下盤靠近斷裂帶范圍內的土體由于與上盤土體表現出的整體性，當斷裂上盤土體發生下沉時，下盤斷裂帶周圍土體表現出受拉狀態，有阻止上盤土體發生下沉的趨勢，根據上覆土體受力狀態可以推斷出，在斷裂上盤與下盤斷裂帶附近土體為主要的受力范圍，因此，土體易發生破壞而產生裂縫。

2.4 地裂縫擴展力學機制

（1）斷裂下盤裂縫擴展機制

根據對實驗土體內部應變監測看出斷裂下盤土體處于受拉區域。隨著上盤底部的錯斷，下盤土體底部垂直方向上沒有發生位移，保持相對靜止，側邊土體受到上盤下沉而發生水平方向向外擴張的趨勢。相較于垂直方向的自重應力，水平方向拉應力較小。表現為水平應力小于垂直應力（孟繁鈺，2011）。在斷裂下盤地裂縫面上取一個單位體積的微元體對其進行力學分析，其受力狀態見圖5b。

此時，設該微元體最大主應力為σ1，最小主應力為σ3，水平方向拉應力為σx，垂直方向壓應力為σy。此時，微元體所受剪應力方向為逆時針旋轉方向，所以剪應力值τ為負。

3 結論

正斷地裂縫模型試驗通過地表破裂及沉降變化特征、剖面破裂特征及土體應變變化規律分析，最終得出如下結論：

（1）正斷活動地裂縫在土體中主要的擴展方向為沿著上盤向上反傾擴展，即擴展方向與斷裂面呈鏡像對稱。

（2）正斷活動條件下，地裂縫在土體中擴展發育主要以上盤為主，下盤裂縫發育較少。

（3）正斷作用造成土體內部應力狀態發生改變，在下盤出現正應變;上盤出現負應變，即表明下盤處于受拉狀態;上盤處于受壓狀態。

（4）受正斷作用影響，地表沉降會出現3個區，分別為：穩定區、差異沉降區以及穩定沉降區。其中斷裂帶附近地層沉降的差異性較大;兩側地層中，上盤沉降較大但沉降相對穩定，下盤地層保持穩定沉降較小。地裂縫在土體中發育以差異沉降區為主，穩定沉降區為輔。因此，在地裂縫設防過程中應將差異沉降區設為主要區域，穩定沉降區作為次要設防區域。

參考文獻：

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