地裂缝场地施工降水对地表沉降和地层应力的影响研究

地裂缝是西安市典型的城市地质灾害，地下水位的变化是诱发地裂缝活动的重要因素。以西安地铁六号线暗挖段施工降水为研究背景，基于有限元数值模拟计算，分析了地裂缝场地施工降水引起的地表沉降规律和地层应力变化特征。计算结果表明:当地下水位下降时，地表沉降量上盘大于下盘，地裂缝带两侧地表存在差异沉降的现象，最大差异沉降量与地下水位下降深度近似呈直线关系；不同位置处地表的横向沉降呈现出"Z"形的变化特征，差异沉降区随地裂缝位置的变动而变化，且差异沉降量与横向地表位置近似呈二次函数曲线关系；地层竖向应力随着地下水位下降而增大，地裂缝位置处地层应力存在突变现象，上下盘应力影响区与地层深度近似呈三次函数曲线关系；基于分层总和法计算了地下水位下降时地表沉降量的解析解，并与数值模拟结果进行对比，发现两种方法计算结果基本一致，得到了计算地表最大沉降量的经验公式。研究结果可为地裂缝场地地铁隧道及其他地下工程安全施工提供科学指导。      

地裂缝活动对土体应力与变形影响的试验研究

通过进行西安典型地层环境下地裂缝活动的大型模型试验,研究了隐伏地裂缝活动引起附近土体应力与变形的规律。试验表明,地裂缝活动在上盘土体中产生负的附加应力,引起土体应力降低,而在下盘土体中产生正的附加应力,引起土体应力增强,且距离地裂缝越远由地裂缝活动引起的附加应力越小。地裂缝活动导致其两侧土体发生台阶状位移突变现象,随着地层由深至浅,土体变形范围明显增大,且影响区范围上盘大于下盘。地裂缝活动引起附近土体应力的分布在空间上大致分为4个区域即下盘原始应力区、应力增强区、应力降低区和上盘原始应力区,其中应力降低区范围约为应力增强区的1.5～2倍。同时,地裂缝附近土体沉降变形也可分为3个带,即下盘稳定带、差异沉降过渡带和上盘稳定带,其中上盘差异沉降带范围约为下盘沉降差异带的2倍。     

活动断层作用下地裂缝开裂机理研究

地裂缝的成因机理争论不断,笔者认为活动断层与全新世浅表层开裂两者之间的联动机制为主要原因之一。文章以华北平原典型地裂缝为例,通过详尽地面调查、资料分析总结,结合地球物理勘察、槽探揭露和钻探等多种技术方法,得到以下几点认识:（1）依据全新世浅表层开裂形态特征,可将华北平原地裂缝划分为全新世节理裂隙型地裂缝和全新世活动断层型地裂缝。（2）节理裂隙型地裂缝开裂的外部条件是华北平原地下水位下降,疏干的松散含水层是地表水沿节理裂缝下渗后的储存场所,是产生渗透压力的原因;而活动断层是产生该类地裂缝的内部因素,两者缺一不可;活动断层型地裂缝实质是全新世活动断层。（3）节理裂隙型地裂缝主要特征是地表局部塌陷、间断性、地表无高差等;活动断层型地裂缝主要特征是连续性强,地表断距明显;地表断距是两种类型地裂缝的最主要区别特征。本文首次以构造活动断层与全新世浅表层开裂两者之间的联动机制为研究线索,阐述了构造活动断层在地裂缝形成过程中的具体作用,厘清了地下水位下降所扮演的“角色”,为城市规划建设提供了地质依据和建议。     

西安地裂缝地段浅埋暗挖地铁隧道施工沉降规律

地裂缝是西安市最典型的地质灾害之一,地裂缝地段地铁隧道施工引起地层及地表沉降是较为突出的工程地质和岩土工程问题。文章以西安地铁六号线浅埋暗挖隧道穿过f8地裂缝为工程背景,基于有限元数值模拟,对地裂缝地段交叉中隔墙法(CRD工法)暗挖施工引起的地表沉降和隧道变形进行了分析。结果表明:暗挖施工引起的地表沉降随开挖进尺呈反S型曲线变化特征,地裂缝带上盘的开挖进尺影响范围大于下盘;隧道中心线地表沉降在地裂缝带出现错台且靠近上盘5 m处出现集中沉降区;地裂缝地段隧道暗挖施工对地表的影响区范围约为80 m即上盘约45 m、下盘约35 m,在此范围应考虑暗挖施工对附近地表建(构)筑物的影响;开挖过程中地裂缝带上盘沉降过程变长且大于下盘;地表横向变形曲线符合高斯分布,上盘沉降大于下盘,在上盘靠近地裂缝位置处地表沉降槽宽度、沉降量明显增大;距地裂缝带5 m处上盘拱顶出现最大沉降,其值为25 mm,而在地裂缝位置处拱底出现27 mm的隆起变形,拱顶和拱底变形在地裂缝带附近出现错台;地裂缝带隧道暗挖施工对拱顶、拱底影响区范围分别为50 m和55 m,靠近上盘地裂缝位置附近隧道暗挖施工衬砌应及时支护,防止土体塌落与隧道变形。研究结果可为西安地铁隧道穿越地裂缝带暗挖施工提供科学依据和技术指导。     

地震作用下邻近地裂缝带地铁隧道工程场地地表沉降研究

为了探讨地震和地裂缝耦合作用下位于地裂缝上盘的地铁隧道顶部地表沉降规律及其对附近建筑物的影响,以邻近穿越地裂缝场地的西安地铁3号线为工程背景,利用FLAC3D有限差分软件,结合理论分析,对西安人工地震波、El Centro波和Kobe波三种不同地震波作用下邻近地裂缝带地铁隧道建设场地地表沉降问题进行了研究。结果表明:地震作用下,隧道顶部一定范围内的地层沉降量显著大于其周围地层,形成宽度约9~16 m的沉降凹槽;El Centro波作用下沉降凹槽的宽度最大,约15.9 m,超越概率为10%的西安人工合成地震波次之,约11.6 m,而Kobe波作用下沉降凹槽的宽度最小,约9.5 m;隧道上覆地层沉降凹槽的沉降规律符合peck公式;隧道顶部约20 m范围内场地地表受地震和地裂缝耦合作用影响最强烈,沉降最大。      

地铁振动作用下穿越地裂缝隧道-地层动力响应模型试验研究

以西安地铁工程为背景,设计了穿越地裂缝隧道——地层动力响应试验模型,开展了地铁振动作用下穿越地裂缝隧道——地层相互作用的动力模型试验,揭示了地裂缝活动及地铁列车振动时对位于地裂缝处地层的动力响应规律。试验结果表明:在地裂缝未活动时,隧道拱顶位置的加速度响应与拱底相比,其值相对较小,表明地铁列车振动引发拱底部的振动加速度,通过衬砌传递至上覆岩土体时,加速度发生了显著的衰减;当地裂缝上盘下降时,隧道拱底及拱顶测点产生的振动响应比地裂缝未活动时明显更为强烈。表明地裂缝的活动对隧道结构振动特性具有显著影响;受地铁列车运行位置变化和地裂缝上盘下降的双重影响,地裂缝两侧土体振动加速度幅值有明显的差异,这会对隧道结构的振动特性造成不利影响,在设计中应采取适当措施,防止造成隧道衬砌的局部损伤或破坏。     

河北平原典型地裂缝场地动力响应特征研究

河北平原地裂缝分布广泛、致灾严重,给当地工程建设和人民生活造成了严重影响。目前对于河北平原地裂缝的研究主要是发育特征、成因机理以及分布等方面,对该区域场地动力特性的研究不足。为讨论河北平原地裂缝对场地动力响应的影响,分别选取该地区具有代表性的地裂缝(高丽营地裂缝和隆尧地裂缝(构造成因)、大名地裂缝(古河道成因)、唐山地裂缝(地震成因))进行野外地脉动测试,并通过傅里叶谱分析、反应谱分析和Arias烈度分析,揭示了不同类型地裂缝场地的动力响应特征。结果表明,地裂缝对场地卓越频率和卓越周期的影响较小,但对场地动力响应强度的影响较大。在地裂缝附近区域具有放大效应,上盘放大倍数达到2.2~2.7,下盘放大倍数达到1.7~2.4,并随着与地裂缝距离的增大逐渐衰减,一定距离后趋于平稳,且活动性更强的上盘的放大效应更明显。不同类型地裂缝对场地动力响应的影响趋势基本一致,但影响范围不同:构造地裂缝场地的放大效应影响范围最大,约24 m,地震地裂缝次之,约22 m,古河道地裂缝最小,约20 m。综合考虑河北平原地裂缝对场地影响范围:上盘约24 m,下盘约20 m。场地放大效应及其影响范围可以为河北平原地裂缝场地工程结构的合理抗震设防提供依据。      

不同活动速率下隐伏地裂缝的模型试验研究

目前国内外已查明的地裂缝大都是在地表能直接看到的地裂缝,然而埋藏在地表之下不易被人类所察觉的隐伏地裂缝发育数量更为众多,并且隐伏地裂缝因活动速率的不同可能招致不同程度的地质灾害,进而不同程度地影响人类的工程建设活动。为了研究活动速率不一样的隐伏地裂缝之间有什么发育特征上的不同,进行一组物理模型对比试验。结果显示当隐伏地裂缝以不同速率活动时,其所形成的反倾裂缝和直立裂缝的形态特征、地表土体位错量以及土体对深部沉降的吸收作用均有明显的不同。并且当隐伏地裂缝慢速活动的一个活动周期内,其地表土体位错量随深部底板的的活动过程会出现典型的三次"稳定"阶段。     

北京顺义断裂活动对首都机场地裂缝影响定量研究

顺义断裂是北京平原区重要的晚更新世活动断层。首都国际机场位于顺义断裂中段, 2010年以来, 机场跑道地裂缝逐渐加剧, 地裂缝两侧最大垂直位移差高达20 cm, 已经严重影响机场安全运行。当前, 顺义断裂活动对首都机场地裂缝的影响仍以定性描述为主。文章以顺义断裂几何结构、第四纪活动性以及首都机场地裂缝调查研究为基础, 依据断层位错理论, 定量分析了顺义断裂蠕滑活动对机场地裂缝形成的贡献, 研究了1996年12月16日顺义ML4.5级地震对机场地裂缝可能产生的影响, 并讨论了顺义断裂未来发生潜在强震时机场地裂缝灾害风险增加的趋势。分析认为, 在0.6 mm/a的垂直活动速率下, 顺义断裂蠕滑活动46年, 在机场地裂缝两侧产生的差异沉降量不超过2.5 cm, 对机场地裂缝形成和发展的贡献量约占20%;顺义ML4.5级地震对机场地裂缝的形成影响甚微, 顺义断裂若未来发生7.0级地震, 估算在断裂两盘产生的差异沉降量最大达104 cm, 机场地裂缝灾害风险将增加5倍; 顺义断裂上盘中、深层地下水抽采引起的地面差异沉降在机场地裂缝形成和扩展中的贡献量为70%, 仍是导致机场地裂缝加剧的主要因素。研究结果可为首都国际机场地裂缝灾害精准防控提供重要科学参考。此外, 为深入揭示顺义断裂沿线地裂缝、地面差异沉降等缓变型地质灾害成因机理和灾害效应, 建议在其关键部位实施跨断层位移或形变动态监测工作。     

地铁隧道施工引起地层位移规律的探讨

目前对城市隧道开挖所引起的地表以下地层的位移规律的认识还很不充分，长期以来只有定性地认识。英国学者Mair等人（1993年）根据在黏土中的有限实测资料，基于预测地表位移的Peck公式，考虑了沉降槽宽度随深度变化，从而提出了地表以下的位移计算公式。他们的研究成果被广泛引用，但是由于其仅适用于黏性土，且假定地表处沉降槽宽度参数为0.5，因此在应用上受到很大的限制。在Mair公式的基础上，着重讨论了沉降槽宽度参数随地层深度的变化趋势，并提出了修正计算公式，不仅可以考虑地表沉降槽宽度参数与0.5相差较大的情况，还适用于砂类土地层，因此比Mair公式具有更广泛的适用性。     

软土区基坑预降水引起支护墙侧移的典型参数影响研究

基于天津地区透水层和弱透水层交替出现的场地水文地质条件,通过大量数值计算与工程实测对比,结合非线性回归分析,研究了预降水时间t、预降水深度H_d、基坑长宽L,基坑宽度b等参数对基坑预降水过程中支护墙侧移发展的影响规律。随t延长,最大支护墙侧移δ_(hm)呈增长速率不断减小的非线性增长,在预降水刚开始的几天内,支护墙侧移即可占据其预降水过程中稳定侧移的很大比重。其次,H_d对δ_(hm)及支护墙悬臂侧移深度H_c的发展有重要影响,总的来说,δ_(hm)及H_c均随H_d增大而增大,具体地,当H_d达到场区第2透水层前(后),δ_(hm)随H_d的线性增长比例较小(大),当H_d达到场区深厚弱透水层厚度一半之前(后),H_c的增长接近于(明显快于)H_d的增长。另外,对于同一宽度b基坑,当基坑长度L达到一定程度后,预降水引起的基坑长度方向边角效应总是发生在基坑两侧距离坑角某一确定范围之内,在预降水过程中,若支护墙变形需要严格控制时,可通过布置横隔墙,使得相邻横隔墙间距S_(cw)与b之比在4以内,或S_(cw)/H_d在3.7以内,利用基坑边角效应减小预降水引起的最大支护墙侧移。     

Monitoring and mechanisms of ground deformation and ground fissures induced by cut-and-fill mining in the Jinchuan Mine 2, China

As an advanced mining technology, cut-and-fill mining was successfully applied in the Jinchuan Nickel Mine over 18 years until the end of 1999 when ground fissures occurred above the ore body. Since the first field investigation of the ground fissures in 2000 and the establishment of GPS monitoring network in 2001, ground deformation and damage has been continuously monitored and researched for the last 10 years. By the end of 2010, the maximum vertical displacement reached 1,720 mm and accompanied by the rapid development of ground fissures. This study considers the effects of large-scale stress adjustment and redistribution, hysteretic backfill, low strength of filling body, unfilled void space, as well as repeated mining activities concurrently caused ground deformation and ground fissures. Besides, the hysteretic mechanisms of ground response relative to the mining operations and the mechanisms of displacement variations are discussed from different perspectives. The results provide invaluable information on designing and building mines with the cut-and-fill method.     

地震液化引起的地面大位移研究进展

液化引起的地面大位移研究是岩土地震工程的前沿课题之一,仅有几十年的研究历史。在综合有关资料的基础上,介绍了地震液化后地面大位移的现场调查情况、室内试验情况; 总结了液化后土体特征和动力本构模型;简述了对液化后地面大位移的计算方法: 经验法、简化法和数值法。     

Study on permanent ground displacement induced by seismic liquefaction

Permanent ground displacement as induced by seismic liquefaction was measured in the area which was recently hit by an earthquake. The measurement was carried out by comparing two aerophotographs of the area which were taken before and after the tremor. Using the measured data an empirical equation was derived which can calculate the magnitude of the displacement briefly. Furthermore, a finite-element technique was developed in order to predict the magnitude and the direction of the displacement in more precise manners.     

跨季节蓄热型地源热泵热传递规律研究

基于有限元分析法,建立了准三维非稳态传热模型。在试验验证的基础上,分析了跨季节蓄热型地源热泵蓄热过程中土壤温度、单位井深换热量、热作用半径随热泵运行时间的变化规律,讨论了土壤结构、入口水温、入口质量流量、热泵运行模式等对土壤传热规律的影响,并研究了土壤热平衡问题。结果表明:同一半径不同深度处,土壤温度增长幅度随土壤热扩散率的增加而增大;土壤热作用半径随热泵运行时间及入口水温的升高而增加,并逐渐趋于稳定;间歇运行模式下,地埋管附近土壤温度及换热量均呈波动式变化,且当径向距离大于0.3 m时,与连续模式一致;在满足换热量的情况下,流体质量流量不宜过大;系统运行一个周期（360 d）后土壤温度基本可以恢复,且流体入口温度不宜低于40 ℃。     

河北平原隆尧地裂缝成因机理与模式研究

隆尧地裂缝是华北平原地区规模最大、活动性最强、灾害程度最为严重的构造地裂缝,但其与断裂之间的成因研究一直缺少系统的证明材料和完整的理论分析,即隆尧地裂缝与断裂之间是怎样的成生关系仍较为模糊。文章根据现场调查、探槽、地球物理探测和钻孔联合剖面等方法,分析了隆尧地裂缝几何运动特点和深部构造特征,探讨了隆尧地裂缝的成因机理和模式。研究结果表明:隆尧地裂缝（主要指西段）的发育位置与隆尧活动断裂基本重合,地裂缝走向近EW,倾向南,倾角60°~80°,南盘相对北盘下降,具正断性;同时,地裂缝面处黏土层中发育擦痕,上盘发育的分支裂缝与主裂缝相交成“y”型,地裂缝上下盘位移差随深度增加;地球物理探测解译隆尧活动断裂上断点埋深40~50 m,钻孔联合剖面揭示隆尧地裂缝向下延伸与隆尧活动断裂上断点吻合。地裂缝发育位置、产状、几何特点、运动特征与物探解译、钻孔联合剖面揭示的隆尧活动断裂一致,因此,隆尧地裂缝与隆尧活动断裂直接相连。根据上述成因理论,提出了构造地裂缝的一种成因模式——断层直剪式,即:在区域应力加强或转变的基础上,基地隐伏断裂开始蠕滑运动,断层面或断层带向地表延伸,切穿第四系岩土层,在地表形成陡坎。并据此分析了隆尧地裂缝的形成、显现和发展过程,为断层直剪式地裂缝成因研究提供理论指导。     

山西清徐—太谷地区地裂缝形成机理

山西清徐—太谷地区是中国地质灾害高发区之一, 地质灾害类型主要有活动断裂、滑坡、地震、地裂缝等。通过对该区开展地面路线地质调查、物探、水文工程钻探等工作, 将地裂缝划分为山前地裂缝和盆地中部地裂缝2类。山前地裂缝主要与断陷盆地盆-山转换带的活动断层有关, 其盆地上基底构造层岩石组合具有软硬相间的"二元结构"特征, 由厚层状砂岩和薄层状粉砂质泥岩组成, 这种"二元结构"在外在因素(如暴雨、地震等)的诱发作用下, 软质层容易产生层间滑动, 导致地裂缝等地质灾害。盆地中部地裂缝除与可能的隐伏断裂有关外, 主要与清徐—太谷地区地下水过度开采有关。水文工程钻探揭露了该断陷盆地中多个含水层, 每个含水层结构中的上下层为不透水的厚大粘土层或粉砂质粘土层, 中间含水层为粉砂或细砂层。当地下水过量开采时, 水位降低, 含水层受上覆地层重力作用影响, 发生沉降形成地裂缝。清徐—太谷地区上更新统粉质泥岩中常可见少量白色膏盐团斑, 推测是造成本区地下水质普遍偏咸的原因。     

近断层速度脉冲地震动引起的边坡永久位移预测模型

基于小波分析方法,从NGA数据库的3 551条地震记录中选取189条速度脉冲地震动,地震动均转换成发生最强脉冲的方向。基于Newmark方法,分析了近断层速度脉冲地震动作用引起的边坡永久位移值。结果表明：近断层速度脉冲地震动对边坡产生特殊的破坏作用,表现在滑动位移值大、滑动体破坏力强等方面;边坡永久位移值与速度脉冲地震动的峰值速度具有高度相关性,位移值较大时尤为明显。建立了基于单变量形式的峰值速度及双变量形式的峰值速度、峰值加速度两种边坡永久位移预测模型,模型简单实用,与回归数据具有很好的相关性,前者更适用于预测对实际工程影响较大的永久位移值,且离散性较小。提出的预测模型为考虑近断层地震动速度脉冲特性影响的边坡永久位移值的概率地震灾害分析提供了基础。     

大面积堆载下软土地基的应力隔离与加固实例分析

为研究大面积堆载对邻近建（构）筑物的影响机理与治理对策,结合应力隔离桩与地基加固在大面积堆载条件下的软土地基处理中的联合应用工程实例,应用数值模拟方法,分析了大面积堆载导致邻近建筑物发生地基事故的原因,深入研究应力隔离桩和地基加固的应用对邻近建筑物地基的应力和变形的影响机理。在此基础上,提出经济有效的治理对策,同时指出需要进一步研究的问题,可为类似工程实践提供参考。