西安地裂缝活动机理新解

地裂缝活动对西安的城市建设及工业生产造成巨大损失,研究其活动机制对地裂缝灾害的防治具有重要意义.已有的研究大都认为过量抽取地下水引起的含水层垂向固结变形的差异变形是引起目前西安地裂缝剧烈活动的主要原因[1-4],但对差异变形产生的原因则解释不一.在分析地层水平方向、垂直方向的压缩试验结果及西安地裂缝与地面沉降活动现象的基础上,利用含水层水平固结变形对西安地裂缝的超常活动进行了合理的解释和分析.     

抽水与注水引起的变形机理

根据室内抽水压与注水膨胀模拟试验成果，详细地分析了土骨架的抽水压密与水膨胀变形的基本特征，确定了适用解释含水层土骨架的抽水压密与水膨胀变形力学机制的 线性粘弹性应力－应力变关系。     

先存断裂对抽水沉降及地裂缝活动影响的数值模拟

过度抽取地下水对断层构造型地裂缝的加剧作用是很明显的,但具体的作用机制却很复杂,过去的研究多是简单的定性分析,数值模拟和定量计算少有报道。笔者采用比奥(Biot)固结渗流理论和基于A、B面接触判断的库仑滑动和张裂的接触面单元,对抽水作用下地裂缝的活动进行了数值模拟,初步探讨了抽水活动引发和加剧地裂缝活动的机制。结果表明:抽水作用下抽水井周围水平应力场发生近井区挤压、远井区拉张的变化,当拉张区内的拉应力超过土体抗拉强度时将会出现自上而下的张裂缝;先存断裂的存在将影响应力变化的模式,同时由于断裂的软弱性,使得地层容易沿其发生滑动或拉裂,从而加剧地裂缝的活动;先存断裂对地面沉降和地裂缝具有诱导、隔离和放大的作用。     

抽水作用下先期断裂对地裂缝的影响研究

过度抽取地下水和先期存在的断裂构造是西安市地裂缝地质灾害发生的主要原因。作者首先从理论上分析了抽水情况下地裂缝形成的张拉破裂机制、剪切破裂机制和张剪复合破裂机制,并从结构面控制理论分析了先期断裂在地裂缝形成中的控制作用;然后依据比奥三维固结理论,采用FLAC软件建立了西安地裂缝的计算模型,比较了抽水作用时没有先期断裂和地层差异、有先期断裂而没有地层差异、有地层差异而无先期断裂等情况时的地面变形特征,得出抽水作用下,先期断裂对地裂缝的形成及发展具有诱导、隔离和放大的耦合作用,从而得出先期断裂不仅仅只是地裂缝形成的构造基础的结论。     

西安地铁穿越地裂缝的抽水试验研究

查清地裂缝水文地质情况可以为西安地铁设计和施工提供科学依据。根据西安地铁勘察工作需要,2008年7月～9月选择地裂缝穿过的西安市劳动路小学院内场地首次尝试进行跨地裂缝水文地质专项现场试验。试验内容包括试坑渗水试验、钻孔注水和抽水试验,并以1号抽水井的稳定流抽水试验为典型,研究地裂缝对地下水渗流的影响。采用带1个观测孔的稳定流潜水完整井公式、带2个观测孔的稳定流潜水完整井公式以及潜水完整井水位恢复速度计算公式等3个渗透系数计算方法,得到了地表浅层土体沿地裂缝走向和垂直于地裂缝走向的渗透系数,分析了渗透系数的差异性;最后利用MADIS有限元软件模拟场地内建筑物对地基土施加应力,探讨了建筑物对场地土体的影响。结果表明：利用上述3个公式计算,都得到沿地裂缝方向土体的渗透系数比垂直地裂缝方向的土体稍大;在同一落程中,利用潜水完整井水位恢复速度公式计算得到的渗透系数最大,利用带2个观测孔的稳定流潜水完整井公式计算得到的渗透系数次之,利用带1个观测孔的稳定流潜水完整井公式计算得到的渗透系数最小,这主要是由井损造成的;建筑物对场地土体的影响主要集中在素填土层、黄土层和古土壤层,粉质黏土层以下影响则逐渐减弱,影响深度在18 m左右;由于建筑物长期对地裂缝上盘土体施加荷载,附加应力作用使地基土固结压密,导致地裂缝上盘土体的渗透系数较下盘小。     

渭河盆地深部构造活动的地裂缝孕育机理

渭河盆地是我国乃至世界上地裂缝最发育、灾害最严重的地区。基于渭河盆地深部构造模式,采用有限元数值分析方法,分析了上地幔上隆、中地壳流展和上地壳拉张3种深部构造作用下盆地浅表岩土介质的应力和变形响应特征,从而揭示了渭河盆地深部构造活动与该区域地裂缝群发之间的孕育关系。结果表明：上地幔的隆起和中地壳侧向流展形成了浅部拉张应力环境,这种效应与盆地周边块体运动形成的伸展引张构造应力场叠加,再附加断裂伸展倾滑形成的局部拉伸应力场构成了地裂缝形成的主要动力来源。     

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。     

单井抽水加剧地裂缝上下盘差异沉降机理

西安地裂缝两盘的差异沉降是地裂缝活动主要方式之一,抽取承压水是加剧地裂缝两盘差异沉降活动的重要因素,但其具体作用机理尚不十分明晰。本文通过分析水平微元的受力条件和土体-地裂缝协调变形特征,并利用数值法,解释了地裂缝上、下盘的变形差异机理;然后采用数值法,得到了不同抽水条件、地裂缝透水条件下的地面沉降特征。研究表明：地裂缝较小的剪切模量导致近地裂缝处上盘单元所受上覆荷载及下侧反力较大,下盘单元恰好相反,从而使得相较于下盘,上盘沉降较大;抽水条件和地裂缝透水性通过影响抽水引起的力学扰动,放大了两盘的变形差异;当抽水井位于上盘时,地表出现明显的沉降差异,且地裂缝透水性越差,这种差异越显著。     

苏锡常地区地裂缝地质灾害形成机理分析

从苏锡常地区特定的地质环境背景条件出发,系统分析了地裂缝地质灾害的形成机理,即基岩起伏形态差异、第四纪沉积结构差异和水文地质条件差异是引发地裂缝灾害的内在条件,长期过量开采地下水是诱发地裂缝灾害的外在因素.通过对地裂缝灾害成因类型的系统划分,为今后进一步进行地裂缝灾害分区评价、防治规划等工作提供了先导性意见和理论基础,具有积极的现实意义.     

临汾地面沉降数值模拟及其与地裂缝灾害关系研究

临汾市区是继西安、大同等地区之后又一地裂缝灾害比较严重的地区, 已经严重影响着临汾市经济的可持续性发展。经研究表明, 地下水超采为影响该区地裂缝灾害的第二大因子, 它是通过地面沉降来促使地裂缝的形成和发展。本文通过对临汾市区地面沉降进行数值模拟, 总结出了地面沉降的变化规律。分析认为, 地裂缝灾害的易出现部位为沉降梯度陡变带, 即沉降梯度最大处。     

探地雷达探测地裂缝的几个实例

由于地裂缝的形成原因多样,宽度小,展布特征特殊,采用探地雷达进行地裂缝探测,一般很难达到良好的探测效果。通过探地雷达在地下采空、活动断裂、地下水超采等3种不同原因产生的地裂缝上进行探测并取得较好波形图像的实例,介绍了从天线配置、测线布置到资料处理、图像解释等工作流程,总结了不同成因类型地裂缝的探地雷达波形特征。通过实地探孔、探槽验证,说明探地雷达法探测结果准确,探测结果准确反映了地裂缝深部的发育状况和发现新的地裂缝,对分析地裂缝的成因和机理提供了科学依据。     

高干扰环境下西安市地裂缝勘查新方法

针对西安市区人文环境影响大、噪声背景干扰强、城区施工牵涉到道路交通、市政管线等诸多部门,造成地裂缝勘查工作难度大的特点,首次采用可控震源以及特殊的地震数据采集技术.通过最佳工作参数的选择,采取相应抑噪措施,最大程度地保证了勘杳数据质量.地震数据处理除了采用常规浅层地震处理技术,还提出了相应的汽车干扰、市电干扰、强能量干扰及弯线校正等一系列技术处理方法.提高了解释精度,实现了城市高干扰环境下地裂缝地震勘查的技术突破.为探索研究西安市区地裂缝形成机理研究提供了可靠的地球物理基础资料.     

西安地裂缝区域稳定动力学研究

首次运用区域稳定动力学理论,对西安地裂缝开展区域稳定动力学研究.解析了西安地裂缝成生的四维动力学模式,探讨了区域分层动力系统地裂效应及其转换,并就地裂缝灾害效应提出了新的认识.     

山西清徐县地裂缝灾害现状及类型分析

研究了山西省清徐县平泉村武家坡村地裂缝地质灾害的现状和主要特征。清徐县平泉村至武家坡村等7个村庄自2002年春天出现地裂缝以来,其灾害呈现日趋加重的趋势,给当地村民的生产及生活带来了极大影响。经过对平泉村至武家坡村地裂缝的现场实地调查,认为清徐县平泉村-武家坡村地裂缝的分布情况复杂,影响带的宽度从3m左右到100多米不等,凡位于地裂缝带内的大部分建筑物都遭到了破坏。地裂缝带内的地面变形形式有陡降型和缓降型两类,其中位于陡降型变形带上的建筑物破坏最为严重。地裂缝引起建筑物的破坏主要有墙体开裂、地面倾斜、地基下沉、楼梯断裂、门窗变形等多种形式。清徐地裂缝目前仍处于活动阶段,这种活动趋势还将持续一段时间,建议地裂缝带内的村民应尽快搬迁,并限制其在地裂缝带内的工程活动,以免造成更大的损失。     

近地裂缝处层状场地自振频率的剪切梁法初探

为了探究近地裂缝处场地自振频率的计算方法,本文在传统剪切梁法的基础上假设地裂缝上下盘水平位移连续,推倒了地裂缝上下盘处单层及任意多层场地自振频率的递推公式和隐式解答,并且与正常场地剪切梁法结果进行了对比。结果显示：近地裂缝处上盘场地基频比正常场地偏低、下盘场地基频则偏高,并且随着计算范围的扩大上下盘场地的基频越来越接近正常场地解。另外,随着自振频率阶数的提高,本文解也逐渐接近正常场地解。上述结论表明,本文得出的近地裂缝处场地自振频率的隐式解答还是比较合理的。     

山西清徐地裂缝形变的InSAR监测分析

山西清徐地裂缝是近年汾渭盆地中活动最为剧烈的地裂缝之一,对耕地、道路和建筑物均造成了严重的破坏。为了监测该地裂缝的活动特征并推测其活动原因,采用差分合成孔径雷达干涉测量技术对该区域的地表形变进行了面状监测。由于受农田覆盖导致的严重时间去相干的影响,本文采用2007年时隔仅为70d的两景Envisat ASAR数据进行了解算,获取了该时间段清徐地区的整体地表形变,特别是清徐地裂缝两侧的形变梯度信息。结果显示: 清徐地裂缝南侧有一个长轴约为2km的地面沉降区域。进一步通过两条平行于地裂缝的剖线和多条垂直于地裂缝的剖线对该地裂缝形变的空间特征进行了分析,结果显示: 清徐地裂缝南侧为主要的形变区域,地裂缝最大的影响宽度达100m,而且地裂缝的不同地段的活动强度也不同, 70d的最大差异形变达5cm。从地裂缝与断裂的空间来看,该地裂缝位置受到交城断裂的控制,而推测近年地裂缝的异常活动则源于地裂缝南侧沉降中心的出现。     

与地震相关的西安地裂事件的全过程研究

运用历史分析方法,通过物探、热释光测年、古建筑地震地裂反应分析等,探讨了新生代以来与地震相关的西安地裂事件全过程,初步建立了与地震相关的西安地裂事件历程,并按地质历史、地震记载历史、现代三个阶段讨论了地裂灾害特征。并结合地裂场地地震动力效应研究,对未来 5 0年内与地震相关的地裂危险进行了预测。本文成果不仅可指导西安城市建设规划,而且为地裂灾害工程抗防提供了依据。     

西安地区地裂缝带黄土动力特性试验研究

汾渭盆地是我国乃至世界上地裂缝最为发育,灾害最为严重的地区。考虑到地裂缝灾害对场地条件的影响,尤其是对场地土体的动力特性及动力响应的影响,本文在等压固结条件下,对西安地区地裂缝带黄土进行不同围压下的固结不排水(CU)动三轴试验,获取动力学参数,在此基础上分析了地裂缝带黄土动剪切模量随动剪应变变化特征曲线以及阻尼比随动剪应变变化特征曲线,并对所获得实验曲线进行回归拟合,进而建立了地裂缝带黄土的等效黏弹性动力本构模型,为进一步分析场地土体的动力响应奠定基础。     

金川矿山地表岩移GPS监测及岩体采动影响规律

本文通过建立在金川二矿区地表的GPS监测系统,对由于地下采矿引起的地表岩移进行了GPS实时监测,并根据2001～2006年12期监测数据分析了二矿区地表岩体移动变形的特征。在此基础上,阐述了急倾斜金属矿体开采条件下岩体移动的概化传递模式及其地表岩移显现特征,并结合数值模拟和GPS监测结果,分析了采动影响下金川矿山岩体移动发生的机理,同时,探讨了地表岩体移动速率变化特征。