隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验边界效应

物理模型试验是研究地质灾害变形破裂特征、动力学过程和成因机制的有效手段,受制于模型箱尺寸,试验过程中边界效应问题显著,如何减弱边界效应影响一直是研究者所关注的焦点问题。本文以隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验为研究对象,通过物理模型试验现象分析以及数值模拟验证等手段,对物理模型箱体边界效应进行了系统分析。结果表明,模型箱体边界效应的主要控制因素为箱体边壁阻尼与箱体尺寸比,其中：边壁阻尼与边界效应幅值呈正相关,边壁摩擦角小于土体内摩擦角时,黏聚力是边界效应影响的主要因素,边壁摩擦角大于土体内摩擦角时,摩擦力是边界效应影响的主要因素;箱体尺寸比影响边界效应幅值,长宽比与边界效应幅值呈正相关,并确定试验模型箱设计最优尺寸比为5∶3∶2.2。箱体边界效应对隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验结果存在显著影响。     

隐伏地裂缝破裂扩展研究综述

日益增多的地裂缝灾害受到人们的普遍关注,而隐伏地裂缝数量更加巨大,其破裂扩展的随机性及潜在的灾害效应是我们必须面临和解决的问题。隐伏地裂缝的破裂扩展方式受多种因素影响,包括地裂缝的位错量、倾角和活动速率,上覆土层的性质、厚度和地层结构,以及表水下渗、开采地下水、地震动和时间效应等,这些因素的组合和叠加,导致隐伏地裂缝的破裂力学机制复杂,破裂扩展过程难以再现。目前隐伏地裂缝的破裂扩展研究方法主要采用现场调查与勘探、模型试验、力学综合分析与解析和数值模拟等综合手段,研究内容包括地裂缝破裂扩展各种形成条件和诱发因素的影响效应。通过分析隐伏地裂缝破裂扩展在其形成的复杂环境地质条件、多期活动性、长期蠕动性和多种诱发因素共同作用下的综合效应与力学机制,研究其破裂扩展过程,追踪不同深度的破裂位置及影响带宽度,确定一定条件下隐伏地裂缝扩展引起的地表最大位错量和最小安全覆盖层厚度,制定统一的地裂缝影响带宽度确定方法和标准,可为解释实际地裂缝破裂现象和地裂缝灾害综合防治提供依据,也是今后的研究重点。     

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。     

基于光纤传感技术的地裂缝物理模型试验

苏南地区地裂缝成因机制较为复杂,且灾害活跃。以光纤光栅传感器为监测手段,建立基岩潜山条件下物理地质模型,模拟抽水差异性沉降过程,揭示地裂缝发育演化规律。试验结果表明:（1）地下水过量抽采导致的不均匀沉降是地裂缝发育的最直接因素,地下水水位降深越大、抽采速率越快,地面沉降越明显。（2）基岩潜山形态位置对地表沉降起控制作用;同时地面沉降最严重区域与地裂缝分布区域基本一致;基岩潜山的发育位置形态、地表的沉降曲线以及地裂缝分布情况基本一致。（3）模型试验结果与研究区地裂缝灾害发育规律基本一致。此次基于光纤技术的物理模型试验研究为地裂缝研究提供新的方法与手段。     

地裂缝对不同结构形式桥梁桥面的破坏试验研究

根据相似原理,建立了两种支承形式的大比例尺桥梁模型,并在桥面板的上下表面分别布设应变片,通过人工模拟地裂缝的活动,采集了在地裂缝活动下桥面板上产生的应力和应变数据。对试验数据详细分析发现,简支桥由地裂缝引起的附加应力较小,地裂缝活动时主要破坏型式为落梁或落板破坏,因而地裂缝活动时,主要加强对桥梁梁、板位移量的监测,防止出现此类现象发生;固接桥作为一种超静定结构,在地裂缝的影响下产生较大的附加拉、压、剪等应力及扭矩,有可能导致结构性破坏。因此,笔者建议在地裂缝影响带范围内,桥梁以采用简支结构为宜。     

西安地铁正交地裂缝隧道的模型试验研究

以西安地铁二号线穿越地裂缝的区间隧道为对象,通过几何相似比尺50:1的物理模型试验,开展了地裂缝活动条件下地铁隧道骑缝（变形缝与地裂缝一致）正交穿越地裂缝时衬砌结构与围岩相互作用机制的试验研究。结果表明,在地裂缝发生各级错动位移条件下,不同围岩应力场的围岩土压力、衬砌结构应力及其不均匀沉降位移变化规律相似;上下盘内的衬砌结构之间具有明显的错断位移,下盘内衬砌结构的沉降量越小,上盘内衬砌结构的沉降量越大,均呈渐变趋势;上盘内衬砌结构应力、围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而减小,下盘衬砌结构应力和围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而增大,围岩土压力和衬砌结构应力的增量峰值均发生在地裂缝附近。模型试验研究研究结果对于分析地裂缝活动区间地铁隧道工程的运营及维护具有重要的理论与实际意义。     

地裂缝与斜交地铁隧道动力相互作用试验研究

通过进行地裂缝与斜交地铁隧道的物理模型试验,研究地铁列车荷载作用下地裂缝与斜交马蹄形地铁隧道的动力相互作用特性。试验结果表明:地铁行驶产生的振动在土层中各个方向传播时会有不同程度的衰减,地裂缝对地铁振动具有阻隔作用;地裂缝附近隧道下方土层的振动要比上部土层强烈;地铁隧道的拱底部位相比拱腰和拱顶部位振动响应更强烈。地裂缝未活动时,隧道底部与土体的接触附加压力较大;地裂缝上盘下降时,位于地裂缝附近的下盘隧道底部和上盘隧道顶部与土体的接触附加压力较大。地裂缝未活动时,激振作用产生的隧道顶部和底部的附加应变均较小;地裂缝上盘下降后,位于上盘的隧道顶部和位于下盘的隧道底部产生负的附加应变,位于下盘的隧道顶部和位于上盘的隧道底部产生正的附加应变,且随上盘下降量的增大,附加应变逐渐变大。     

四川雅安峡口滑坡物理模型试验研究

在调研四川雅安峡口滑坡的地形地貌、物质组成、岩层特征等基础上,根据相似理论,通过物理模型试验,模拟该滑坡在降雨条件下的变形和破坏特征,探讨滑坡的发生机理和破坏发展过程及演化趋势。模型试验结果表明:在降雨条件作用下,孔隙水压力、土压力和位移呈现一定的变化规律;试验得出了峡口滑坡的破坏方式、运动特性、破坏位置及可能出现的次级灾害及其位置。     

河北平原地裂缝产生的微观机理研究

分析了降雨和微结构失稳诱发的河北平原地裂缝机制。根据研究发现:(1) 根据近40a来华北平原的降雨量曲线图与地裂缝发生的时间图对比发现地裂缝多干旱年份的6-8月,地裂缝与农业灌溉用水密切相关。 (2)通过微结构突变失稳理论发现当应力状态满足孔隙微结构失稳判别式时,微结构元的变形状态将产生一个跳跃,即会诱发微结构失稳崩塌。(3)地下水的抽取造成原饱和带土体颗粒之间有效接触力的增加,同时造成地下隐裂隙和空洞的形成。同时灌溉入渗引起的非饱和带土体含水量增加,不仅改变了颗粒的受力情况,更重要的是导致了颗粒间连接刚度的降低,导致微结构的失稳。     

隐伏地裂缝扩展的大型原位浸水试验研究

隐伏构造地裂缝具有潜在的灾害效应和扩展的随机性,地表水是诱发隐伏地裂缝扩展的因素之一。文章基于野外调查资料,定性分析了地表水对隐伏地裂缝扩展效应的水压作用及黄土湿陷作用机理,在此基础上选取西安曲江新区隐伏地裂缝黄土场地开展了大型原位现场浸水模拟试验。通过沉降观测、数据分析和数值模拟,得出水压作用是诱发隐伏裂缝扩展的辅助因素,因黄土湿陷作用在裂缝两侧形成的差异沉降是主要诱因,靠近隐伏地裂缝的区域沉降量最大,距离裂缝越远沉降量越小,整体呈现抛物线形的沉降模式,验证了地表水诱发浅表层黄土隐伏裂缝扩展的作用机理。相关认识对于研究隐伏构造地裂缝的扩展机理以及防治工作具有重要的指导意义。      

隧道斜交穿越地裂缝的模型试验研究

西安地区由北向南间隔分布有十多条近东西走向的地裂缝,建设中的多条地铁线路与地裂缝呈斜交状态。为了揭示地铁隧道斜交穿越地裂缝时受地裂缝活动而产生的力学性状变化,采用50:1几何相似比尺的物理模型试验仪,在合理模拟围岩地层、衬砌结构、应力条件、地裂缝与洞轴线交角及其错动位移基础上,开展了斜交地裂缝活动条件下隧道衬砌结构与围岩相互作用的物理模型试验研究,并与正交地裂缝活动下的测试结果进行了对比分析。表明斜交地裂缝活动对地铁隧道的影响范围更大,各变形缝均有明显的沉降差发展;邻近斜交地裂缝的衬砌结构易处于“悬臂梁”受力状态,衬砌结构不均匀沉降使其产生旋转位移,围岩土压力变化使衬砌结构内力产生显著变化;随着地裂缝错动位移的发展,上盘内拱顶和下盘拱顶、拱底出现围岩作用的加强,而上盘拱底出现围岩作用的松弛。与隧道正交穿越地裂缝的情况比较,斜交穿越地裂缝时围岩土压力和衬砌结构内力变化更大,易出现拉裂破坏。     

地裂缝及其灾害研究的新进展

已查明我国 2 6个省市出现具一定规模的地裂缝 1 0 0 3处 ,60 0 0多条。其中 80 %是构造地裂缝 ,它们是地壳浅表层破裂。区域地裂缝与强震区分布一致 ,活跃期也相吻合 ,它们是同一构造应力场作用的不同构造现象 ,区域地裂缝释放地壳应变能远超过同期强震能量释放的总和。作为动力源的地裂缝活动使同期地质体发生位移产生形变场和应力场 ,并通过地基使建筑物结构等失稳失效破坏成灾 ,估算全国地裂缝造成的损失为 91 .2亿元 ,其中华北区损失占 70 %。地裂缝已构成一个新的独立的灾种。     

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。     

地裂缝剖面形态对地铁隧道变形影响模型试验研究

为揭示隧道底部脱空与结构纵向变形之间的对应关系,模型试验以西安地铁隧道穿越地裂缝带为研究背景,采用圆形地铁隧道结构,研究了在不同地裂缝剖面活动特征下的隧道纵向应变变化规律及其垂直位移。试验结果表明,随着错位量增加,隧道底部脱空区域扩展过程可分为3个阶段:共同变形阶段、临界脱空阶段和脱空发展阶段。针对地裂缝的不同剖面活动形式,隧道结构内部应力将出现很大差异,建议在施工中对应不同地裂缝带采取不同的施工方案。通过监控,结合模型试验的应力应变发展变化规律,可判断结构底部脱空的发展趋势,为西安地铁穿越地裂缝带的结构设计和安全运行提供重要的参考依据。     

黄土边坡降雨侵蚀特征的物理模拟试验研究

黄土边坡的侵蚀破坏是引起黄土地区公路边坡自然灾害的主要诱因。通过建立室内边坡降雨冲刷物理模型, 进行黄土边坡侵蚀破坏的模拟试验, 再现边坡溅蚀、片蚀、沟蚀、坍塌的基本破坏过程, 并对坡面降雨冲刷的演变过程和侵蚀机理进行了细致的描述和分析。试验表明:在一定的降雨雨强下, 径流TSS(携砂能力)和单位面积侵蚀泥沙量随着试验坡度的增加逐渐增加, 而径流总量、侵蚀干泥沙量随着坡度的增加而相应变小。同时, 黄土边坡侵蚀冲刷过程中的主要侵蚀能力参数如坡面径流总量、汇流干泥沙量、侵蚀干泥沙量等与降雨雨强之间存在相应的关系。     

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。     

采水型地裂缝发育演化模型试验研究

为了研究苏南地区采水型地裂缝成因演化机制,设计建成了抽水与潜山条件大型物理模型系统,运用光纤传感监测技术手段,模拟地裂缝演化进程,并对其分布规律、成因机制做出总结归纳。试验结果表明:（1）模型试验中光纤传感技术能够较为准确地对水位、应力-应变分布等参数进行监测;基于光纤传感技术的模型试验系统为地裂缝研究提供新的方法与手段;（2）岩土体张应力集中区与地裂缝发育位置基本对应,岩土体的张应力集中是判断地裂缝发育阶段的重要标志;（3）通过地裂缝走向玫瑰花图显示,模型平坦区地裂缝发育方向沿排水孔呈放射状分布;而潜山区域地裂缝发育具明显的方向一致性,且与潜山等高线平行;（4）地裂缝分布同时受抽水差异性沉降及潜山形态位置控制。     

西安城区地裂缝破裂扩展的数值模拟

西安城区由于其复杂、特殊的地质条件,成为世界上地裂缝发育最典型的城市,这给建设中的西安地铁带来了全新的课题。隐伏地裂缝在黄土中的扩展机理,影响范围,影响程度等问题,都是西安地铁建设中所广泛关注和亟待解决的问题。为研究黄土中地裂缝的扩展机理和扩展特征,笔者结合大型物理模型试验结果,利用数值模拟的方法,建立了三维数值分析模型,进行了不同工况的对比分析研究。研究表明,采用数值模拟的结果与模型试验以及调查所见地裂缝带上建筑物的破裂形式基本一致,这说明用数值模拟进行地裂缝扩展分析是有效的。     

白龙江流域不同降雨侵蚀力模型对比研究

降雨侵蚀力不仅是评价土壤流失、输沙量和水质模型的重要参数,也是气候环境变化模拟中的重要参量。基于白龙江流域5个气象站点逐日降雨观测资料,利用Renard等8个降雨侵蚀力模型分别计算白龙江流域降雨侵蚀力,并分析各模型之间的差异。结果表明Renard-Lo年降雨侵蚀力模型误差最大为76.2%,周伏建月降雨侵蚀力模型误差最小为2.1%,月降雨侵蚀力模型计算结果在白龙江流域优于年雨量和日雨量模型结果。白龙江流域年平均侵蚀性降雨占年降雨量的34.5%~46.0%。年降雨量与年平均降雨侵蚀力之间呈现高度相关,可以用幂函数拟合,各站相关系数均超过0.98。     

跨地裂缝墙体开裂形态分析

应用非线性有限元法对跨地裂缝的墙体开裂形态进行了分析,确定出了具有三维活动性的地裂缝垂直穿越墙基时,墙体出现裂缝的位置、倾向、倾角和后期的发展状况,以及随沉降量与张开量比值变化的规律。结果表明:地裂缝垂直穿越围墙时,墙体上出现的裂缝一般有两种形式:一是位于地裂缝下盘的墙顶竖直裂缝,二是出现在地裂缝正上方墙体底部的斜裂缝;当地裂缝两盘的土体活动以水平拉张为主时,墙体底部出现的斜裂缝以高角度向上扩展,当地裂缝两盘的土体活动以差异沉降为主时,墙体底部出现的斜裂缝则以较缓的角度向上扩展,倾向与地裂缝相反;只要地裂缝的上下盘土体有微小的错动,一般2～3mm时,就会引起墙体的破裂,且墙体裂缝扩展迅速,几个毫米的错动量,就能使墙体裂缝扩展数十厘米,甚至贯通整个墙体;墙体斜裂缝在产生初期较为平直,随着裂缝的迅速扩展,端部稍向下弯曲,倾角减缓,整体呈弧弯状。