地裂缝地表破裂形态的力学机制浅析

地裂缝地表破裂形态的力学机制浅析
摘要：地裂缝在世界各地均有不同程度的发生。

西安市是我国受地裂缝影响最
为严重的城市之一。

目前对地裂缝灾害的主要处理方式是避让。

根据《西安地裂
缝场地勘察与工程设计规》规定，按照拟建建筑物的重要性、结构类别的不同，
对地裂缝的上盘避让距离一般为6～40m，下盘避让距离为4～24m。

不管是正在
活动的、还是曾经活动但目前稳定的，或者隐伏的地裂缝均需按要求避让。

关键词：地裂缝；分析；扩展方向
1、地裂缝的宏观微观共性
无论是大规模的构造断裂，还是较小范围的裂缝，变形破裂的影响范围都更
多的集中于上盘楔形体处。

这种断裂形态的相似与土质之间没有明显的规律，而
与材料几何性质密切相关。

对于连续均质体而言，其抗弯刚度为EI（弹性模量×
惯性矩）。

对于同一断层，楔形体越到尖端处惯性矩越小，变形主要集中于此。

西安地裂缝的地表展布特征与这一结果一致。

临潼——长安断裂为断裂面，
西安正断组为断层上盘，西安地裂缝越近临潼——长安断裂处地裂缝间距越小，
越远间距越大，这也从宏观角度印证断层上盘楔形体越近尖端其抗破坏能力越弱，地表变形破坏也较为集中的现象。

2、地裂缝的浅部剖面组合形态
（1）阶梯状构造：由几条同倾向的地裂缝与其间依次下降的地块组成阶梯
状构造，主要反映了引张应力作用，是地裂缝分布区普遍存在的一种构造组合形态，存在于不同等级和规模的构造行迹中。

（2）“Y”型构造：在主地裂缝的上盘，常发育一组与主地裂缝倾向相反的分
支地裂缝，组成“Y”型构造。

（3）侧羽状构造：近地表处，近于直立的主地裂缝南侧，常可见到一组密
集的节理，组成侧羽状构造。

侧羽状构造只有在坚硬的土层中才能见到。

3、地表形态、裂缝剖面形态与水平应力（水平位移）的关系
从拉张位移和垂直位移两种模型可看出，上盘活动以水平位移为主时，数值
模型得到的上盘地表变形曲线为上凸型，裂缝处垂直位移最大，向外侧渐小，此
种活动方式多产生“Y”型破裂，地表形态呈俯仰型。

上盘活动以垂直位移为主，且水平向为压应力时，数值模型得到的上盘地表变形曲线为上凹型，地表越向外侧
垂向位移越大，此种活动方式多产生阶梯型破裂，地表形态呈台阶型。

4、从土中一点应力状态分析
①水平应力值小于垂直应力
当断层（地裂缝）受拉张应力，且断面处产生一定空隙时，取上盘楔形体处
一个单元体分析其受力情况。

单元体两个垂直面受逆时针旋转的剪应力，故τxy
为负值，垂直向受压应力σ1（σy），水平向为拉应力σ3（σx）（此处σ1代表较
大值，σ3代表较小值）。

单元体水平受拉应力为断层拉张作用的一种结果，土体大部分为水平压应力
小于垂直压应力。

对于地表处，土的自重应力较小而粘聚力较大的情况，可能存
在水平拉应力大于垂直压应力，相对于整个地层，其属于少数现象，在此暂不分析。

单元体受的受力情况，根据莫尔——库伦准则，土体的破裂面与最大主应力
夹角为45+ψ/2，与水平应力σ1的夹角为β1：
从值中可见，剪应力相对较小时，破裂面与水平夹角较大，剪应力相对较大时，破裂面与水平夹角也较小。

可见破裂面与断层呈阶梯型。

综合上数值模拟的结果和应力状态的分析，认为断层的次生裂缝与主裂缝组
成何种形态，主要因素为水平应力的大小。

5、地裂缝上部建筑破坏分析
从地面调查的结果来看，墙体的裂缝有的先从下部斜向上发展，倾向与地裂
缝相反；有的先从上部被拉裂，近垂直向下发展。

先从方位破裂，也是哪个位置
先达到抗拉强度问题（据第一强度理论）。

将诸多建筑物破裂的现象简化为以下
两种模式：
1、简支梁模式
当地裂缝沉降范围小于建筑的范围，位于地裂缝上下盘的建筑两侧均有支撑，而地裂缝两侧范围内与建筑脱离，分析模型可简化为简支梁；当地裂缝沉降范围
在建筑物底部范围内，建筑两侧有地基支撑，中间某部分悬空，则可简化为简支梁。

2、悬臂梁模式
当地裂缝沉降范围大于建筑的范围，位于上盘的建筑相当于有固定支撑，位
于上盘的建筑下部无支撑，分析模型可简化为悬臂梁。

物体中部为中性面，上部为拉应力区，下部为压应力区。

分别在这三个位置
提取微单元“1”、“3”、“2”。

受力情况，单元1的主拉应力与水平向夹角为45°；
单元2受到到水平向压力影响，主拉应力顺时针转动，夹角大于45°；单元3，受水平拉应力影响，主拉应力逆时针转动，夹角小于大于45°。

根据第一强度理论，单元的破坏由最大拉应力导致，那么其破坏面与水平夹角从下到上为：小于45°、等于45°、大于45°。

6、近地表处裂缝扩展方向
从破坏现象来看，浅部地裂缝的裂缝展布形式是由地层深部和上部建筑物的
共同作用所致，故较为复杂。

地表处的裂缝扩展情况较为多变，地层深部和建筑上的裂缝均能在地表找到
相似的展布。

有些与下部倾向一致，有些近直立，在某些小型物理模型试验中也
出现了破裂面曲性反转的现象，在部分地层剖面发现破裂面急转，倾向下盘。

1号破裂：
当土层与下部隐伏断裂的力学性质相近，且水平为压应力时，将产生此种裂缝。

其形成机制同深部土层的破裂相同。

破裂角由第一主应力方向和土的内摩擦
角共同决定。

2号破裂：
当第一主压应力与水平夹角为45?+φ/2（φ为内摩擦角）时，理论上会产生
此类破裂；当在水平拉张应力下，某深度达到一定错动量，使地表产生拉应力区，且土层抗拉能力较小时，将会产生此类破裂。

3号破裂：
裂缝从倾向上盘到直立之间的情况，主要由第一主应力方向影响和内摩擦角
控制。

但当上盘有向下的位移时，由于土层有一定的强度（抗拉、抗剪能力），
使其有一定整体性，而上盘近裂缝处又存在一定范围垂直应力降低区，此时，上
部土层的受力情况相当于梁，即产生倾向下盘的裂缝。

前阶段破裂主要受水平应
力控制，后阶段主要受土的强度控制。

4号破裂：
此种破裂又可分为两种情况：一是裂缝发展时直接转向，而是在主裂缝形成
后才形成。

对于①隐伏裂缝的转折扩展：其与4号破裂一直。

主要由表层土的强度主导。

当上盘下降时，将产生应力降区，上部土层由于强度大，与两侧的土层能保持连续，受力情况属于简支梁问题。

其裂缝的倾角与应力降区的宽度有关，其宽度越大，倾角越小。

7结论：
1、断层（地裂缝）上盘较下盘破碎的本质原因是楔形体的几何体的截面惯
性矩大小不一，越近楔形体尖端抗弯能力越弱，在相同力的作用下越近尖端越易
破坏。

2、地裂缝及其次生裂缝的扩展方向主要由水平应力控制，水平应力为拉应
力时，次生裂缝易呈“Y”型，水平应力为压应力时，次生裂缝易阶梯型。

3、上部建筑墙体的裂缝倾向下盘，其破坏本质与简支梁、悬臂梁裂缝的产
生相同，破坏机制为拉裂和剪切破坏。

土体的力学性质对破裂面的倾向有一定影响，近地表土层较硬处，裂缝易出现垂直及反转现象。

参考文献
[1]西安地裂缝场地勘查与工程设计规程[S].DBJ61-6-2006，2006。