地裂缝在地表的出露位置差异性分析

地裂缝在地表的出露位置差异性分析

[摘要]文章通过对比分析地裂缝场地的现场勘探资料，得出地裂缝在地表的实际出露位置和勘探推测的出露位置不一致。笔者认为主要因为含水率、密实度、围压及原裂隙的空间分布等因素对地裂缝在近地表土层中的破裂扩展行为所影响的结果，并从理论上对其进行了分析。

[关键词]地裂缝出露破裂

1引言

西安地裂缝是西安地区特殊的地质灾害，目前共发现14条，对建筑、道路、管线等城市设施造成了巨大的危害，也阻碍了城市的建设。因此，在进行工程建设前应进行场地地裂缝勘察，推测地裂缝在地表的出露位置，为地裂缝场地的工程建设及地裂缝灾害防治提供科学依据。在地裂缝勘察报告中地裂缝在地表的出露位置通常是从地层错断处，考虑古土壤底界的错断及顶界的倾斜趋势，以80°倾角的直线画到地表，推测地裂缝在地表的出露位置。而通常的地裂缝推测出露位置和实际出露位置有一定的差异性，有事相差较大，超出误差修正范围。因此研究分析这种差异性及其原因具有一定的科学意义。

2存在的问题

地裂缝勘探精度修正值Δk[1]的大小决定了地裂缝在地表的推测出露位置的偏差（图1）。在此定义地裂缝在地表的推测出露位置和实际出露位置之间的距离为L，如果L在Δk的影响范围之内，视为推测出露位置和实际出露位置具有一致性；如果L在Δk的影响范围之外，则视为推测出露位置和实际出露位置不一致。

根据多年来对西安地裂缝场地的工程勘察钻探结果，结合西安地裂缝场地的实地调查与测量资料，发现地裂缝在地表的实际出露位置和推测出露位置有时并不一致，而且相差较大。

3对比分析

本文以西安地铁五号线地裂缝勘察[2]中的f5、f7地裂缝为例，对其实际出露位置和推测出露位置进行了对比分析。

根据现场钻探资料，在剖面图中从两孔之间按80°倾角画地裂缝到地表，得到地裂缝在地表的推测出露位置；在现场利用全站仪对出露裂缝进行了坐标测量，得到了地裂缝在地表的实际出露位置。f5、f7地裂缝的出露位置见图2、图3，其错断参数见表1。

由以上对比分析可知，f5、f7地裂缝在地表的实际出露位置和推测出露位置

均具有差异性，在勘探精度修正范围之外。造成这种差异性的主要原因是场地的岩土特性及周边建筑环境影响了地裂缝在近地表土层中的破裂路径。

4影响因素

作为裂缝传播的介质，土层的差异都会使得裂缝在土层中的扩展延伸和破裂特征发生改变。隐伏裂缝在土层中向地表的扩展和破裂行为主要受含水率、密实度、围压、原裂隙空间分布的影响，并非沿老裂缝方向延伸，而是产生新生裂缝。

4.1含水率

细粒土的天然含水率决定着土的连结强度。随着含水率的增大，细粒土的连结减弱，土的压缩性增强，强度降低，塑性越好。因此当土体含水率较小时，土颗粒之间的粘结较强，土体强度较高，当土体受到剪切作用时，容易发生脆性破坏，产生的竖向位移较大；含水率较大时，土体间的连结减弱，土体强度较低，当受到剪切作用时主要为塑性破坏，土体主要变形为弯曲变形和压缩变形。

4.2密实度

粘性土的密实度与连结有关，随着密实度的增大，孔隙比减小，土的接触点有所增多，连结增强，土的强度增高，压缩性减弱。对粗粒土，密实度对其强度影响很大，孔隙比愈小，内摩擦角愈大，压缩性愈小。

当土体密实度较高时，土体强度较高，发生剪切破坏时为脆性破坏，产生明显的竖向位移，土体中产生裂缝并形成贯通的破裂面，反映至地表便为明显的错断或裂缝；当密实度较小时，土体强度变低，变形以塑性变形为主，土体中不会产生明显的裂缝，塑性变形的累积反映至地表为地形的隆起或者凹陷。

4.3围压

土层的应力历史决定了土层的固结程度，不同固结程度的土层其密实度也不相同。固结程度越高，其压缩性越小，抗剪强度越高。此外，由于现代城市的快速发展，地面建筑越来越密集，其高度越来越高，地面荷载越来越大，土层中的附加应力也越来越大。因此，土层的应力历史和地面建筑所造成的附加应力都会影响土的强度和地裂缝在土层中的传播途径。

围压可以提高土体的强度，围压越高，土体强度越高。当土体围压较小时，土体的主要变形为轴向变形，且在变形量很小时就发生脆性破坏，产生明显的裂缝和错断，反映至地表为地形的错断和裂缝；当土体围压越高，轴向变形越大，错断越明显，竖向位移越大，反映至地表的位错越大。

4.4原裂隙的空间分布

黄土中发育有各种节理裂隙，除黄土特有的垂直节理外，还发育有构造裂隙、

淋漏裂隙、卸荷裂隙、湿陷裂隙、胀缩裂隙及风化裂隙等。这些节理裂隙的发育破坏了土体的整体性，使土体结构受到破坏，土粒间的连结减弱，土体的强度降低。当土层发生差异性沉降时，会在已有节理裂隙处引起应力集中，当集中应力超过土体的连结强度时，便会发生剪切滑动，产生竖向位移。

当原裂隙角度与破坏角度接近时，以轴向变形为主，发生脆性破坏，原裂隙连接贯通形成贯通的破裂面，在地表形成裂缝和错断；当原裂隙角度与破坏角相差较大时，土样一般发生塑性破坏，没有明显的错断，塑性变形的累积在地表表现为地形的隆起或凹陷。

当土体发生脆性破坏时，在破坏面两侧的土体会产生明显的竖向错动，破坏面主要表现为两种形式[3]：

①破坏面为平直剪切面，有擦痕和阶步，破坏后的土样失去连续性，破裂面两侧的土块不能稳定接触或刚好可以稳定接触；

②破坏面为羽状微细剪裂面或雁行剪裂面，破坏后的土样仍具有一定的完整性，在破裂面两侧形成一定厚度的剪切带。土样在完全破坏之前可能沿潜在的剪裂面发生一定的塑性变形，随后破坏过程快速发展。

因此脆性破坏使得土体结构遭到严重破坏，强度大幅降低甚至为零，其竖向剪切错动在土体中的各个位置形成独立的裂隙或微破裂面。这些微破裂面及黄土中原有的各种节理裂隙，在错动不断变大的时候，将沿着土层中的软弱面逐级追踪贯通，最后形成连续的破裂面并延伸之地表，地面出现裂缝及错断台阶。

5结论

西安地裂缝是埋藏在地表土层下的隐伏裂缝重新活动出露到地表形成的。其活动是由于地层的差异沉降引起裂缝两侧土体的集中应力超过了土体的粘结强度，土体结构破坏并发生剪切滑动，形成剪切破裂面或剪切软弱面。最终，土层中不同位置处的破裂面逐级追踪贯通，形成贯通的破裂面出露于地表形成地裂缝。

在此过程中，新生裂缝的破裂扩展受土体含水率、围压、密实度及原裂隙的空间分布等因素的影响，绕开土体中的粘结块等强度较高的区域，沿着土体中的软弱面或已有节理裂隙进行扩展，使得地裂缝在地表的实际出露位置和推测出露位置不一致。同时由于拉张作用，在裂缝两侧会出现多条次级裂缝。

参考文献

[1] 陕西省标准.西安市地裂缝场地勘查与设计规程（DBJ61-6-2006）[S]. 2005.12.

[2] 西安市地铁五号线工可阶段沿线地裂缝程勘察报告[R].长安大学工程设