河北涿州市地裂缝成因机制分析

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为揭示涿州市地裂缝成因及发育机制,本文在野外调查、探槽开挖、工程钻探的基础上,分析总结了研究区地裂缝的平面发育分布特征、剖面结构特征、及周期活动特征,并通过物理模拟试验,分析解剖地壳基底张应力环境下,引起上覆土体形变和位移的变化规律,裂缝的发育破裂过程,以及剖面结构特征。取得的主要结论如下:1、研究区处于冀中断拗北部,区内第四系地层广泛分布,地层以断块构造为主,新构造活动强烈。区内主要断裂有八宝山断裂、黄庄-高丽营断裂、顺义-良乡断裂、大兴断裂、东垒子-涞水断裂。新近纪以来,这些断裂主要以拉张走滑运动为主,并造成浅地表受NE-NEE向的水平拉张构造应力作用。研究区位于燕山地震带与太行山山前地震带的交汇处,目前处于地震活动的第四个时期—高潮期。伴随人类工程活动不断增强,地下水超采严重,进而引发地面下沉,加速地裂缝的发育。2、野外调查表明,研究区地裂缝集中分布于刁窝乡、码头镇一带,截止2019年1月,区内共发现地裂缝出露点65处,并集中分布于三个地段,分别为(1)刁窝一村地裂缝带(群),呈“Y”字型,走向近东西;(2)刁窝四村地裂缝带(群),呈直线型,走向NW285度;(3)浮洛营村地裂缝带(群),呈直线型,走向NW330度。时间上,区内地裂缝活动有一定的周期性,约3-4年为一个周期,并且地裂缝出现于地表的时间集中在每年的7、8、9三个月份。根据典型地区探槽揭露表明,研究区地裂缝为张性裂缝,且有多期次周期性活动的特点,顺裂缝面没有垂直错动和走滑现象。根据钻探数据发现,研究区上部地层为粉土,物理力学性质较差,下部地层为粉砂和细砂,地层连续平整,没有发现断层向上扩展穿透浅地表活动的痕迹。3、研究区地裂缝几何运动特征主要有两种,(1)仅发生垂直于裂缝面的、向两侧的水平拉张运动;(2)发生垂直裂缝面的水平拉张运动的同时,在地裂缝发育地段还发生一定的沉降运动。地裂缝活动强度特征为:刁窝一村墙体裂缝最大水平拉张速率约0.19cm/a,塌陷坑长度扩展速率约0.06m/a,宽度扩展速率约为0.03m/a,深度0.6m处扩展速率约为0.01m/a;浮洛营村墙体裂缝最大水平拉张速率约0.19cm/a,塌陷坑长度扩展速率约0.13m/a,宽度扩展速率约为0.11m/a,深度0.6m处扩展速率约为0.04m/a。4、研究区地裂缝的形成与区域张应力场和水动力(地下水、地表降水)活动密切相关,基底张应力场是主因,水动力加速了裂缝的发育,使地裂缝出露地表。地裂缝成因模式为:基底拉张(基础)—地表降水和地下水位下降(加速发育)。5、物理模型水平拉张试验结果表明:1)土体中产生三种类型的裂缝:(1)主裂缝(f1),由模型底部预设裂缝开始曲折向上扩展并纵向贯穿整个土体,并在深度15~55cm段倾向固定盘,深度0~15段倾向移动盘,裂缝下部宽度3~5cm,上部宽度1~3cm;(2)由于主裂缝(f1)浅表开裂导致土体卸载拉张形成的次级裂缝(f12、f13),由模型表部自上而下垂直扩展;(3)拉张应力作用在移动盘中部形成的次级裂缝(f2-f11),起裂位置大多位于软弱层(硅酸凝胶)顶底部边界处,分别向上、向下或双向扩展,整体上倾角较大甚至近直立,总体上倾向固定盘。2)土体伸展变形过程可分为五个阶段:主裂缝(f1)启裂、主裂缝快速扩展与次级裂缝(f2、f3)启裂阶段;主裂缝(f1)加速发育、次级裂缝(f2、f3)继续扩展与次级裂缝(f4-f7)启裂阶段;主裂缝(f1)破裂扩展至地表与次级裂缝(f2-f7)持续发育扩展阶段;前期裂缝持续扩展、卸载拉张次级裂缝(f12、f13)与次级裂缝(f8-f11)启裂阶段;先期裂缝持续发育扩展、卸载拉张次级裂缝(f12、f13)与次级裂缝(f2-f11)加速发育阶段。3)主裂缝(f1)对应的地表位置土体有明显的沉降现象,并且距离主裂缝f1的距离不同,土体沉降量、减薄量也不同:靠近主裂缝f1的土体中沉降量和减薄量较大,远离主裂缝f1的土体中沉降量和减薄量较小。4)主裂缝(f1)影响带总宽度为155cm,其中严重影响带宽度为75cm,一般影响带宽度为80cm。对应到实际距离中影响带总宽度为46.5米。其中严重影响带宽度为22.5米,一般影响带宽度为24米。
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