摘要
雄安新区地处地裂缝密集发育地区之一的京津保腹地,研究新区的地裂缝发育机制及其地表土层变形特征,对当地基本规划与建设以及灾害防治具有重要的意义。论文在地裂缝野外实际调查的基础上,进行了土工试验和物理模拟试验,并结合土的微观结构特征,开展了新区地裂缝带岩土体变化特征及其成因分析研究。主要取得以下认识与结论:1、雄安新区位于冀中坳陷北部,区内分布着众多的三级构造单元断裂。但新近纪后,除牛东断裂外的其余断裂均已停止活动,且牛东断裂的活动强度也在逐渐减弱。区内有巨厚的新生代地层覆盖,很难见到基岩出露。2、研究区地下水主要赋存于由粉砂土构成的含水层中,含水层厚度变化较大,自上而下共有四个含水组;地下水位监测数据显示,近些年来,由于地下水超采,研究区地下水水位逐年下降,由此引起大面积地面沉降。研究区约72%的面积地面沉降速率超过10mm/a,地面沉降严重区和较严重区均集中分布于雄县北部,且研究区地面沉降速率变化总体趋势具有逐年增大的特征。3、调查表明,研究区地裂缝集中分布于雄县大营镇-朱各王庄-雄州镇一带,以及容城县以大河镇及容城县城分别为中心的周边地区。截止2019年1月,区内共发现地裂缝点54处,其中42处出现于2009年1月之后。研究区地裂缝主要以不规则形、圆形、椭圆形及条带形塌陷坑的形式出露于地表,各裂缝的发育规模不等,走向差异显著;探槽揭露剖面上,裂缝发育深度较浅,呈上宽下窄近直立的喇叭状,最宽处宽约5m,缝内被后期杂土松散填充,主裂缝附近部分土层中可见近直立的直线型或(反)S型次级张裂缝,裂缝两侧同期地层厚度相同,垂直裂缝面方向上未见有相对错动痕迹,顺裂缝面走向也未见相对走滑运动迹象,表明裂缝在水平拉张应力环境中孕育产生。4、土工试验结果,表明研究区地裂缝带土的物理力学性质在不同深度表现出不同特征。其中,1)地裂缝带浅表部土与同深度远离地裂缝的原状土相比,含水率和密度较小、孔隙比较高、平均粒径较大、抗剪强度较低;2)而地裂缝带下部的土层与同深度原状土相比,含水率和密度较大、孔隙比较低、平均粒径较小、抗剪强度较高。5、物理模型试验表明,在水平拉伸作用下:1)土体中产生三类裂缝:主拉张裂缝、次级拉张裂缝和卸载拉张裂缝。其中,主拉张裂缝(f_1)从底板预制裂缝处开裂,曲折向上发育并最终切断整个土体,按倾向差异分为上下段:上段倾向移动盘,下段整体倾向固定盘;次级拉张裂缝(f_2~f_(11))从土体内部,伴随拉伸过程向上、向下或双向扩展发育,并集中分布于移动盘,产状陡直甚至近直立,整体倾向固定盘,并依据形态又可将其分为直线型和(反)S型两类;卸载拉张裂缝(f_(12)、f_(13))从固定盘土体表面向下扩展发育,总体呈近直立状。2)主裂缝附近土体发生明显的不均匀沉降,且在不同深度,土层的沉降带范围具有差异。3)主裂缝附近的土体密度大幅减小,相对于背景值减小幅度达9%,移动盘侧土体密度小幅减小,相对于背景值减小幅度为3%,固定盘侧土体的密度基本未改变;结合裂缝发育情况及密度带位置,分析伸展变形影响带宽度130cm,其中,一般影响带宽55cm,严重影响带宽75cm,换算到实际当中,地裂缝影响带可能宽39m,其中一般影响带宽16.5m,严重影响带宽22.5m。6、土体微观结构观察结果表明:1)模拟土拉伸变形作用下具有如下微观结构特征:与同深度原状土相比,各深度下裂缝影响带土的孔径较大、密实度较小、颗粒定向排列程度较高、而粒径未变化。2)研究区地裂缝带土的微观结构在不同深度具有不同特征,其中,地裂缝带浅表部土与同深度原状土相比,孔径和粒径较大,密实程度和颗粒定向排列程度较低,而地裂缝带下部土与同深度原状土相比,孔径和粒径较小,密实程度和颗粒定向排列程度较高。3)对比研究区地裂缝带土和模拟伸展变形土微观结构特征发现,两者整体的微观结构变化规律具有相似性,表明通过物理模拟土体伸展变形试验,在一定程度上揭示了研究区土体在水平拉张应力场中变形开裂后的微观结构特征。7、根据研究区地质环境特征以及地裂缝的发育分布特征和剖面结构特征,结合研究区地裂缝带与物理模拟拉伸变形裂缝带土体的宏观变形及微观结构特征的对比结果,分析认为:无序开发地热资源及过量抽采地下水引发研究区地面沉降,地面不均匀沉降诱发浅层土产生差异致密伸展变形破坏,促使了地裂缝的扩展发育。研究区地裂缝发育过程概述为“地面不均匀沉降-地裂缝扩展发育-水动力后期改造”。