采煤沉陷区地裂缝对土壤含水率的影响

为了探究地裂缝对深层土壤含水率的影响,以陕北某煤炭基地煤矿区为研究对象,利用统计分析方法分析动态地裂缝和边缘地裂缝对浅层(0.1~0.3 m)和深层(0.5~6.0 m)土壤含水率的影响,并基于克里金插值法解析土壤含水率的时空变化规律.研究结果表明:①竖直方向上,深度为0~2.0 m时,动态地裂缝区和边缘地裂缝区的土壤含水率均低于未扰动区的值;深度为2.0~6.0m时,各区土壤含水率差异不明显,表明地裂缝对土壤含水率的影响深度约为0~2.0 m,即地裂缝对浅层土壤含水率的影响较大,对更深层土壤含水率的影响相对较小.②水平方向上,动态地裂缝区土壤含水率整体低于闭合区,而1年边缘裂缝区土壤含水率整体高于2年边缘裂缝区,表明地裂缝会对土壤含水率的空间分布产生较大影响.综合来看,地表塌陷与地裂缝的出现改变了土壤的结构状态,加速了土壤水分的蒸发,降低了土壤持水性.

分段管廊装载供水管道穿越地裂缝适宜性研究

在活动地裂缝影响下,供水管道拉裂、错断现象时有发生,并引发严重的次生灾害。本文以西安市西南郊水厂拟建球墨铸铁管道穿越地裂缝为工程背景,建立管道45°穿越活动地裂缝的数值模型,分析地裂缝影响下管道的内力响应与变形特征,结果表明:地裂缝作用会使管道接口偏转角过大而导致其防水失效。因此提出一种分段管廊装载供水管道穿越地裂缝的方法,建立分段管廊装载供水管道穿越地裂缝的数值模型,分析管道与管廊通缝、错缝两种工况、不同分段管廊长度、不同地裂缝位置、不同穿越角度下管廊与管道的内力响应与变形特征。得出管廊装载管道穿越地裂缝的最佳方案为管道与管廊通缝布设,采用单节长度为18 m的分段管廊,使地裂缝位于管廊的2/3处,并尽量以小角度穿越地裂缝。研究成果对城市供水管道穿越活动地裂缝的工程建设与灾害防治具有实际意义。

基于静力推覆分析的穿越地裂缝浅埋地铁车站地震破坏模式研究

以处于西安f4地裂缝场地的浅埋地铁车站为研究对象,通过开展振动台试验,探讨了地裂缝场地和结构的震害特征。同时,考虑场地地震响应的非一致性,采用静力推覆分析方法,分析了穿越地裂缝浅埋地铁车站的地震破坏模式。结果表明:针对地裂缝场地地下结构的Pushover分析方法能够较真实地反应地震作用下地裂缝场地的活动特征和地下结构的破坏特点。在水平地震作用下,趋于稳定状态的地裂缝上、下盘土体主要进行张合活动(相互挤压与分离)。其中,相互挤压会对结构中柱施加明显附加压弯作用。地裂缝场地土体的水平剪切变形是结构破坏的主要外在因素,而地裂缝活动造成的附加压弯作用会进一步增大中柱轴压比,降低中柱的变形能力,加速结构的地震破坏。在地裂缝场地特征变形作用下,结构底层中柱水平剪切变形能力相对较弱,且结构剪力表现出明显的空间分布规律,上盘结构底层中柱是结构的抗震关键构件。研究结果对该类结构的抗震设计具有重要参考价值。

苏州—无锡—常州地区地面沉降及地裂缝防控研究

苏州—无锡—常州(苏锡常)地区曾是中国地面沉降灾害最严重的地区之一,从20世纪70年代开始发生地面沉降,随之因差异沉降诱发地裂缝灾害,21世纪以来沉降速率逐年趋缓,部分地区出现区域性的地面回弹,独特的地面沉降发展历程为全面解读地面沉降提供了理想的窗口。为揭示苏锡常地区地面沉降生命周期过程及其驱动机制,利用长时间序列、大区域尺度的三维渗流、应力、应变多场监测数据以及物理试验模型、数值模拟等技术对区域地面沉降与地裂缝宏观演变规律、成因机理进行综合分析。研究结果显示:苏锡常地区地面沉降经历了发生、快速发展、趋缓、滞后和反弹5个阶段;地面沉降与地下水开采密切相关,其地层变形主要来自于地下水开采导致的含水层和弱透水层的压密释水,主采含水砂层及相邻隔水层为沉降主要贡献层,并识别了地层压缩、回弹的时空演变特征及其对地面沉降的贡献;地裂缝是地面沉降发展到一定阶段后所产生的次生地质灾害,其空间展布及成灾时间与地下水水位、地面沉降、基岩起伏变化以及土层结构差异等因素密切相关,提出了驱动地裂缝演化的压—拉—剪—弹物理过程,识别出了地裂缝发生的触发机制和临界条件。同时建立了以地质钻孔全断面光纤监测为特色、多种技术方法融合的“天-空-地”立体化、地下水-地面沉降-地裂缝协同的监测体系,为地面沉降防控提供科学、详细的数据支撑;并创新区域-场地双尺度有限元耦合界面元法,成功实现了三维复杂地质环境条件下地层形变特征及地裂缝生成和扩展的力学机制模拟,为地面沉降、地裂缝易发区精准圈定与防控提供了解决路径;通过总结基于技术创新支撑政府实施的地下水限采、禁采等地面沉降防控实践及其成效,为中国其他省/市地面沉降防控与地下水资源管理起到示范作用。

郯庐断裂转换段新沂地裂缝成生机理及构造意义

新沂地区处于郯庐断裂带转换段的关键部位,自20世纪70年代以来在新沂地区共发现地裂缝灾害点28处。这些地裂缝以群发的形式发育在南马陵山以西、沂河—骆马湖以东的区域内,地裂灾害影响区面积达100 km^(2)。新沂地裂缝与地层结构、地震活动、地下水开采等因素有着千丝万缕的联系,对其研究形成了多种观点。利用实地调查与勘探手段,新近查明了新沂地裂缝的基本特征,它们具有走向一致性、纵向尖灭性、局部群发性等特点,且与邻近断裂(郯庐断裂带次级断裂F3)具有高度一致性,属于区域构造控制型地裂缝。以新沂地区地质构造为原型,构建了逆断层作用下地裂缝成生物理试验模型。试验结果表明,随着逆断层断距加大而依次呈剪裂段、离层段、弯裂段等发展过程。结合新沂地区“地堑地垒地堑”组合结构,新沂地裂缝的成因机制可概括为“跷跷板”构造模型,在构造应力、自重应力、地下水波动等作用下,下沉段受挤压,上升段因抬升而弯裂,从而形成地裂缝。研究新沂地区地裂缝,对揭示郯庐断裂带“北中南”段构造变化和“深浅表”部结构联系具有重要的指示意义。

基于三维隔震的穿越地裂缝地铁车站地震反应控制研究

穿越地裂缝地铁车站易发生严重地震破坏。文章基于地震动作用下地裂缝场地双向变形特征和结构破坏机理,探究穿越地裂缝地铁车站中柱三维隔震的适用性。考虑土与结构相互作用,建立穿越地裂缝地铁车站三维隔震结构数值模型。采用动力时程分析法,以无隔震与水平隔震结构为对比工况,研究穿越地裂缝地铁车站的三维隔震效果,并进一步揭示隔震机理。结果表明:单一的中柱水平隔震难以满足结构的地震反应控制需求;三维隔震支座不仅显著降低了中柱的地震反应,而且有效削弱了地震动作用下地裂缝上、下盘相对沉降对支座隔震效果和中柱抗震能力的不利影响,从而维持较高的减震水平;三维隔震后,车站结构侧墙内力增大而层间位移角的变化与其埋深、地震动强度与频谱特性等因素有关,车站结构顶、底板内力和变形均增大;车站结构抗震薄弱构件由中柱转变为顶板,而中柱和侧墙等竖向承载构件不发生严重地震破坏,避免结构倒塌。研究以期为地裂缝场地地下框架结构的灾变控制提供参考依据。

跨地裂缝三孔斜交箱涵结构受力性能和变形规律研究

以西安站改扩建项目为工程背景,完成足尺三孔斜交箱涵结构受力性能数值模拟研究,分析荷载与地裂缝协同作用下结构的受力过程与可能破坏形态,开展缩尺比例为1∶15的三孔斜交箱涵缩尺模型静载试验,与有限元结果进行对比分析,明确变形缝斜交和板墙开洞等复杂条件下箱涵结构的裂缝发展、位移变形和应力分布规律,验证了数值分析的可行性,并提出设计建议。结果表明:足尺数值模型与缩尺试验模型的应力路径和裂缝分布吻合较好;最不利工况下,箱涵顶板混凝土开裂部位较多,纵向挠度变形较小;斜交变形缝处,钝角较锐角处更易产生应力集中现象,各部位易出现应力集中的顺序依次为跨中、钝角、锐角和板墙隅角;采用平行于变形缝的斜向布筋方式可降低因钢筋截断而产生的应力集中,优化传力路径;建议在顶板洞口横向位置处增设暗梁,洞角布置斜向钢筋,降低洞口周围的局部集中应力。

基于神经网络的跨越地裂缝框架结构地震损伤及预测研究

为开展特殊地质环境下结构的损伤分析,以一跨越西安f4地裂缝的五层框架结构为研究对象,基于振动台试验和ABAQUS有限元分析结果,进行了BP神经网络模型的模型训练,选取变形和能量组合形式的双参数损伤模型计算结构损伤指标,采用加权系数法,开展了构件、楼层、结构三个层面的损伤预测分析,给出了不同地震作用下结构损伤程度评估。结果表明:地裂缝场地结构表现出明显上下盘效应,结构首层为薄弱层。BP神经网络损伤预测值与有限元计算值在不同工况下均较为一致,其对于构件、层间、整体结构损伤指数预测最大误差分别为8.86%、5.66%、7.57%,该研究成果为跨越地裂缝结构的性能评估提供一种准确且高效的研究方法。

滋阳山地区地裂缝分布规律及成因

为了解济宁市滋阳山地区地裂缝的成因机制,通过资料收集、地质测量、钻探、物探、遥感解译、山地工程、室内试验、水位动态监测、工程测量、综合分析等研究该地区的地裂缝现状及分布规律。结果表明:该地区主要出现6处地裂缝出露区;裂缝有直线型、交叉型和不规则塌坑型3种类型;地裂缝全部发育于林木种植地区,且该地区由农耕区变更为大面积种植林木之前,未见有村民反映的地裂缝相关报导,可推断地裂缝的出现和林木的种植关联性很强;经调查林木移植与地裂缝的产生有相关性;地裂缝在地表显现的方向与林木种植的行向方向一致;据推测地裂缝的垂向切割深度可能至膨胀土层底部。可见研究区控制地裂缝活动的首要条件是膨胀土的分布,其次是林木移植程度、林木种植以及水动力活动迁移条件。

厚松散层薄基岩综放开采覆岩破坏与地裂缝发育规律

开采引起的覆岩移动、破坏及地表变形裂缝的研究对于煤矿安全生产和采动损害保护具有重要意义。以郑煤集团某矿12203工作面为工程背景,采用理论分析、现场实测与数值模拟等方法分析了覆岩受采动影响演化机制,给出了回采距离与覆岩发育高度之间的函数关系以及覆岩充分破坏埋深与回采距离之间关系,分析了该地质情况下的地裂缝分布特征。结果表明:①厚松散层薄基岩覆岩破坏演化可分为开始、快速增加阶段、缓慢增加及稳定4个阶段;覆岩破坏高度与回采距离存在Logistic函数关系、与煤层厚度存在线性函数关系,该地质条件下覆岩充分破坏时,回采距离等于埋深;②覆岩裂隙演化中,基岩部分比松散层部分破坏程度剧烈;③地裂缝形态主要为拉伸裂缝与台阶裂缝,二者交互存在,工作面边缘裂缝整体随工作面回采呈现椭圆形—圆形—椭圆形动态变化;地裂缝发育超前工作面一段距离出现,动态超前裂缝距为84.07 m,动态超前裂缝角为73.15°。

表水侵蚀地裂缝物理模型试验研究

地表水入渗侵蚀是地裂缝出露地表的一个重要诱发因素。肯尼亚裂谷区因其特殊的构造环境背景,降雨侵蚀地裂缝极其发育。本文以东非肯尼亚裂谷地裂缝为原型,建立了降雨侵蚀条件下隐伏岩土体破裂扩展出露地表的地质模型,通过物理模型试验揭示了地裂缝发育过程中土体内部水力侵蚀破坏的演化规律。试验结果表明:(1)表水侵蚀地裂缝可将其破裂扩展过程分为3个阶段:均匀入渗阶段,侵蚀掏空阶段、塌陷致灾阶段。(2)隐伏岩土体破裂的影响区域是表水入渗的优势通道,该区域水力侵蚀强烈。(3)当侵蚀塌陷形成时,土体内部含水率和孔隙水压力出现同步的陡变。土体内部含水率的突变反映了裂隙的发育以及局部塌陷的形成,从而可以揭示土体内部侵蚀塌陷的进程。此次基于表水入渗的物理模型试验研究可为地裂缝的监测防控提供科学理论支撑。

含水层厚度突变型地裂缝控制因子敏感性分析

过量开采地下水引发的“采水型”地裂缝灾害在国内外广泛存在。采水型地裂缝的发育是过量开采地下水与复杂的地质、水文地质条件共同作用的结果。含水层厚度突变型地裂缝是常见的一类采水型地裂缝。为了深入理解含水层厚度突变型地裂缝发育机制,文章基于这类地裂缝的概念模型设计了一个理想的地裂缝发育数值试验算例,应用有限元方法计算含水层连续性介质的应力应变分布,应用界面元方法计算非连续裂缝的发育。在此理想算例基础上,进一步应用Sobol全局敏感性分析方法评估含水层厚度比、孔隙水压力变化、压缩系数以及内聚力四个控制因子对地裂缝发育深度的影响。研究结果表明:开采地下水过程中,由于孔隙水压力降低,差异性沉降和剪切应力在含水层厚度突变处集中并不断增大,导致地面产生地裂缝,并进一步向下扩展。含水层厚度比是地裂缝发育最敏感的控制因子,孔隙水压力变化的敏感性次之,压缩系数敏感性弱,内聚力是不敏感控制因子。含水层厚度比和孔隙水压力变化之间有明显的交互作用,含水层厚度差异越大且孔隙水压力降低越大则地裂缝发育越深。

基于动态蛇形-膨胀卷积模型的矿区地裂缝提取

采动裂缝是煤矿地下开采造成的破坏形式之一。针对矿区地表环境复杂、无人机图像裂缝提取方法精度较低的问题,本文融合动态蛇形卷积和膨胀卷积构建了全新的动态蛇形-膨胀卷积,并将其添加到现有分割模型的编码、解码结构,以优化整体网络模型结构;构建了矿区裂缝数据集,并在该自制数据集上进行裂缝提取精度验证。结果表明,加入动态蛇形-膨胀卷积,可使模型的分割精度(平均交并比)提高14.96%,对于实现地裂缝准确提取具有实践价值。

基于分布式光纤传感技术的北京宋庄地面沉降和地裂缝综合监测

针对地面沉降及地裂缝,传统点式监测技术手段难以实现地质体变形的连续监测,且无法通过地面沉降、地裂缝的综合监测定量分析两者之间的关系。基于钻孔全断面分布式光纤监测技术实现了地面沉降和地裂缝同步监测,根据监测结果对北京宋庄地区地下水-地面沉降-地裂缝之间的关系进行了分析。监测结果表明,宋庄地面沉降主要受到地下水开采影响,含水砂层抽水发生压缩变形,地裂缝两侧均存在明显的地面沉降,且差异沉降显著;差异沉降量和地裂缝变形量均持续增大,但增大速率放缓。地面沉降、地裂缝同步监测结果表明,该地区地裂缝发育主要受地层差异沉降影响。

北京首都国际机场周边及机场内地裂缝形变时序InSAR监测

利用StaMPS技术,基于2017~2021年覆盖北京首都国际机场的133景升轨和95景降轨Sentinel-1影像,对机场及周边地面沉降、机场内地裂缝稳定性等进行研究。结果显示,升降轨影像监测结果的一致性较好,在机场南部、温榆河以南区域形成沉降漏斗,漏斗内部最大沉降速率超过40 mm/a,沉降漏斗沿温榆河分布。对升降轨影像监测结果进行内符合精度验证,结果表明,90%以上公共像元的形变速率差位于±10 mm/a之间,证明了升降轨影像监测结果的一致性。特征点时序形变结果表明,金盏乡、富豪村和黄金花园小区附近沉降较严重,最大累积沉降量分别超过250 mm、150 mm和110 mm。从机场整体形变及地裂缝两侧时序和剖线结果均可看出,地裂缝两侧地表的差异形变对比明显,且差异分界线与地裂缝位置较吻合。

西安地铁6号线某隧道穿越地裂缝带设防措施研究

[目的]西安地铁6号线二期工程某隧道沿线分布有7条地裂缝,工程性质较差,施工时可能会造成隧道局部坍塌,以及基底不均匀沉降,从而加剧地裂缝活动,严重威胁城市轨道交通的建设和运营。因此,有必要对6号线某隧道穿越地裂缝带进行设防研究。[方法]基于对与西安地铁6号线二期工程相交的各条地裂缝历史活动特性分析,对各条地裂缝对地铁影响程度分级进行定性评价。综合该分级定性评价结果,隧道与地裂缝的空间相对关系,以及地裂缝在百年使用期内最大垂直位移量设计建议值,对地裂缝垂直、水平及轴向位移量,以及隧道结构纵向设防长度进行了估算。依据二类地裂缝场地的工程防治原则,针对隧道穿越地裂缝带提出相应设防措施。[结果及结论]6号线某隧道穿越地裂缝带的设防措施为:隧道衬砌结构采取分段设缝,扩大隧道断面净空及局部衬砌加强,接缝处采用柔性接头。该设防措施目前已经成功保障了7条地铁线路的安全施工与运营。

跨越地裂缝民用住宅建设场地土壤氡气分布特征研究

在全球经济发展及人类物质生活水平逐渐提高的背景下,政府和公众越发重视环境对人类健康的影响,流行病学研究已证实,环境中氡气对人类的健康产生巨大的危害。在地裂缝附近经常存在氡异常现象,为保证公众健康,利用国产FD216环境氡测量仪对跨越地裂缝的西安某建设小区进行土壤氡气测量。结果表明:研究区地裂缝破碎带及附近土壤氡浓度值存在明显波动现象,地裂缝带处土壤氡浓度相对略低,向两侧波动较大;建设场地周边仍有局部高异常区,应在地裂缝附近建设中,采取合理的手段避免土壤氡对工程环境的影响;地裂缝是良好的氡气迁移通道,因地表破裂变形,加速了氡气的扩散,造成地裂缝上土壤氡气含量较低、地裂缝周边异常的特征现象。对于跨越地裂缝民用住宅建设场地土壤氡气分布特征研究,不仅为今后在城区内地裂缝附近土壤氡浓度研究工作提供了借鉴和指导意义,同时将极大地推动绿色建筑标准规范及评价标识体系的建立、健全。

地铁隧道穿越地裂缝段暗挖施工对地表影响规律分析

基于有限元分析软件,对穿越地裂缝的隧道开挖引起的地表横向变形、地表竖向位移和隧道变形规律进行分析。结果表明:(1)地表横向最终变形曲线呈现出“W型”,两个凹槽分别位于左右线隧道的中心处,且受到双洞效应的影响,左线地表横向沉降要大于右线;(2)隧道左右线开挖过程中沿开挖方向地表沉降变形在开挖进尺为5 m时,地表表现出局部隆起的趋势;且距地裂缝的距离越近,地表沉降和横向变形越大;(3)当地裂缝位于隧道正上方时,地表沉降变形规律可划分为三个阶段:平稳变形阶段,加速变形阶段,变形稳定阶段;(4)左右线隧道拱顶拱底最大变形位置均在地裂缝附近,左线隧道拱顶拱底最大变形分别为-48、47 mm,右线隧道拱顶拱底最大变形分别为-45、44 mm。建议在地裂缝主变形带内设置沉降缝,预留净空变形量,并加强隧道的结构刚度,提高抗变形能力,并预留轨道、接触网等的调整高度。

高密度电法和氡气测量在地裂缝调查中的应用分析

平原地区地裂缝发育具有隐蔽特性,勘探难度较大,综合物探方法可以快速查明地裂缝的分布及空间展布特征。氡气测量具有经济高效的优点,可以快速探测地裂缝发育位置。高密度电法一次布极可以实现不同排列数据采集,快捷采集数据的同时降低了电极布设引起的干扰,成果电阻率断面图则可以较好地展示地裂缝空间形态。综合利用2种方法可以相互补充和验证,提高解释结果的准确性。在宋庄地裂缝通州北部地区布设了4条综合物探剖面,其中高密度电法测量330点,氡气测量163点。分析发现:高密度电法对地裂缝的典型反应为等值线发生扭曲变化,在相对高阻中间发育垂向低阻带;氡气测量常表现为峰值异常,且大部分异常呈现“马鞍状”。根据测量结果解释推断了10条地裂缝。

浅埋煤层采动诱发覆岩应力响应及地裂缝动态发育特征

为探究浅埋煤层综放采动诱发覆岩应力响应及地裂缝动态发育特征,利用UDEC软件对甘肃环县甜水堡矿区采煤过程中地裂缝的发育情况、应力变化情况进行数值模拟。研究表明:随着工作面的不断推进,地裂缝由下而上发育并且越发密集,采空区范围大到一定程度时,中部岩层被压实,临时性裂缝呈自闭合特征,永久性裂隙存在于采空区两侧。上覆岩层的下沉位移区域随工作面推进距离增大而增大,呈现出采空区两侧下降距离最少,越靠近采空区中部对称轴中心下降距离越深的趋势。采空区上覆岩层应力变化依次为应力集中、损伤变形、断裂坍塌到应力释放的过程。