基于SBAS-InSAR的西安市鱼化寨地区地面沉降与地裂缝时空演变特征研究

自20世纪50年代末以来,西安市遭受了严重的地面沉降和地裂缝灾害,严重制约了西安市城市建设发展规划。本文以西安市典型地面沉降区之一的鱼化寨为研究区,基于短基线集合成孔径雷达干涉测量技术,采用覆盖研究区的ERS(1992~1993年)、Envisat(2003~2010年)、Sentinel-1A(2015~2020年)3种卫星数据,并结合区内钻孔、地下水开采及城市发展建设历史和现状资料,分析鱼化寨周边地区地面沉降与地裂缝时空演变特征,探讨区内地面沉降与地裂缝的成因机制。本文获取的主要结果如下:获取了鱼化寨周边地区1992~2020年3阶段年均沉降速率图,揭示区内沉降中心由90年代电子城处(90 mm·a^(-1))变为现今鱼化寨处(50 mm·a^(-1));证实了地面沉降与地裂缝在时空分布上具有关联性,地裂缝发育于地面沉降槽的北侧边缘,限制了地面沉降槽向北扩展,且随地面沉降槽的发展而延伸;揭示了鱼化寨沉降中心仍在扩大,f4地裂缝还存在向西延伸的可能;明确了鱼化寨周边地区地面沉降和地裂缝的发展受地下承压含水层的开采及人类建设活动等的影响。上述认识可为受地面沉降和地裂缝影响的城市地面开发利用和灾害防治提供一定参考和支撑。

西安凹陷 f12 地裂缝发育区第四系及裂缝沉降特征

在西安凹陷南缘清凉山地裂缝f12两侧钻取了两口超过400 m的全取芯井,笔者对DZ1井(420 m)和DZ2井(400.5 m)岩心作了沉积学分析,进行了古地磁、磁化率及粒度测量,分析了地裂缝沉降特征。结果表明:DZ1孔岩心包括0~93 m黄土–古土壤序列沉积L2~S11,缺失上部马兰黄土及S1,93 m以下为三门组河湖相沉积。DZ2钻孔岩心包括0~72 m黄土–古土壤S1~S9序列沉积,缺失上部黑垆土S0和马兰黄土L1,73 m以下为三门组河湖相沉积。DZ1孔岩心和DZ2孔岩心的黄土地层层序基本一致,包括中更新世离石黄土上部及早更新世离石黄土下部,未见午城黄土。河湖相三门组与午城黄土同时异相,在两口井都持续沉积至第四纪底界,并穿时至上新世顶部。两口井岩心均记录了B/M界限,J、O、R极性亚带及M/G界限,这些界线为两口井的地层对比提供了科学依据。其标志层粉砂质黄土层L9位置高差为5 m,古地磁B/M界线位置高差为4 m,J亚带位置高差为8~17 m,O亚带位置高差为31~22 m,R亚带位置高差为56~47 m,M/G界线位置高差为54 m。总体看来,DZ1孔地层界线和古地磁界线高程都较DZ2孔低,并且越靠下层差距越大。根据地层高差及古地磁界线高差判断,地裂缝f12上盘相对下降4~54 m。在DZ1孔373.6 m处发现次裂缝面,经计算裂缝面倾向南东,倾角为77°。研究成果为进一步认识西安凹陷沉积环境,地裂缝特征及对西安地区防控地裂缝地质灾害具有重要意义。

装配式地下管廊穿越活动地裂缝的适宜性分析

在地裂缝分布广泛的地区,装配式地下综合管廊穿越活动地裂缝的适宜性尚不明确。为了研究装配式地下管廊在地裂缝活动作用下的受力与变形特性,通过建立装配式地下综合管廊穿越地裂缝的三维有限元模型,设置了10 cm、15 cm,20 cm和25 cm 4种不同沉降量工况以及45°、60°、75°和90°4种不同的地裂缝与管廊相交角度,分别进行了数值模拟计算分析。结果表明:随着地裂缝活动量的增加,管廊的变形与纵向应力均呈增大的趋势,且当沉降量接近20 cm时,管廊底板最大纵向拉应力达到混凝土抗拉极限,位置在下盘接触且靠近地裂缝处;地裂缝与管廊交角越小,管廊最大纵向拉应力越小,但扭转效应明显;在地裂缝活动性较弱的场地,装配式管廊穿越地裂缝表现出对不均匀变形更优越的适宜性。研究成果对地裂缝活动作用下装配式管廊的破坏机理的研究以及灾害防治具有重要意义。

隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验边界效应

物理模型试验是研究地质灾害变形破裂特征、动力学过程和成因机制的有效手段,受制于模型箱尺寸,试验过程中边界效应问题显著,如何减弱边界效应影响一直是研究者所关注的焦点问题.本文以隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验为研究对象,通过物理模型试验现象分析以及数值模拟验证等手段,对物理模型箱体边界效应进行了系统分析.结果表明,模型箱体边界效应的主要控制因素为箱体边壁阻尼与箱体尺寸比,其中:边壁阻尼与边界效应幅值呈正相关,边壁摩擦角小于土体内摩擦角时,黏聚力是边界效应影响的主要因素,边壁摩擦角大于土体内摩擦角时,摩擦力是边界效应影响的主要因素;箱体尺寸比影响边界效应幅值,长宽比与边界效应幅值呈正相关,并确定试验模型箱设计最优尺寸比为5∶3∶2.2.箱体边界效应对隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验结果存在显著影响.

地裂缝活动对城市连续梁桥作用的力学分析

由于城市交通的工程线型特点,其建设与运维无法避免会受到地裂缝活动的影响。基于MIDAS GTS NX建立一个三跨连续梁桥正交跨越地裂缝的有限元模型,分析在地裂缝不同沉降量下连续梁桥箱梁及墩台的位移场和应力场变化规律。结果表明,箱梁结构在不同沉降量条件下的主要差异沉降区范围基本相同,且与地裂缝影响带宽度基本等同,即上下盘各20 m长,共计40 m;箱梁的变形可分为三段:抬升区、不均匀沉降区和整体沉降区;地裂缝的上盘箱梁表面受压,而下盘箱梁表面受拉更为明显,处于桥墩位置处的箱梁应力显著增加,箱梁结构的破坏易因拉应力的陡增而发生在地裂缝的下盘桥墩处。地裂缝影响范围内的中跨两侧墩台产生显著的差异位移变化量,而地裂缝影响范围外墩台所受影响较小。研究成果可为已建和规划中的跨地裂缝连续梁桥的致灾机理研究及灾害防治提供重要参考。

砂土垫层对管廊穿越活动地裂缝响应的影响分析

在地裂缝广泛分布的城区,城市地下综合管廊建设不可避免会遭受地裂缝活动的影响。基于已有矩形隧道物理模型试验结果,分析地裂缝活动对其破坏作用和过程,并建立其数值模型,对比试验结果验证数值模型的有效性。通过建立地下综合管廊穿越地裂缝的三维有限元模型,设置了50,100,150,200 mm四种不同的沉降量工况以及将换填砂土的长度、高度和角度作为变量的不同工况,进行数值模拟计算。计算结果表明:随着换填砂土的长度、厚度和角度在一定范围内逐渐增大,管廊的最大纵向应力均出现减小的趋势,但超出一定界限后,换填效果减弱,最优的换填砂土长度、厚度和角度分别为6,3 m和60°;砂土换填比未换填管廊的最大纵向应力有明显减小,减小幅度约20%。