某堤防工程堤顶塌陷与裂缝原因分析

钱财富 宋新江 李 宏

（安徽省水利科学研究院 蚌埠 233000）

1 引言

某堤防工程为二十世纪七八十年代人工填筑而成，堤高4.2m，堤顶宽2.2m，全长约350m。2009年7月汛期，连续降雨时间约60h，累计降雨量213.6mm，该段堤防堤顶出现塌陷及裂缝现象，塌陷最大深度为1.0m左右，裂缝开展方向平行于堤轴线，最大裂缝开展长度约70～100m，裂缝宽度约为5.0cm。该段堤防填筑至今已达30年，堤身填土固结沉降已基本完成。

为了分析堤顶塌陷及裂缝产生的原因，本文根据现场检测和室内试验结果，利用现场检测堤身填土的干密度范围值，进行湿陷和湿化试验，反演分析堤顶塌陷及裂缝的主要原因。

2 工程地质

经现场勘察，该堤防工程地质主要可分为3层，具体如下：

（1）堤身填土层：层厚约4.20m，灰黄色，松散，以轻粉质壤土或重粉质砂壤土为主，土层中夹有植物根茎，干密度为1.26g/cm3～1.43g/cm3，饱和度为28%～38%，塑性指数为7.9～9.1，粘粒含量为8.5%～14.5%，平均标准贯入击数为7.9击，平均比贯入阻力为4.13MPa。

（2）轻粉质壤土或重粉质砂壤土层：层厚约5.80m，灰黄色，松散，干密度为1.35g/cm3～1.55g/cm3，饱和度为29%～73%，塑性指数为7.3～10.1，粘粒含量为8.0%～14.5%，平均标准贯入击数为10.4击，平均比贯入阻力为3.68MPa。

（3）粉质粘土层：本层未揭穿，棕黄色，可塑，粉质粘土，干密度为1.53g/cm3～1.65g/cm3，饱和度为100%，塑性指数为12.2～14.8，粘粒含量为20.0%～37.0%，平均标准贯入击数为8.4击，平均贯入阻力为2.80MPa。

3 堤身填筑质量检测

3.1主要试验指标

为了解堤身填土的物理性质，室内对不同深度土样进行液塑限和颗粒分析等试验，试验结果见表1。

3.2击实试验

室内对堤身土料进行击实试验，土料的最大干密度为1.78g/cm3，最优含水率为16.5%。

3.3压实度检测

主要对该段堤防的堤身填筑质量进行检测，经检测，堤身填筑压实度在70%～85%之间，压实度变异系数为0.044。检测结果表明，堤身填筑质量差，存在松散层，且不均匀。

4 湿陷试验

一般情况下，在浸水作用下不论黄土或填土均具有湿陷性，“GB50021-2001”规范中指出填土具有湿陷性。湿陷试验试样的含水率按最优含水率控制，根据现场检测干密度范围值，试样按压实度为70%、80%、85%、90%和92%进行配制，配制后试样相应的干密度分别为1.25g/cm3、1.42g/cm3、1.50g/cm3、1.60g/cm3和 1.64g/cm3。土样湿陷性试验采用双线法，试验结果见表2。

根据湿陷试验成果绘制湿陷变形系数与压力关系曲线，如图1。

由表2和图1分析，随着土的干密度的降低土的湿陷变形系数越大；随着压力的增加土的湿陷变形系数先增大后减小；在干密度小于1.25g/cm3时湿陷变形系数降低幅度较小；当压力大于300kPa时，湿陷变形系数趋于平缓。在垂直压力（或自重压力）为12.5kPa时，干密度小于1.50g/cm3土体，湿陷变形系数，在此条件下填土属湿陷性土。

5 湿化试验分析

湿化试验试样仍按照最优含水率16.5%配制，根据现场检测干密度范围值，试样配制干密度值分别为1.25g/cm3、1.35g/cm3、1.45g/cm3、1.55g/cm3、1.65g/cm3、1.75g/cm3进 行 制备。根据试验成果绘制崩解量与时间关系曲线，如图2。

由图2分析，土样干密度越大，崩解速度越慢，反之则快；相同崩解量所需时间随干密度的增加而增大，相同崩解时间其崩解量随干密度的增加而减小。

6 塌陷及裂缝原因分析

6.1基本条件

从堤身填筑工程质量检测和试验结果分析，堤身塌陷及裂缝原因构成的基本条件如下：堤身内部存在松散土层，且填筑不均匀；土料试验表明液限小于26%，粘粒含量小于10%，为少粘性土，属分散性土；湿陷试验表明，在垂直压力12.5kPa下，干密度值小于等于1.50g/cm3（压实度为84%），湿陷变形系数δs≥0.015，即属湿陷性土，且填土干密度越小湿陷变形系数越大。堤身填土为少粘性土，崩解速度快，且崩解速度随干密度增加而减小。

6.2诱发条件

根据该段堤防工程调查材料，2009年7月21日8时~7月22日8时，降雨量87.1mm；7月22日8时~7月23日8时，降雨量126.5mm。7月23日17时发现该段堤防堤顶有近80m长裂缝，并伴随着多处塌陷。因此，连续强降雨入渗堤身内部是塌陷及裂缝诱发条件。

6.3发生时间

分析堤顶塌陷与裂缝的原因：一是人类活动与干湿交替作用，堤身表面一定深度范围内形成相对较硬密实土层，湿化试验表明，干密度越大，越不易崩解；二是2009年以前，虽有降雨过程，受降雨连续时间、降雨强度以及堤顶排水速度等条件影响，没有或少量雨水入渗堤身内部，所以堤身湿陷不明显。

6.4降雨作用

连续暴雨使堤身表面土体浸润湿软，大量雨水渗入堤身内部。首先，增加堤身填土自重和动水压力，在雨水渗入裂隙和松散体时，冲刷、溶解和软化了土体；其次，由于堤身内部松散土体为少粘性的分散性土，不仅崩解量大，而且在动力压力下，土的起动流速小，使这部分湿化或流动的土体填充了原孔隙和孔洞，产生堤顶土体塌陷和裂缝。

6.5发生部位

6.5.1累计湿陷量

表1 物理性质统计表

表2 湿陷试验成果表

塌陷及裂缝均发生于堤顶部位，上、下游边坡均未发现很明显的沉陷、坍塌、裂缝和滑坡迹象。从堤身断面形状可知，堤顶填土高度最大。由附加湿陷量Δh=δs×h0可知，堤身中部h0最大，所以堤顶部位累计湿陷量最大。

6.5.2自重应力作用

根据湿陷性试验结果，在同一个干密度或压实度值情况下，湿陷变形系数δs与垂直应力有关，开始阶段随应力增加δs而增加，达到临界值后，随着应力的增加δs减小，呈非线性变化，见图1。该堤身垂直应力主要是土自重应力，土体自重应力p=γh，当土重度γ为定值时，p大小与深度h呈线性增大；当填土深度h为定值时，土的重度γ的取值有：湿陷未发生时，浸水后重度增量Δγ=γ饱和-γ湿；产生微小湿陷时，重度增量Δγ=γ饱和，此时，堤顶沉陷量为固结压缩和湿陷之和。由堤身横断面可知，堤顶土层厚度最大，随着厚度增加δs也增加，故堤顶湿陷量最大。

综上所述，堤顶湿陷量最大，湿陷后使土体产生下沉，由于堤身填土为少粘性土，粘聚力很小，使堤身中部土体向下拉裂，从而形成裂缝。如果堤身内部局部存在大体积疏松层或较大孔洞，易形成塌陷。堤身塌陷拉裂破坏程度和形式主要取决于堤身填筑质量。

7 结论

综上所述，堤顶塌陷与裂缝形成的原因主要为以下几个方面：

（1）堤身填土不均匀，存在松散层或孔洞；

（2）由于堤身填土密实性差，且为少粘性土，在浸水作用下存在湿陷性和崩解现象；

（3）较长时间的连续强降雨，大量雨水渗入堤身内部，是塌陷及裂缝诱发条件；

（4）雨水渗入使堤身产生湿陷，堤顶湿陷量为最大。

所以在土方填筑工程中回填土压实度一定要满足规范要求，填筑要均匀，填土层内不能存在松散层和孔洞，否则，填土将会产生过大的湿陷或不均匀沉陷。故当填土均匀性与密实性差时，在填土沉降计算中，不仅要考虑固结沉降因素，尚需考虑填土湿陷性的影响■