毗邻路基绿化带中地裂缝原因、治理及预防研究

2018-09-11张跃

西部探矿工程 2018年9期

张跃

（1.江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京210007；2.镇江八一四勘察测绘有限公司，江苏镇江212005）

1 概述

地裂缝是地表土体在自然或人为因素作用下，产生开裂，并在地面形成一定长度和宽度裂缝的一种地质现象，当这种现象发生在有人类活动的地区时，成为一种地质灾害，地裂缝的成因有[1-6]：基底断裂位移，使上覆土层开裂形成地裂缝；斜坡滑动造成地表土体开裂；土洞、溶洞或采空区塌陷造成地面土体开裂；气候干湿变化，使膨胀土或淤泥质软土产生胀缩变形发展而成；黄土受地表水或地下水的浸湿，产生沉陷而成；松散土体中的微裂缝，受地表水或地下水的冲刷、潜蚀，松散土体中部分颗粒随水流失，加剧了微裂缝两侧不均匀地面沉降而形成地裂缝；过量开采地下水引起不均匀地面沉降而形成地裂缝。

作者以江苏省S243省道镇江—句容K36+400～K36+500段毗邻路基绿化带中地裂缝为研究对象，认为该绿化段中地裂缝成因为：绿化带成为饱和土后，路面上长期车辆振动在绿化带中产生了超静孔隙水压力[7]，超静孔隙水压力消散导致地裂缝的产生。并据之提出了下一步治理、预防措施，供设计、道路维护同行在工程实践中借鉴。

2 绿化带中地裂缝

S243省道镇江—句容段2005年扩建后，一直运营良好，但至2015年，发现K36+400～K36+500标段处西侧路基外产生地裂缝、形成塌陷区（图1、图2）：（1）塌陷区内地裂缝宽度5～40cm，深度5～100cm；（2）靠水沟处有坍塌陷落情况，且有不断加大趋势；（3）最近地裂缝距离路基3～4m，已经威胁到路基的安全。

图1 塌陷区及周边环境图

3 工程地质条件

3.1 地层

为了查明塌陷区及路基地层情况，实施了6个工程地质勘察孔，总进尺98.8m，孔口标高采用黄海高程，高程由邻近一高程点引测（引测点高程为43.280m），高程测量采用铼卡NA2型水准仪，精度0.7mm。根据勘察成果，塌陷区及周边地层分4层，其中①、④层又细分为2个亚层，地层特征如下：

图2 现场地裂缝

①-1素填土:灰黄、灰褐、杂色,很湿,结构较松散,主要成分为粉质粘土夹少量植物根系、碎石子等杂质,堆积时间约10年，厚1.0～2.0m。

①-2填筑土:灰黄、灰褐、杂色,很湿,结构松散,主要成分为粉质粘土夹大量碎石、灰渣、粗砂等杂质,碎石大小不一,粒径1～6cm不等,棱角分明,含量20%～75%不等,堆积时间约10年，厚3.3～4.6m。

②粉质粘土夹碎石:灰黄—棕黄色,饱和,可塑状态,碎石棱角分明,碎石粒径约为1～5cm,碎石含量约为3%～20%,胶结差,粉质粘土干强度中等,韧性中等,有光泽,无摇震反应,压缩性中等,厚1.7～3.2m。

③粉质粘土:灰黄色,饱和,可塑状态,干强度中等,韧性中等,有光泽,无摇震反应,压缩性中等,厚1.2～7.4m。

④-1强风化石灰岩:灰白、灰青色,密实,母岩结构清晰,节理裂隙很发育,岩体破碎,岩芯以碎石状、饼状居多,岩芯长度为3～7cm,岩芯采取率25%～39%,母岩为石灰岩,属较岩,岩体基本质量等级为V级，厚0.1～1.4m。

④-2中风化石灰岩:灰白、灰青色,密实,母岩结构清晰,节理裂隙较发育,岩体较完整,岩芯以短柱—长柱状居多,岩芯长度为5～35cm,岩芯采取率40%～75%,母岩为石灰岩,属较软岩,岩体基本质量等级为Ⅳ级,未钻穿，最大揭露厚度5.6m。

3.2 土洞、溶洞

为了探测路基附近有无土洞、溶洞。在塌陷区和路基之间设计了1条二维浅层地震测线（图1）。二维浅层地震采用国产GS101高精度分布式地震仪，测线长99m，道距3m、总计炮数33炮。用GreenMountain折射静较正系统、GEOEAST地震资料处理系统对野外采集的数据进行处理，处理后地震剖面见图3，由图3可知：正相位同相轴没有发生错乱，说明在测线经过范围内，没有土洞、溶洞。

图3 地震测线水平叠加时间剖面图

3.3 水文地质条件

塌陷区地表水系为西侧一条与路面平行的水沟（图1），流量200～1000t/d，水流平缓，流向由南向北，水沟内未铺设防水底板。

塌陷区浅部地下水类型属潜水，受周围河水及大气降水补给，勘察时初见水位埋深5.85～6.10m，稳定水位埋深5.42～5.65m。勘察揭露①、②层土为主要含水层，③层含水量也很丰富，基岩内为基岩裂隙水。

4 地裂缝原因分析

由勘察成果、二维浅层地震探测可知：塌陷区范围内没有土洞、溶洞，排除了地下水径流，带走了土颗粒，导致第四系中土洞、疏松体发育，加剧了地面沉降而形成地裂缝。

由于塌陷区为降水丰富的南方，地层中含水量丰富；加上塌陷区西侧为水沟，水沟内未铺设防水底板，水沟中水流下渗严重，增加了塌陷区地层——③粉质粘土的含水性，使③粉质粘土成为饱和土。

作用于土内某截面上的正应力σ由2部分组成（图4）[7]：作用于孔隙水及沿着各个方向均匀作用于土颗粒上的孔隙水压力u；作用于土骨架上的力，为有效应力σ′，σ′=σ-u。孔隙水压力由2部分组成，由孔隙水自重引起的孔隙水压力称为静水压力，饱和土体中超出静水压力的那部分孔隙水压力称为超静孔隙水压力。有效应力2部分组成：由土颗粒自重引起的有效应力即土自重应力，而由正应力σ引起的有效应力为附加有效应力。

图4 土内正应力组成图

土颗粒移动导致的变形只取决于有效应力的变化。静水压力、土自重应力几乎是不变的，而附加有效应力变化很小，所以有效应力的变化只取决于超静孔隙水压力的变化。饱和土受到瞬间荷载产生的正应力时，本应发生应变，但由于一时排水受阻，饱和土中产生超静孔隙水压力，超静孔隙水压力超过静水压力，使作用于土骨架上的有效应力变小，从而限制了土颗粒的变形。随着时间的推移，孔隙水慢慢被排出。随着孔隙水慢慢被排出，超静孔隙水压力逐渐减少直至消散。

当车辆行驶过程中，车辆振动在饱和土——③粉质粘土层中瞬间产生超静孔隙水压力[8]。在超静孔隙水压力消散过程中，有效应力增大，正应力慢慢转移到土的骨架上，土体积发生变化，引起绿化带不均匀沉降产生微裂缝。在长期的车辆振动荷载作用下，微裂缝不断扩大，加上西侧水沟为地层提供了位移空间，导致了江苏省S243省道镇江—句容段K36+400～K36+500标段处西侧路基外产生地裂缝，且有不断恶化趋势，威胁到路基的安全。