毗鄰路基綠化帶中地裂縫原因、治理及預防研究

張 躍

（1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京210007；2.鎮(zhèn)江八一四勘察測繪有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212005）

1 概述

地裂縫是地表土體在自然或人為因素作用下，產(chǎn)生開裂，并在地面形成一定長度和寬度裂縫的一種地質(zhì)現(xiàn)象，當這種現(xiàn)象發(fā)生在有人類活動的地區(qū)時，成為一種地質(zhì)災害，地裂縫的成因有[1-6]：基底斷裂位移，使上覆土層開裂形成地裂縫；斜坡滑動造成地表土體開裂；土洞、溶洞或采空區(qū)塌陷造成地面土體開裂；氣候干濕變化，使膨脹土或淤泥質(zhì)軟土產(chǎn)生脹縮變形發(fā)展而成；黃土受地表水或地下水的浸濕，產(chǎn)生沉陷而成；松散土體中的微裂縫，受地表水或地下水的沖刷、潛蝕，松散土體中部分顆粒隨水流失，加劇了微裂縫兩側(cè)不均勻地面沉降而形成地裂縫；過量開采地下水引起不均勻地面沉降而形成地裂縫。

作者以江蘇省S243省道鎮(zhèn)江—句容K36+400～K36+500段毗鄰路基綠化帶中地裂縫為研究對象，認為該綠化段中地裂縫成因為：綠化帶成為飽和土后，路面上長期車輛振動在綠化帶中產(chǎn)生了超靜孔隙水壓力[7]，超靜孔隙水壓力消散導致地裂縫的產(chǎn)生。并據(jù)之提出了下一步治理、預防措施，供設計、道路維護同行在工程實踐中借鑒。

2 綠化帶中地裂縫

S243省道鎮(zhèn)江—句容段2005年擴建后，一直運營良好，但至2015年，發(fā)現(xiàn)K36+400～K36+500標段處西側(cè)路基外產(chǎn)生地裂縫、形成塌陷區(qū)（圖1、圖2）：（1）塌陷區(qū)內(nèi)地裂縫寬度5～40cm，深度5～100cm；（2）靠水溝處有坍塌陷落情況，且有不斷加大趨勢；（3）最近地裂縫距離路基3～4m，已經(jīng)威脅到路基的安全。

圖1 塌陷區(qū)及周邊環(huán)境圖

3 工程地質(zhì)條件

3.1 地層

為了查明塌陷區(qū)及路基地層情況，實施了6個工程地質(zhì)勘察孔，總進尺98.8m，孔口標高采用黃海高程，高程由鄰近一高程點引測（引測點高程為43.280m），高程測量采用錸卡NA2型水準儀，精度0.7mm。根據(jù)勘察成果，塌陷區(qū)及周邊地層分4層，其中①、④層又細分為2個亞層，地層特征如下：

圖2 現(xiàn)場地裂縫

①-1素填土:灰黃、灰褐、雜色,很濕,結(jié)構(gòu)較松散,主要成分為粉質(zhì)粘土夾少量植物根系、碎石子等雜質(zhì),堆積時間約10年，厚1.0～2.0m。

①-2填筑土:灰黃、灰褐、雜色,很濕,結(jié)構(gòu)松散,主要成分為粉質(zhì)粘土夾大量碎石、灰渣、粗砂等雜質(zhì),碎石大小不一,粒徑1～6cm不等,棱角分明,含量20%～75%不等,堆積時間約10年，厚3.3～4.6m。

②粉質(zhì)粘土夾碎石:灰黃—棕黃色,飽和,可塑狀態(tài),碎石棱角分明,碎石粒徑約為1～5cm,碎石含量約為3%～20%,膠結(jié)差,粉質(zhì)粘土干強度中等,韌性中等,有光澤,無搖震反應,壓縮性中等,厚1.7～3.2m。

③粉質(zhì)粘土:灰黃色,飽和,可塑狀態(tài),干強度中等,韌性中等,有光澤,無搖震反應,壓縮性中等,厚1.2～7.4m。

④-1強風化石灰?guī)r:灰白、灰青色,密實,母巖結(jié)構(gòu)清晰,節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖體破碎,巖芯以碎石狀、餅狀居多,巖芯長度為3～7cm,巖芯采取率25%～39%,母巖為石灰?guī)r,屬較巖,巖體基本質(zhì)量等級為V級，厚0.1～1.4m。

④-2中風化石灰?guī)r:灰白、灰青色,密實,母巖結(jié)構(gòu)清晰,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較完整,巖芯以短柱—長柱狀居多,巖芯長度為5～35cm,巖芯采取率40%～75%,母巖為石灰?guī)r,屬較軟巖,巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級,未鉆穿，最大揭露厚度5.6m。

3.2 土洞、溶洞

為了探測路基附近有無土洞、溶洞。在塌陷區(qū)和路基之間設計了1條二維淺層地震測線（圖1）。二維淺層地震采用國產(chǎn)GS101高精度分布式地震儀，測線長99m，道距3m、總計炮數(shù)33炮。用GreenMountain折射靜較正系統(tǒng)、GEOEAST地震資料處理系統(tǒng)對野外采集的數(shù)據(jù)進行處理，處理后地震剖面見圖3，由圖3可知：正相位同相軸沒有發(fā)生錯亂，說明在測線經(jīng)過范圍內(nèi)，沒有土洞、溶洞。

圖3 地震測線水平疊加時間剖面圖

3.3 水文地質(zhì)條件

塌陷區(qū)地表水系為西側(cè)一條與路面平行的水溝（圖1），流量200～1000t/d，水流平緩，流向由南向北，水溝內(nèi)未鋪設防水底板。

塌陷區(qū)淺部地下水類型屬潛水，受周圍河水及大氣降水補給，勘察時初見水位埋深5.85～6.10m，穩(wěn)定水位埋深5.42～5.65m?？辈旖衣盯?、②層土為主要含水層，③層含水量也很豐富，基巖內(nèi)為基巖裂隙水。

4 地裂縫原因分析

由勘察成果、二維淺層地震探測可知：塌陷區(qū)范圍內(nèi)沒有土洞、溶洞，排除了地下水徑流，帶走了土顆粒，導致第四系中土洞、疏松體發(fā)育，加劇了地面沉降而形成地裂縫。

由于塌陷區(qū)為降水豐富的南方，地層中含水量豐富；加上塌陷區(qū)西側(cè)為水溝，水溝內(nèi)未鋪設防水底板，水溝中水流下滲嚴重，增加了塌陷區(qū)地層——③粉質(zhì)粘土的含水性，使③粉質(zhì)粘土成為飽和土。

作用于土內(nèi)某截面上的正應力σ由2部分組成（圖4）[7]：作用于孔隙水及沿著各個方向均勻作用于土顆粒上的孔隙水壓力u；作用于土骨架上的力，為有效應力σ′，σ′=σ-u?？紫端畨毫τ?部分組成，由孔隙水自重引起的孔隙水壓力稱為靜水壓力，飽和土體中超出靜水壓力的那部分孔隙水壓力稱為超靜孔隙水壓力。有效應力2部分組成：由土顆粒自重引起的有效應力即土自重應力，而由正應力σ引起的有效應力為附加有效應力。

圖4 土內(nèi)正應力組成圖

土顆粒移動導致的變形只取決于有效應力的變化。靜水壓力、土自重應力幾乎是不變的，而附加有效應力變化很小，所以有效應力的變化只取決于超靜孔隙水壓力的變化。飽和土受到瞬間荷載產(chǎn)生的正應力時，本應發(fā)生應變，但由于一時排水受阻，飽和土中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，超靜孔隙水壓力超過靜水壓力，使作用于土骨架上的有效應力變小，從而限制了土顆粒的變形。隨著時間的推移，孔隙水慢慢被排出。隨著孔隙水慢慢被排出，超靜孔隙水壓力逐漸減少直至消散。

當車輛行駛過程中，車輛振動在飽和土——③粉質(zhì)粘土層中瞬間產(chǎn)生超靜孔隙水壓力[8]。在超靜孔隙水壓力消散過程中，有效應力增大，正應力慢慢轉(zhuǎn)移到土的骨架上，土體積發(fā)生變化，引起綠化帶不均勻沉降產(chǎn)生微裂縫。在長期的車輛振動荷載作用下，微裂縫不斷擴大，加上西側(cè)水溝為地層提供了位移空間，導致了江蘇省S243省道鎮(zhèn)江—句容段K36+400～K36+500標段處西側(cè)路基外產(chǎn)生地裂縫，且有不斷惡化趨勢，威脅到路基的安全。

5 治理措施

（1）采用防滲性好的管溝、管涵等進行排水，一可消除毗鄰路基綠化帶中土層的位移空間，二可防止水流下滲，降低地層的含水性。（2）在路基與綠化帶間設置止水帷幕，隔斷地下水通過路基進行徑流。（3）對已形成的塌陷區(qū)，淺部進行壓實處理，深部采用水泥—水玻璃雙液注漿處理。（4）加強變形監(jiān)測[9]。

6 結(jié)語

（1）毗鄰路基綠化帶中，由于排水不暢通，會大大增加綠化帶中的含水量，使綠化帶中土層成為飽和土。

（2）車輛行駛過程中，車輛振動在飽和土中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。在超靜孔隙水壓力消散過程中，有效應力增大，正應力慢慢轉(zhuǎn)移到土的骨架上，土體積發(fā)生變化，引起地面不均勻沉降產(chǎn)生微裂縫[10]。在長期的車輛振動荷載作用下，微裂縫不斷擴大，在路基外產(chǎn)生地裂縫。

（3）為了確保路基的穩(wěn)定性，保證綠化帶的排水暢通是預防毗鄰路基綠化帶中產(chǎn)生地裂縫的有效措施。