毗邻路基绿化带中地裂缝原因、治理及预防研究

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。

5 治理措施

（1）采用防渗性好的管沟、管涵等进行排水，一可消除毗邻路基绿化带中土层的位移空间，二可防止水流下渗，降低地层的含水性。（2）在路基与绿化带间设置止水帷幕，隔断地下水通过路基进行径流。（3）对已形成的塌陷区，浅部进行压实处理，深部采用水泥—水玻璃双液注浆处理。（4）加强变形监测[9]。

6 结语

（1）毗邻路基绿化带中，由于排水不畅通，会大大增加绿化带中的含水量，使绿化带中土层成为饱和土。

（2）车辆行驶过程中，车辆振动在饱和土中产生超静孔隙水压力。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，引起地面不均匀沉降产生微裂缝[10]。在长期的车辆振动荷载作用下，微裂缝不断扩大，在路基外产生地裂缝。

（3）为了确保路基的稳定性，保证绿化带的排水畅通是预防毗邻路基绿化带中产生地裂缝的有效措施。