小区住宅楼环境地质问题及整治对策研究

殷 岳

（铜陵学院，安徽 铜陵 244061）

一、建筑物损坏现状

T 市某小区多个住宅楼产生裂缝，基础出现下沉。如小区的52 栋为一幢六层砖混结构住宅楼，基础为浆砌毛石结构条形基础，基础持力层为硬塑状粉质粘土，基础宽度1.2 米，基底埋深1.5 米。该幢建筑物于2012 年开始产生裂缝，近几年来裂缝有逐年加大的趋势，裂缝分布于楼房多处，西侧单元偏多，多呈45°～60°（图1，2，3），据统计宏观裂缝（缝宽≥0.05mm）超过50 条，其中有两条，缝宽达10mm，长达1.2～1.5 米。

根据沉降变形监测，小区52 栋西侧明显有下沉和向北倾斜现象，多个监测点观测发现房屋向北倾斜率为6.6‰～7.5‰。

图1 52 栋北面裂缝分布

图2 52 栋北面西侧楼梯口裂缝

图3 52 栋西侧楼梯口地面裂缝

二、小区工程地质及水文条件

（一）岩土体及破碎带工程地质特征

1.土体工程地质特征

场地地基土自上而下依次可分为：（1）层杂填土；（2）层硬塑～坚硬状粉质粘土；（3）层粉质粘土混碎石；（4）层全风化闪长岩；（5）层全风化角砾岩。现分别描述如下：

（1）层杂填土：普遍分布，该层层厚0.8～1.8 米，层底标高19.19～23.10 米，多为建筑垃圾回填，稍湿，松散～稍密状，属高压缩性土。地基承载力特征值fak=90Kpa；（2）-1 层硬塑状粉质粘土：该层层厚1.8～2.8米，层底标高16.75～17.39 米，黄褐色，硬塑状，夹少量铁锰氧化物，其标准贯入试验击数N 为8～13 击/30cm，干强度高，属中等压缩性土。地基承载力特征值fak=180Kpa；（2）-2 层坚硬状粉质粘土：该层层厚2.4～4.8 米，层底标高17.75～18.91 米，黄褐色，硬塑状，湿，其标准贯入试验击数N 为25～31 击/30cm，属中等压缩性土。地基承载力特征值fak=300Kpa；（3）层粉质粘土混碎石：普遍揭露，该层层厚2.2～7.4 米，层底标高9.82～16.10 米，黄褐色，中密状，湿，含20～50%碎石，碎石粒径0.2～5cm，棱角状，以灰岩、硅质岩和石英砂岩为主，为本区土洞主要赋存层位，其标准贯入试验击数N 为25～31 击/30cm，属低压缩性土。地基承载力特征值fak=200Kpa；（4）层全风化闪长岩：该层层厚12.7 米，层底标高0.31 米，灰白色～灰黄色，岩石风化呈粉质粘土夹砂土状，属中等压缩性土。地基承载力特征值fak=180Kpa；（5）层全风化角砾岩:：该层未揭穿，灰褐色，岩石风化呈砂土夹碎块状，泥质胶结，局部铁质胶结。地基承载力特征值fak=400Kpa。

2.岩体工程地质特征

（1）较坚硬薄～中厚层状碳酸盐岩组

分布于查区大部分地段，由三叠系下统灰岩、条带状大理岩组成，岩溶中等发育。根据场地岩土工程勘察资料，浅部灰岩饱和抗压强度为31.6－56.0MPa，岩体较坚硬，RQD 值为76.8，岩石基本质量等级Ⅲ级，工程地质性质较好。

（2）坚硬块状岩浆岩岩组

分布于查区东侧局部，岩性为石英闪长岩，根据区域地质资料，饱和抗压强度为69.4－256.9MPa，岩体坚硬，RQD 值为76.8，岩石基本质量等级Ⅱ级，工程地质性质好。

3.破碎带工程地质特征

查区内主要发育有龙塘湖破碎带，走向北北西，南东段转为北西向，向北东倾斜，倾角大于70°，长达1.5km 以上，宽15～20m，延深达350m 左右。角砾岩成份主要为大理岩、角岩；角砾大小不等，呈棱角状，被钙质、泥质和少量铁质胶结。据附近的铜矿山勘探孔揭露，该破碎带结构疏松，岩芯破碎，饱和抗压强度为5.5－43.2MPa，属软岩～较硬岩，RQD 值小于30%，岩石基本质量等级Ⅳ～Ⅴ级，工程地质性质一般（图4-5）。

图4 基岩地质及裂缝房屋位置图

图5 75 线地质剖面图

（二）水文地质条件

小区地下水可分为基岩地下水和第四系孔隙潜水，基岩地下水接受大气降水补给，受周边矿山排水影响，破碎带基岩地下水位埋深基本位于40～50 米左右。第四系孔隙潜水赋存与上覆土层，受降雨影响明显，勘查期间水位埋深3.0～5.1 米，水位标高13.70～17.45 米。

大气降水为区内地下水主要补给来源，沿江平原内第四系孔隙水与地表水互相补给联系。降水入渗后，沿断裂、层面、溶隙等通道汇入形成区域地下径流，径流方向与地表径流一致。本区地下水排泄方式为矿山长期排水和供水井开采为主。

三、房屋裂缝成因分析

（一）土洞塌陷

1.磁波CT 法对本区土洞塌陷的探测

岩溶、土洞发育的岩石与正常密实的灰岩比，在电阻率及吸收系数上有明显的不同，溶洞或破碎带充水且具有一定规模时，对电磁场将会产生明显的吸收作用，观测的电磁场强幅度明显减小，吸收系数增大，形成高吸收异常。反之，位于地下水以上的溶洞或破碎带吸收系数较小。下式为电磁波CT 法中的场强观测值公式：

式中：E 为接收点的场强值；

E0＇为初始辐射常数；

β 为吸收系数，即介质中单位距离对电磁波的吸收值；

f(θ)为收发天线的方向因子函数；

r 为发射与接收点之间的距离。

分析公式可知，不同地质体对电磁波的吸收有不同的表现，如溶洞、土洞的吸收系数比其围岩的吸收系数要大，因此在溶洞、土洞的背后的场强也就小得多，从而呈现负异常。

某地质队在本小区施工了数十个钻孔，形成了18 个剖面，根据对本小区岩土体的电磁波层析成像研究，结合钻孔揭露情况，推断房屋场地内的土洞发育分布和溶洞赋存状态[1]。图6 为经过小区52 栋西北侧的ZK5－ZK6 剖面，从图上可以看出，深2.1～6.4m电磁波高吸收系数突变异常区（红色区域），推断为土洞内部塌陷形成松散塌落物（粘土）引起，该处对应的103 室厨房北侧墙体和西单元楼梯口分布两条最大缝宽10mm、长1.2～1.5 米裂缝，向北倾斜率达7.6‰，为引起62#房屋不均匀沉降的主要不良地质体。

2.溶洞和破碎带孔隙率分布特征

依据电磁波层析成像视吸收系数特征结合钻孔资料分析，小区52 栋等房屋的土（溶）洞和破碎带孔隙率（空洞）分布特征为，土洞发育深度一般在地表以下3～19 米之间，以3～4 米量多，规模在0.5～3 米多见，为充填土洞，房屋西侧单元发育，土洞分布见表1。

图6 ZK5－ZK6 剖面图

表1 小区52 栋地下土洞分布情况表

3.地面塌陷成因分析

（1）矿山排水对地质环境的影响

查区周边主要排水矿山有狮子山铜矿等7 座，矿坑总排水量丰水期可达2～3×104m3／d。矿体主要赋存于石碳、二迭的石灰岩与岩浆岩接触带，受地质构造控制，水文地质条件较复杂。矿山长期排水已破坏本区地下水天然动态，狮子山老城区一带地下水位在1990 年以前均±0m 以上，现已降至-20 m 到-50m，并引发了如木鱼山、周冲等处岩溶塌陷。

在矿山强制排水作用下，上层滞水水位下降，土洞顶板位于地下水位之上，失去了浮力，相当于增加了竖向荷载，增加值与水位下降值及土体重度有关：

式中：FP——竖向荷载增加值；

γ——土体的重度；

hw——水头差；

γsat——土体的饱和重度。

粘性土及其他不透水岩石浮托减少值微弱，砂土透水性强，水位下降后土体重度可以视为干重度，此时：FP＝（1－n）hw

可见，竖向荷载增加值或浮托力的减少值在一定范围内变化。当变化值大时土洞因顶板松软而塌陷。

（2）渗透潜蚀作用

矿山抽水，使其坡降和流速增大，对地下水流经处的土洞中细粒砂土产生侧向潜蚀现象，冲走细粒物质，在覆盖层底部形成土洞雏形；同时，地下水竖向渗透在覆盖层中产生竖向的潜蚀作用。侧向和竖向潜蚀双重作用下，土洞不断向地面伸展，当土洞顶板厚度不足、强度不够时会导致塌陷，龙塘湖破碎带在附近矿山的持续排水作用下，具较强的渗透潜蚀作用，是土洞产生的最主要原因。

（3）负压吸蚀作用

抽水至覆盖层底板以下时，土洞中空，对其上的土体及地下水产生了附加吸力，促进了前述潜蚀作用发育，加速了覆盖层底板以下土洞的形成。负压的大小与多种因素有关，在封闭完好时，理论值接近一个大气压[2]。

（二）爆破地震效应

地下矿山开采爆破时，炸药的一部分能量会转换为地震波，引起地表的震动，会引起地表和建筑物、构筑物不同程度的破坏。

小区房屋位于矿山附近，该矿山矿体多数赋存在较坚硬矽卡岩、大理岩、角岩等岩石中，采用的采矿方法是分段崩落法，部分小矿山采用浅孔留矿法。依据有关研究院对附近矿山的掘进爆破震动测试分析报告可知，震动主频10～36Hz，与房屋自震频率4-12Hz 相近，可能产生共振作用。但安全质点震动速度v≤0.5cm/s，烈度4 度（调查住户有感对应的烈度）的安全距离与炸药量的关系见表2。

根据T 市安监局提供的资料显示，附近的矿山距破坏房屋182～210m，矿山爆破最大炸药量为18kg，其质点峰值震动速度应未超过了《爆破安全规程》中标准值，没有超过表2 中的安全距离，不会直接导致一般砖房、非抗震性大型砌块建筑物毁坏。地震裂缝主要表现为垂直爆破方向产生水平裂缝和45°斜交裂缝，房屋裂缝仅见一条水平裂缝，说明爆破地震效应不是小区52 栋、61 栋等房屋裂缝产生的主要作用[3]。

表2 安全距离与炸药量的关系

根据现场调查及对资料分析，我们认为受灾的多幢建筑物裂缝主要为土洞塌陷、地基土不均匀变形而产生沉降变形缝。爆破地震效应不是房屋产生裂缝的主要原因[4-5]。

四、小区整治对策

（一）建议对该小区房屋开展长期的变形监测工作，做好防灾预案，在地质灾害发育明显地段设立警示标志，派专人监测，加强对裂缝发展情况的巡查，发现异常及时通知住户、行人紧急避险[6]。

（二）土洞发育带上再次进行工程建设时应先重点探明建筑物分布范围内土洞分布情况，并加以注浆加固治理或采用桩基穿越法、跨越法[7]。

（三）龙塘湖破碎带上不宜直接进行工程建设。

（四）矿业开发是本小区地质灾害产生的根本原因，所以加强本地区的矿山开发的治理特别是矿山排水等矿山环保治理十分必要。

五、小结

（一）本场地为对工程不利地段，地基为不稳定的地基。查区基础底部存在土洞，且土洞分布于地基压缩层内，充填淤泥质或软塑状粉质粘土，局部为半充填状，局部已塌陷，危害程度较严重，地质灾害危险性大。随着矿山排水、爆破震动等外在因素持续作用，土洞潜蚀作用增强，极易产生新的地面塌陷变形，同时，砖混结构房屋调节变形能力弱，房屋倾斜、裂缝会进一步发展，对房屋和住户造成极大的威胁和危害。

（二）对本次房屋裂缝的主要原因是土洞和溶洞塌陷引起的地面变形。依据矿山提供的资料，本处矿山爆破地震效应不会直接导致一般砖房、非抗震性大型砌块建筑物毁坏。