既有高填方场地地裂缝的综合勘察方法研究

（中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

地裂缝是地质灾害之一。工程上主要研究的是因各种原因在地表面产生一定规律的裂缝，其具有一定长度、宽度和深度，具有一定力学性质和规律的几何形体特征，活动性的还具有一定的位移变形，对工程建筑有破坏作用，统称为地裂缝。

根据相关资料显示[1]，全国有12个省、市、区的200多个县市有4处及以上较大的地裂缝。最严重、最典型的是西安市，在市、郊区150km2范围内，形成近平行、等距出现的北东东地裂缝10条，建筑物遭受不同程度的破坏。

地裂缝按成因和对工程建筑的危害程度可分为四类：1）地震构造裂缝，是强烈地震时深部震源断裂在地表的破坏形迹；2）构造地裂缝，是活动断裂在地表或隐伏在地表下一定深度的活动形迹；3）环境地裂缝，成因是综合性的或复活型的，具有构造地裂缝所有特征；4）重力地裂缝，是由于重力作用在地表产生的破坏形迹。

国内学者对地裂缝的形成机制[2-5]和勘察方法[6-9]也做了较多研究。规模较大的地震裂缝和构造裂缝规模形迹已较为明显，在工程建设时能很好地避让。而规模较小的重力地裂缝，由于近年的大规模推山造地，很多小规模地裂缝被遮盖，在建设工程选址时往往被忽略，直至场地开挖后才被显现出来，裂缝的成因和具体规模难以判断，造成最终的处理措施难以选择。针对以上问题，结合鄂尔多斯境内某新建小学工程出现的地裂缝进行较为深入的勘察、分析和研究。

1 现场概况

1.1 项目区地形地貌概况

某新建小学项目位于鄂尔多斯高原准格尔台地，黄土高原北缘，属构造剥蚀丘陵地貌。场地东西两侧大部为丘陵斜坡地形，地形切割强烈，支离破碎，俗称“鸡爪沟”；中部为丘陵间侵蚀冲沟地形，主沟走向呈近南北向，基本横贯场地中部。该建设场地范围内存在三条次级支沟，与主沟平面组合呈树枝状。主沟断面呈“U”型，次级支沟断面多呈“V”型。主沟底河床地势较低，河床平均宽约10m，河床比降1.7%～2.6%，沟底与坡顶相对高差29.9～36.4m；沟坡一般陡倾，局部近乎陡立，部分沟底及沟岸基岩裸露。裸露基岩为粉砂质泥岩与细砂岩互层：棕红色、浅灰色、灰绿色，厚层状长石石英砂岩为主，夹粘土岩、泥岩及煤层等，稍湿，主要矿物成分为长石、石英及高岭土，易水浸软化及风化崩解，属极软岩，其上覆盖有0.5～5.7m厚黄土。

自2011年开始，相关单位陆续对原沟谷进行素土回填，根据原场地勘察报告，场地最大填方厚度36m（主沟沟心位置）。场地原有的沟谷形态已遭破坏，但场地北侧仍保留原地形地貌（图1）。

图1 场地北侧原始地貌

1.2 地裂缝的分布及特征

场地南教学楼基槽开挖至基底时，发现基底处分布有宽窄不一的裂缝，多在0～10cm，最宽处18cm，裂缝结构面倾向290°，倾角57°～76°，与场地回填前主沟沟道走向平行，距原主沟沟心约30～40m，裂缝间基本呈平行组合（见图2），局部呈几字形块状构造。裂缝间一般无填充物，无滑动痕迹（由于砂质含量高，且胶结差，存在未发现的可能性）。裂缝至基底以上2～3m，向上延伸至泥岩软弱层为止，以上不发育，与地面无贯通，呈封闭状。裂缝内无地下水发育。

图2 场地裂缝展布

1.3 场地裂缝的形成原因分析

根据裂缝特征、地形地貌、地层岩性综合分析，初步判断裂缝成因。

1）由于裂缝产生位置距原主沟沟心平距约30～40m，且现基槽平面与原主沟沟心高差约15m，卸荷裂隙的可能性排除。

2）由于构造活动产生的裂缝多有一定的充填，且裂缝平直、穿层深、延伸长，同一层面上的区域裂缝一般同时发育两组，与本场地裂缝特征不符，故排除构造活动产生裂缝的可能性。

3）根据查阅的场地附近采矿资料，场区附近无大型采矿活动，故采空区产生裂缝带的可能性初步排除。

4）场地所处地层为砂泥岩互层，具有缓倾的泥岩软弱带，且原主沟提供了产生滑坡的临空面，结合地表岩层产状调绘、冲沟分布特征、原场地钻孔中地层突变情况、软弱层位置和原始地形图及卫星历史影像图等，初步判定场地裂缝为老滑坡形成时牵引张拉产生。

为进一步确定场地裂缝的成因，针对采空区和滑坡制定了可控源音频大地电磁测深（CSAMT）和滑坡钻探孔为主的勘察方案。

2 采空区勘察方案及结论分析

项目区煤炭资源丰富，为查明项目区地裂缝是否为采空区引起，采用CSAMT进行采空区勘察工作。

2.1 布测方案

测区共布设8条CSAMT剖面，从上至下依次为a-h剖面（图3），采用同一个发射偶极AB=900m，方位90°，各剖面收发距均大于4500m。剔除近区及过渡区数据，利用远区数据做2D反演。

图3 大地电磁法剖面布置示意图（红色为断面线）

2.2 成果翻译及分析

图4为测量综合示意图，整体来看，各电阻率断面均呈现4个电性层。第一电性层为地表至海拔1160m以上，电阻率基本在20-40Ω·M之间，厚度约20-30m，推断其为近地表覆盖层引起，该层上部为回填土层，下部为第四系地层。第二电性层大体在海拔1130-1160m范围内，电阻率多小于20Ω·M，局部夹杂次高阻，厚度约30m，推断该电性层为二叠系下统山西组地层引起，主要岩性为砂质泥岩、泥岩，局部间夹中、粗砂岩、砾石。第三电性层为一相对高阻电性层，大体在海拔1030-1130m之间，厚度约100m，电阻率变化范围40-160Ω·M，推断为石炭系下统山西组地层，主要岩性由砂岩、砂质泥岩、粘土岩、煤、灰岩及铝土质泥岩组成，该层底部泥岩隔水性较好。；第四电性层为深部高阻电性层，推断为奥陶系、寒武系以及更老的地层引起。

对出现异常点断面说明如下：从h线反演电阻率断面图可以看出，在海拔1000m以下出现一陡倾的低阻带，其两侧均为高电阻率，故推测此处有一隐伏断裂，但该断裂在其他剖面上均未显示，推测该断裂方向与剖面方向（东西向）小角度相交。

根据收集到的岩石电性资料可知，不同岩层具有不同的电性特征。黄土、泥岩的电阻率值较低；砂岩的电阻率值与其粒度呈正相关，粒度越大，电阻率值越高；采空区电阻率值远高于煤层和其他岩层，若采空区塌陷，形成冒落带，其内部充填松散物，电阻率值依然明显高于周围介质，采空区积水以后，其电阻率大幅度降低，则明显低于周围介质。从各反演电阻率断面可以看出电阻率等值线规则，本次CSAMT勘察结果表明，地表至750m范围内无明显采空区电性特征，故该场地地裂缝排除由采空区引起的可能性。

图4 CSAMT测量综合示意图（从右至左依次为a～h）

3 滑坡勘察方案及结论分析

通过地形地貌宏观分析（原始地形图及卫星历史影像图），结合地表岩层产状调绘、冲沟分布特征等综合确定该场地地裂缝可能由早期老滑坡形成时牵引张拉产生。

3.1 滑坡宏观形态

根据原始地形图及卫星历史影像图初步分析，老滑坡具有明显的滑坡地形地貌特征，整体呈三级台阶状及缓坡台地，滑坡后缘圈椅状明显，两侧界总体受坡面地势低洼的冲沟控制，滑坡前缘坡体挤压主沟（见图5）。老滑坡平面形态基本呈“M”型，主滑动方向290°。后缘陡壁约35°～60°。滑坡后缘坡体及后缘缓坡平台汇水面积较大，地表水冲蚀下切及入渗强烈。老滑坡横宽90～130m，纵向长66～95m。

图5 老滑坡形态卫星影像图（场地回填前）

3.2 钻探孔布设及地裂缝类型判断

为进一步查明地裂缝是否为老滑坡滑动牵引形成，对老滑坡体布设3条断面共10个钻探孔。通过钻探发现，岩芯中岩石层面倾角变化规律性明显，滑动面位置较清楚，可见多处擦痕及光滑镜面结构面，擦痕及光滑镜面结构面倾角较大，约30°～50°，各钻孔擦痕深度在16.3～23.1m之间。

钻探资料显示，老滑坡滑带擦痕明显，且坡体已发现部分牵引张拉裂缝，加之原始地貌及地层岩性具有产生滑坡的条件，结合地表岩层产状调绘、冲沟分布特征、钻孔中地层突变情况、软弱层位置和原始地形图及卫星历史影像图等得出该场地裂缝是由老滑坡引起的判断依据充分。

3.3 老滑坡结构特征

根据现场调查及钻孔揭示地层情况，老滑坡滑体物质组成以黄土、强风化泥质砂岩、细砂岩、泥岩砾岩夹层为主，滑床以中风化泥质砂岩、细砂岩为主，局部为强风化泥质砂岩、细砂岩。由于滑坡发生过滑动，滑体地层存在错动现象。原始地貌下老滑坡滑体平均厚16m，自上而下分别为黄土、强风化泥质砂岩、细砂岩、泥岩砾岩夹层。场地回填后，滑体上部及前缘增加填土层，层厚0～25.9m。

老滑坡滑面位置依据钻孔岩芯、工程地质调绘结合工程地质断面分析综合确定。老滑坡滑带（面）后缘位于三级缓坡平台与山坡陡缓交界处，滑带处岩芯极破碎，大量细粒土充填，且滑带位于水位线以下，含水量高。

3.4 老滑坡稳定性分析

3.4.1 裂缝监测

自地表发现多条裂缝开始，对地表裂缝宽度进行监测，共布设6个监测点，采用游标卡尺，统计裂缝宽0～18cm，无垂直错动及水平变形，裂缝宽度无明显变化（个别数据观测值变小是由于施工机械经过使观测点产生波动），从地表裂缝监测整体情况综合判断老滑坡处于稳定状态（见图6）。

图6 老滑坡地表裂缝监测曲线

3.4.2 滑坡稳定性评价

根据《滑坡防治工程勘察规范》（DZ/T0218-2006），采用基于极限平衡理论的折线型滑动面推力传递系数法对滑坡进行稳定性计算分析。本次对每块滑体或潜在滑体取代表性断面进行稳定性计算分析。

按拟建筑场地地面线，对场地建设完成后老滑坡坡体形态进行简化计算。从考虑滑体上部回填土的加载作用、但不考虑老滑坡前缘已回填土体作用时的计算结果（表1）看出，自然、暴雨及地震工况下，老滑坡处于不稳定～基本稳定状态。

因滑带土主要由含粉质黏土的碎石土组成，其强度指标φ值受土体滑动及含水状况影响较小，C值受滑动及含水状况不同影响较大，滑带土参数根据坡体实际滑动情况及含水状况不同进行综合取值。暴雨工况下，按重度增大1.0kN/m3、粘聚力降低1.0kPa和内摩擦角减小1°进行计算。

表1 老滑坡稳定性分析计算表

但考虑到老滑坡前缘沟道已回填，经计算，回填土提供的主动土压力大于等于老滑坡自然工况下达到安全系数1.35时的所需设计推力（表2）。

表2 回填后滑坡稳定性分析计算表

其中，主动土压力按朗肯主动土压力计算，填土重度按13.5kN/m3，考虑填土中含大量岩石碎块，按无粘性土考虑，φ=20°。

综上所述，根据GB50330-2013要求，考虑回填土体反压作用后，其坡体稳定系数满足规范对永久一级边坡的稳定性要求（一般工况下Fst为1.35，地震工况下Fst为1.15），故不需对老滑坡坡体进行专项加固治理。

4 结论

1）该场地裂缝通过地质调查、场地原始地形图、卫星历史影像图、大地电磁测深法和场地钻孔最终确定为重力式地裂缝，由场地回填前冲沟左岸的老滑坡前期滑动形成。

2）对地裂缝进行监测、计算和分析得出，该老滑坡现处于稳定状态，对工程建设不造成影响，不需进行专项加固。

3）地裂缝为影响场地建设的地质灾害之一，在进行场地前期勘察时应务必重视。在进行高填方回填场地地裂缝勘察时，可以先根据区域地质调查、场地原始地形图和历史卫星影像图等手段进行初步的判断，再对地裂缝采用针对性的电磁法和钻孔等方式的勘察，从而减少勘察资源浪费。