某堤防工程堤頂塌陷與裂縫原因分析

錢財(cái)富 宋新江 李 宏

（安徽省水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

1 引言

某堤防工程為二十世紀(jì)七八十年代人工填筑而成，堤高4.2m，堤頂寬2.2m，全長約350m。2009年7月汛期，連續(xù)降雨時(shí)間約60h，累計(jì)降雨量213.6mm，該段堤防堤頂出現(xiàn)塌陷及裂縫現(xiàn)象，塌陷最大深度為1.0m左右，裂縫開展方向平行于堤軸線，最大裂縫開展長度約70～100m，裂縫寬度約為5.0cm。該段堤防填筑至今已達(dá)30年，堤身填土固結(jié)沉降已基本完成。

為了分析堤頂塌陷及裂縫產(chǎn)生的原因，本文根據(jù)現(xiàn)場檢測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，利用現(xiàn)場檢測(cè)堤身填土的干密度范圍值，進(jìn)行濕陷和濕化試驗(yàn)，反演分析堤頂塌陷及裂縫的主要原因。

2 工程地質(zhì)

經(jīng)現(xiàn)場勘察，該堤防工程地質(zhì)主要可分為3層，具體如下：

（1）堤身填土層：層厚約4.20m，灰黃色，松散，以輕粉質(zhì)壤土或重粉質(zhì)砂壤土為主，土層中夾有植物根莖，干密度為1.26g/cm3～1.43g/cm3，飽和度為28%～38%，塑性指數(shù)為7.9～9.1，粘粒含量為8.5%～14.5%，平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為7.9擊，平均比貫入阻力為4.13MPa。

（2）輕粉質(zhì)壤土或重粉質(zhì)砂壤土層：層厚約5.80m，灰黃色，松散，干密度為1.35g/cm3～1.55g/cm3，飽和度為29%～73%，塑性指數(shù)為7.3～10.1，粘粒含量為8.0%～14.5%，平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為10.4擊，平均比貫入阻力為3.68MPa。

（3）粉質(zhì)粘土層：本層未揭穿，棕黃色，可塑，粉質(zhì)粘土，干密度為1.53g/cm3～1.65g/cm3，飽和度為100%，塑性指數(shù)為12.2～14.8，粘粒含量為20.0%～37.0%，平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為8.4擊，平均貫入阻力為2.80MPa。

3 堤身填筑質(zhì)量檢測(cè)

3.1主要試驗(yàn)指標(biāo)

為了解堤身填土的物理性質(zhì)，室內(nèi)對(duì)不同深度土樣進(jìn)行液塑限和顆粒分析等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

3.2擊實(shí)試驗(yàn)

室內(nèi)對(duì)堤身土料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，土料的最大干密度為1.78g/cm3，最優(yōu)含水率為16.5%。

3.3壓實(shí)度檢測(cè)

主要對(duì)該段堤防的堤身填筑質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)，堤身填筑壓實(shí)度在70%～85%之間，壓實(shí)度變異系數(shù)為0.044。檢測(cè)結(jié)果表明，堤身填筑質(zhì)量差，存在松散層，且不均勻。

4 濕陷試驗(yàn)

一般情況下，在浸水作用下不論黃土或填土均具有濕陷性，“GB50021-2001”規(guī)范中指出填土具有濕陷性。濕陷試驗(yàn)試樣的含水率按最優(yōu)含水率控制，根據(jù)現(xiàn)場檢測(cè)干密度范圍值，試樣按壓實(shí)度為70%、80%、85%、90%和92%進(jìn)行配制，配制后試樣相應(yīng)的干密度分別為1.25g/cm3、1.42g/cm3、1.50g/cm3、1.60g/cm3和 1.64g/cm3。土樣濕陷性試驗(yàn)采用雙線法，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

根據(jù)濕陷試驗(yàn)成果繪制濕陷變形系數(shù)與壓力關(guān)系曲線，如圖1。

由表2和圖1分析，隨著土的干密度的降低土的濕陷變形系數(shù)越大；隨著壓力的增加土的濕陷變形系數(shù)先增大后減??；在干密度小于1.25g/cm3時(shí)濕陷變形系數(shù)降低幅度較小；當(dāng)壓力大于300kPa時(shí)，濕陷變形系數(shù)趨于平緩。在垂直壓力（或自重壓力）為12.5kPa時(shí)，干密度小于1.50g/cm3土體，濕陷變形系數(shù)，在此條件下填土屬濕陷性土。

5 濕化試驗(yàn)分析

濕化試驗(yàn)試樣仍按照最優(yōu)含水率16.5%配制，根據(jù)現(xiàn)場檢測(cè)干密度范圍值，試樣配制干密度值分別為1.25g/cm3、1.35g/cm3、1.45g/cm3、1.55g/cm3、1.65g/cm3、1.75g/cm3進(jìn) 行 制備。根據(jù)試驗(yàn)成果繪制崩解量與時(shí)間關(guān)系曲線，如圖2。

由圖2分析，土樣干密度越大，崩解速度越慢，反之則快；相同崩解量所需時(shí)間隨干密度的增加而增大，相同崩解時(shí)間其崩解量隨干密度的增加而減小。

6 塌陷及裂縫原因分析

6.1基本條件

從堤身填筑工程質(zhì)量檢測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果分析，堤身塌陷及裂縫原因構(gòu)成的基本條件如下：堤身內(nèi)部存在松散土層，且填筑不均勻；土料試驗(yàn)表明液限小于26%，粘粒含量小于10%，為少粘性土，屬分散性土；濕陷試驗(yàn)表明，在垂直壓力12.5kPa下，干密度值小于等于1.50g/cm3（壓實(shí)度為84%），濕陷變形系數(shù)δs≥0.015，即屬濕陷性土，且填土干密度越小濕陷變形系數(shù)越大。堤身填土為少粘性土，崩解速度快，且崩解速度隨干密度增加而減小。

6.2誘發(fā)條件

根據(jù)該段堤防工程調(diào)查材料，2009年7月21日8時(shí)~7月22日8時(shí)，降雨量87.1mm；7月22日8時(shí)~7月23日8時(shí)，降雨量126.5mm。7月23日17時(shí)發(fā)現(xiàn)該段堤防堤頂有近80m長裂縫，并伴隨著多處塌陷。因此，連續(xù)強(qiáng)降雨入滲堤身內(nèi)部是塌陷及裂縫誘發(fā)條件。

6.3發(fā)生時(shí)間

分析堤頂塌陷與裂縫的原因：一是人類活動(dòng)與干濕交替作用，堤身表面一定深度范圍內(nèi)形成相對(duì)較硬密實(shí)土層，濕化試驗(yàn)表明，干密度越大，越不易崩解；二是2009年以前，雖有降雨過程，受降雨連續(xù)時(shí)間、降雨強(qiáng)度以及堤頂排水速度等條件影響，沒有或少量雨水入滲堤身內(nèi)部，所以堤身濕陷不明顯。

6.4降雨作用

連續(xù)暴雨使堤身表面土體浸潤濕軟，大量雨水滲入堤身內(nèi)部。首先，增加堤身填土自重和動(dòng)水壓力，在雨水滲入裂隙和松散體時(shí)，沖刷、溶解和軟化了土體；其次，由于堤身內(nèi)部松散土體為少粘性的分散性土，不僅崩解量大，而且在動(dòng)力壓力下，土的起動(dòng)流速小，使這部分濕化或流動(dòng)的土體填充了原孔隙和孔洞，產(chǎn)生堤頂土體塌陷和裂縫。

6.5發(fā)生部位

6.5.1累計(jì)濕陷量

表1 物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

表2 濕陷試驗(yàn)成果表

塌陷及裂縫均發(fā)生于堤頂部位，上、下游邊坡均未發(fā)現(xiàn)很明顯的沉陷、坍塌、裂縫和滑坡跡象。從堤身斷面形狀可知，堤頂填土高度最大。由附加濕陷量Δh=δs×h0可知，堤身中部h0最大，所以堤頂部位累計(jì)濕陷量最大。

6.5.2自重應(yīng)力作用

根據(jù)濕陷性試驗(yàn)結(jié)果，在同一個(gè)干密度或壓實(shí)度值情況下，濕陷變形系數(shù)δs與垂直應(yīng)力有關(guān)，開始階段隨應(yīng)力增加δs而增加，達(dá)到臨界值后，隨著應(yīng)力的增加δs減小，呈非線性變化，見圖1。該堤身垂直應(yīng)力主要是土自重應(yīng)力，土體自重應(yīng)力p=γh，當(dāng)土重度γ為定值時(shí)，p大小與深度h呈線性增大；當(dāng)填土深度h為定值時(shí)，土的重度γ的取值有：濕陷未發(fā)生時(shí)，浸水后重度增量Δγ=γ飽和-γ濕；產(chǎn)生微小濕陷時(shí)，重度增量Δγ=γ飽和，此時(shí)，堤頂沉陷量為固結(jié)壓縮和濕陷之和。由堤身橫斷面可知，堤頂土層厚度最大，隨著厚度增加δs也增加，故堤頂濕陷量最大。

綜上所述，堤頂濕陷量最大，濕陷后使土體產(chǎn)生下沉，由于堤身填土為少粘性土，粘聚力很小，使堤身中部土體向下拉裂，從而形成裂縫。如果堤身內(nèi)部局部存在大體積疏松層或較大孔洞，易形成塌陷。堤身塌陷拉裂破壞程度和形式主要取決于堤身填筑質(zhì)量。

7 結(jié)論

綜上所述，堤頂塌陷與裂縫形成的原因主要為以下幾個(gè)方面：

（1）堤身填土不均勻，存在松散層或孔洞；

（2）由于堤身填土密實(shí)性差，且為少粘性土，在浸水作用下存在濕陷性和崩解現(xiàn)象；

（3）較長時(shí)間的連續(xù)強(qiáng)降雨，大量雨水滲入堤身內(nèi)部，是塌陷及裂縫誘發(fā)條件；

（4）雨水滲入使堤身產(chǎn)生濕陷，堤頂濕陷量為最大。

所以在土方填筑工程中回填土壓實(shí)度一定要滿足規(guī)范要求，填筑要均勻，填土層內(nèi)不能存在松散層和孔洞，否則，填土將會(huì)產(chǎn)生過大的濕陷或不均勻沉陷。故當(dāng)填土均勻性與密實(shí)性差時(shí)，在填土沉降計(jì)算中，不僅要考慮固結(jié)沉降因素，尚需考慮填土濕陷性的影響■