殷 岳
(銅陵學(xué)院,安徽 銅陵 244061)
T 市某小區(qū)多個(gè)住宅樓產(chǎn)生裂縫,基礎(chǔ)出現(xiàn)下沉。如小區(qū)的52 棟為一幢六層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓,基礎(chǔ)為漿砌毛石結(jié)構(gòu)條形基礎(chǔ),基礎(chǔ)持力層為硬塑狀粉質(zhì)粘土,基礎(chǔ)寬度1.2 米,基底埋深1.5 米。該幢建筑物于2012 年開始產(chǎn)生裂縫,近幾年來裂縫有逐年加大的趨勢(shì),裂縫分布于樓房多處,西側(cè)單元偏多,多呈45°~60°(圖1,2,3),據(jù)統(tǒng)計(jì)宏觀裂縫(縫寬≥0.05mm)超過50 條,其中有兩條,縫寬達(dá)10mm,長達(dá)1.2~1.5 米。
根據(jù)沉降變形監(jiān)測(cè),小區(qū)52 棟西側(cè)明顯有下沉和向北傾斜現(xiàn)象,多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)房屋向北傾斜率為6.6‰~7.5‰。
圖1 52 棟北面裂縫分布
圖2 52 棟北面西側(cè)樓梯口裂縫
圖3 52 棟西側(cè)樓梯口地面裂縫
(一)巖土體及破碎帶工程地質(zhì)特征
1.土體工程地質(zhì)特征
場(chǎng)地地基土自上而下依次可分為:(1)層雜填土;(2)層硬塑~堅(jiān)硬狀粉質(zhì)粘土;(3)層粉質(zhì)粘土混碎石;(4)層全風(fēng)化閃長巖;(5)層全風(fēng)化角礫巖?,F(xiàn)分別描述如下:
(1)層雜填土:普遍分布,該層層厚0.8~1.8 米,層底標(biāo)高19.19~23.10 米,多為建筑垃圾回填,稍濕,松散~稍密狀,屬高壓縮性土。地基承載力特征值fak=90Kpa;(2)-1 層硬塑狀粉質(zhì)粘土:該層層厚1.8~2.8米,層底標(biāo)高16.75~17.39 米,黃褐色,硬塑狀,夾少量鐵錳氧化物,其標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N 為8~13 擊/30cm,干強(qiáng)度高,屬中等壓縮性土。地基承載力特征值fak=180Kpa;(2)-2 層堅(jiān)硬狀粉質(zhì)粘土:該層層厚2.4~4.8 米,層底標(biāo)高17.75~18.91 米,黃褐色,硬塑狀,濕,其標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N 為25~31 擊/30cm,屬中等壓縮性土。地基承載力特征值fak=300Kpa;(3)層粉質(zhì)粘土混碎石:普遍揭露,該層層厚2.2~7.4 米,層底標(biāo)高9.82~16.10 米,黃褐色,中密狀,濕,含20~50%碎石,碎石粒徑0.2~5cm,棱角狀,以灰?guī)r、硅質(zhì)巖和石英砂巖為主,為本區(qū)土洞主要賦存層位,其標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N 為25~31 擊/30cm,屬低壓縮性土。地基承載力特征值fak=200Kpa;(4)層全風(fēng)化閃長巖:該層層厚12.7 米,層底標(biāo)高0.31 米,灰白色~灰黃色,巖石風(fēng)化呈粉質(zhì)粘土夾砂土狀,屬中等壓縮性土。地基承載力特征值fak=180Kpa;(5)層全風(fēng)化角礫巖::該層未揭穿,灰褐色,巖石風(fēng)化呈砂土夾碎塊狀,泥質(zhì)膠結(jié),局部鐵質(zhì)膠結(jié)。地基承載力特征值fak=400Kpa。
2.巖體工程地質(zhì)特征
(1)較堅(jiān)硬薄~中厚層狀碳酸鹽巖組
分布于查區(qū)大部分地段,由三疊系下統(tǒng)灰?guī)r、條帶狀大理巖組成,巖溶中等發(fā)育。根據(jù)場(chǎng)地巖土工程勘察資料,淺部灰?guī)r飽和抗壓強(qiáng)度為31.6-56.0MPa,巖體較堅(jiān)硬,RQD 值為76.8,巖石基本質(zhì)量等級(jí)Ⅲ級(jí),工程地質(zhì)性質(zhì)較好。
(2)堅(jiān)硬塊狀巖漿巖巖組
分布于查區(qū)東側(cè)局部,巖性為石英閃長巖,根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,飽和抗壓強(qiáng)度為69.4-256.9MPa,巖體堅(jiān)硬,RQD 值為76.8,巖石基本質(zhì)量等級(jí)Ⅱ級(jí),工程地質(zhì)性質(zhì)好。
3.破碎帶工程地質(zhì)特征
查區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有龍?zhí)梁扑閹В呦虮北蔽?,南東段轉(zhuǎn)為北西向,向北東傾斜,傾角大于70°,長達(dá)1.5km 以上,寬15~20m,延深達(dá)350m 左右。角礫巖成份主要為大理巖、角巖;角礫大小不等,呈棱角狀,被鈣質(zhì)、泥質(zhì)和少量鐵質(zhì)膠結(jié)。據(jù)附近的銅礦山勘探孔揭露,該破碎帶結(jié)構(gòu)疏松,巖芯破碎,飽和抗壓強(qiáng)度為5.5-43.2MPa,屬軟巖~較硬巖,RQD 值小于30%,巖石基本質(zhì)量等級(jí)Ⅳ~Ⅴ級(jí),工程地質(zhì)性質(zhì)一般(圖4-5)。
圖4 基巖地質(zhì)及裂縫房屋位置圖
圖5 75 線地質(zhì)剖面圖
(二)水文地質(zhì)條件
小區(qū)地下水可分為基巖地下水和第四系孔隙潛水,基巖地下水接受大氣降水補(bǔ)給,受周邊礦山排水影響,破碎帶基巖地下水位埋深基本位于40~50 米左右。第四系孔隙潛水賦存與上覆土層,受降雨影響明顯,勘查期間水位埋深3.0~5.1 米,水位標(biāo)高13.70~17.45 米。
大氣降水為區(qū)內(nèi)地下水主要補(bǔ)給來源,沿江平原內(nèi)第四系孔隙水與地表水互相補(bǔ)給聯(lián)系。降水入滲后,沿?cái)嗔?、層面、溶隙等通道匯入形成區(qū)域地下徑流,徑流方向與地表徑流一致。本區(qū)地下水排泄方式為礦山長期排水和供水井開采為主。
(一)土洞塌陷
1.磁波CT 法對(duì)本區(qū)土洞塌陷的探測(cè)
巖溶、土洞發(fā)育的巖石與正常密實(shí)的灰?guī)r比,在電阻率及吸收系數(shù)上有明顯的不同,溶洞或破碎帶充水且具有一定規(guī)模時(shí),對(duì)電磁場(chǎng)將會(huì)產(chǎn)生明顯的吸收作用,觀測(cè)的電磁場(chǎng)強(qiáng)幅度明顯減小,吸收系數(shù)增大,形成高吸收異常。反之,位于地下水以上的溶洞或破碎帶吸收系數(shù)較小。下式為電磁波CT 法中的場(chǎng)強(qiáng)觀測(cè)值公式:
式中:E 為接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值;
E0'為初始輻射常數(shù);
β 為吸收系數(shù),即介質(zhì)中單位距離對(duì)電磁波的吸收值;
f(θ)為收發(fā)天線的方向因子函數(shù);
r 為發(fā)射與接收點(diǎn)之間的距離。
分析公式可知,不同地質(zhì)體對(duì)電磁波的吸收有不同的表現(xiàn),如溶洞、土洞的吸收系數(shù)比其圍巖的吸收系數(shù)要大,因此在溶洞、土洞的背后的場(chǎng)強(qiáng)也就小得多,從而呈現(xiàn)負(fù)異常。
某地質(zhì)隊(duì)在本小區(qū)施工了數(shù)十個(gè)鉆孔,形成了18 個(gè)剖面,根據(jù)對(duì)本小區(qū)巖土體的電磁波層析成像研究,結(jié)合鉆孔揭露情況,推斷房屋場(chǎng)地內(nèi)的土洞發(fā)育分布和溶洞賦存狀態(tài)[1]。圖6 為經(jīng)過小區(qū)52 棟西北側(cè)的ZK5-ZK6 剖面,從圖上可以看出,深2.1~6.4m電磁波高吸收系數(shù)突變異常區(qū)(紅色區(qū)域),推斷為土洞內(nèi)部塌陷形成松散塌落物(粘土)引起,該處對(duì)應(yīng)的103 室廚房北側(cè)墻體和西單元樓梯口分布兩條最大縫寬10mm、長1.2~1.5 米裂縫,向北傾斜率達(dá)7.6‰,為引起62#房屋不均勻沉降的主要不良地質(zhì)體。
2.溶洞和破碎帶孔隙率分布特征
依據(jù)電磁波層析成像視吸收系數(shù)特征結(jié)合鉆孔資料分析,小區(qū)52 棟等房屋的土(溶)洞和破碎帶孔隙率(空洞)分布特征為,土洞發(fā)育深度一般在地表以下3~19 米之間,以3~4 米量多,規(guī)模在0.5~3 米多見,為充填土洞,房屋西側(cè)單元發(fā)育,土洞分布見表1。
圖6 ZK5-ZK6 剖面圖
表1 小區(qū)52 棟地下土洞分布情況表
3.地面塌陷成因分析
(1)礦山排水對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響
查區(qū)周邊主要排水礦山有獅子山銅礦等7 座,礦坑總排水量豐水期可達(dá)2~3×104m3/d。礦體主要賦存于石碳、二迭的石灰?guī)r與巖漿巖接觸帶,受地質(zhì)構(gòu)造控制,水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。礦山長期排水已破壞本區(qū)地下水天然動(dòng)態(tài),獅子山老城區(qū)一帶地下水位在1990 年以前均±0m 以上,現(xiàn)已降至-20 m 到-50m,并引發(fā)了如木魚山、周沖等處巖溶塌陷。
在礦山強(qiáng)制排水作用下,上層滯水水位下降,土洞頂板位于地下水位之上,失去了浮力,相當(dāng)于增加了豎向荷載,增加值與水位下降值及土體重度有關(guān):
式中:FP——豎向荷載增加值;
γ——土體的重度;
hw——水頭差;
γsat——土體的飽和重度。
粘性土及其他不透水巖石浮托減少值微弱,砂土透水性強(qiáng),水位下降后土體重度可以視為干重度,此時(shí):FP=(1-n)hw
可見,豎向荷載增加值或浮托力的減少值在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)變化值大時(shí)土洞因頂板松軟而塌陷。
(2)滲透潛蝕作用
礦山抽水,使其坡降和流速增大,對(duì)地下水流經(jīng)處的土洞中細(xì)粒砂土產(chǎn)生側(cè)向潛蝕現(xiàn)象,沖走細(xì)粒物質(zhì),在覆蓋層底部形成土洞雛形;同時(shí),地下水豎向滲透在覆蓋層中產(chǎn)生豎向的潛蝕作用。側(cè)向和豎向潛蝕雙重作用下,土洞不斷向地面伸展,當(dāng)土洞頂板厚度不足、強(qiáng)度不夠時(shí)會(huì)導(dǎo)致塌陷,龍?zhí)梁扑閹г诟浇V山的持續(xù)排水作用下,具較強(qiáng)的滲透潛蝕作用,是土洞產(chǎn)生的最主要原因。
(3)負(fù)壓吸蝕作用
抽水至覆蓋層底板以下時(shí),土洞中空,對(duì)其上的土體及地下水產(chǎn)生了附加吸力,促進(jìn)了前述潛蝕作用發(fā)育,加速了覆蓋層底板以下土洞的形成。負(fù)壓的大小與多種因素有關(guān),在封閉完好時(shí),理論值接近一個(gè)大氣壓[2]。
(二)爆破地震效應(yīng)
地下礦山開采爆破時(shí),炸藥的一部分能量會(huì)轉(zhuǎn)換為地震波,引起地表的震動(dòng),會(huì)引起地表和建筑物、構(gòu)筑物不同程度的破壞。
小區(qū)房屋位于礦山附近,該礦山礦體多數(shù)賦存在較堅(jiān)硬矽卡巖、大理巖、角巖等巖石中,采用的采礦方法是分段崩落法,部分小礦山采用淺孔留礦法。依據(jù)有關(guān)研究院對(duì)附近礦山的掘進(jìn)爆破震動(dòng)測(cè)試分析報(bào)告可知,震動(dòng)主頻10~36Hz,與房屋自震頻率4-12Hz 相近,可能產(chǎn)生共振作用。但安全質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度v≤0.5cm/s,烈度4 度(調(diào)查住戶有感對(duì)應(yīng)的烈度)的安全距離與炸藥量的關(guān)系見表2。
根據(jù)T 市安監(jiān)局提供的資料顯示,附近的礦山距破壞房屋182~210m,礦山爆破最大炸藥量為18kg,其質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度應(yīng)未超過了《爆破安全規(guī)程》中標(biāo)準(zhǔn)值,沒有超過表2 中的安全距離,不會(huì)直接導(dǎo)致一般磚房、非抗震性大型砌塊建筑物毀壞。地震裂縫主要表現(xiàn)為垂直爆破方向產(chǎn)生水平裂縫和45°斜交裂縫,房屋裂縫僅見一條水平裂縫,說明爆破地震效應(yīng)不是小區(qū)52 棟、61 棟等房屋裂縫產(chǎn)生的主要作用[3]。
表2 安全距離與炸藥量的關(guān)系
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及對(duì)資料分析,我們認(rèn)為受災(zāi)的多幢建筑物裂縫主要為土洞塌陷、地基土不均勻變形而產(chǎn)生沉降變形縫。爆破地震效應(yīng)不是房屋產(chǎn)生裂縫的主要原因[4-5]。
(一)建議對(duì)該小區(qū)房屋開展長期的變形監(jiān)測(cè)工作,做好防災(zāi)預(yù)案,在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育明顯地段設(shè)立警示標(biāo)志,派專人監(jiān)測(cè),加強(qiáng)對(duì)裂縫發(fā)展情況的巡查,發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)通知住戶、行人緊急避險(xiǎn)[6]。
(二)土洞發(fā)育帶上再次進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)應(yīng)先重點(diǎn)探明建筑物分布范圍內(nèi)土洞分布情況,并加以注漿加固治理或采用樁基穿越法、跨越法[7]。
(三)龍?zhí)梁扑閹喜灰酥苯舆M(jìn)行工程建設(shè)。
(四)礦業(yè)開發(fā)是本小區(qū)地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的根本原因,所以加強(qiáng)本地區(qū)的礦山開發(fā)的治理特別是礦山排水等礦山環(huán)保治理十分必要。
(一)本場(chǎng)地為對(duì)工程不利地段,地基為不穩(wěn)定的地基。查區(qū)基礎(chǔ)底部存在土洞,且土洞分布于地基壓縮層內(nèi),充填淤泥質(zhì)或軟塑狀粉質(zhì)粘土,局部為半充填狀,局部已塌陷,危害程度較嚴(yán)重,地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大。隨著礦山排水、爆破震動(dòng)等外在因素持續(xù)作用,土洞潛蝕作用增強(qiáng),極易產(chǎn)生新的地面塌陷變形,同時(shí),磚混結(jié)構(gòu)房屋調(diào)節(jié)變形能力弱,房屋傾斜、裂縫會(huì)進(jìn)一步發(fā)展,對(duì)房屋和住戶造成極大的威脅和危害。
(二)對(duì)本次房屋裂縫的主要原因是土洞和溶洞塌陷引起的地面變形。依據(jù)礦山提供的資料,本處礦山爆破地震效應(yīng)不會(huì)直接導(dǎo)致一般磚房、非抗震性大型砌塊建筑物毀壞。