岩溶地基稳定性评价及工程处理探讨

　　摘要：本文从岩溶地基对建筑物的危害性出发，在详细阐述了受各种力作用下的岩溶地基稳定性的评价计算法的基础上，结合工程实践，提出对不稳定岩溶地基进行的工程处理措施，对系统研究岩溶区地基处理有一定借鉴价值。
　　关键词：岩溶；地基；稳定性；处理
　　
　　岩溶也称喀斯特地貌，是因石灰岩、泥灰岩等可溶性岩石长期受地表水和地下水的化学溶蚀为主、机械侵蚀和崩塌为辅而形成的一种地质现象，占地球总面积的10%。我国岩溶面积344万km2，占国土面积的1/3，其中又以桂、滇、黔最为集中。由于岩溶的地质作用，灰岩区常存在溶洞、土洞、溶沟、塌陷等不良地质现象，直接影响工程场地的地基稳定及挖填方工程，并可能导致其上的建筑物发生塌陷、滑移、倾覆，威胁工程及人民生命财产安全。岩溶地基稳定性分析评价关系着工程建设的可行性、安全性及工程造价，因此，在岩溶地基稳定性分析评价的基础上，有针对性地采用经济、合理、有效的地基处理措施，具有重要的技术价值及经济意义。
　　1岩溶一般形态及对建筑物的危害分析
　　岩溶的主要形态有溶洞、溶槽、溶沟、暗河、裂隙、漏斗、石芽及钟乳石等，以桂林岩溶区为例，据刘之葵、刘宝臣、谢永雄等资料，桂林岩溶地基的主要成份有石灰岩、红粘土、砂、粉土、卵砾石等，根据成因主要有残坡积()和冲洪积()，包含了溶洞、土洞、溶槽、溶沟、塌陷等不良地质现象【1】。众所周知，为了支承上部建筑物结构荷重，建筑物地基基础的设计都有足够的强度，因此岩溶地基对建筑物的危害，主要集中在对建筑物基础稳定性的影响。如，在地基基础受力层范围内，溶洞、溶沟、石芽、溶槽、鹰嘴岩、漏斗等岩溶形态多变、岩面起伏落差大或基础下有软弱土体，造成建筑物基础不均匀沉降；土洞、溶洞、暗河等的直接荷载或振动作用，导致溶洞顶板坍塌造成地基沉降；岩溶区复杂的水文地质条件导致地基的恶化；基础埋置在有竖向岩溶裂隙、溶洞、落水洞等基岩上，可能导致基础沿岩层倾向临空面的软弱结构面产生滑动；场地分布有溶洞、鹰嘴岩、石芽等，岩溶发育明显，导致桩基施工中出现悬桩、滑桩、半悬桩等质量问题，在荷载作用下造成桩基失稳。
　　2岩溶地基稳定性评价的意义及方法
　　如上所述，若地基状态不稳定，对其上的建筑物影响极大。当前，随着基础建设地区及工程规模的扩大，岩溶地基问题越发突出，因此，广西作为我国岩溶分布面积最大的省份之一，如何做好岩溶地基稳定性分析评价以便有针对性地采用经济合理的地基处理措施，意义重大。一般来说，岩溶地基分析评价主要含六个步骤，即，实际洞体→几何模型→力学模型→数学模型→计算方法→结论。其中，又以力学模型、数学模型及计算方法的研究最为核心。近些年来，对岩溶地基稳定性评价的研究进展很大，对岩溶空洞地基稳定性的分析评价经历了定性评价法、半定量评价法、定量评价法的过程。
　　2.1定性评价法
　　该法包括综合分析法、经验比拟法，一般适用于初勘阶段选择场地及一般工程地基稳定性分析评价，其中综合分析法可按照洞隙各项边界条件，比照表1中所具体列出的影响洞体的各要素进行综合分析并作出评价。
　　表1洞隙稳定性定性评价
　　评价因素 对稳定有利 对稳定不利
　　地质构造 无断裂、褶曲，裂隙不发育或胶结好 有断裂、褶曲，裂隙发育，有两组以上张开裂隙切割岩体，呈干砌状
　　岩性及厚度 厚层块状，纯质灰岩，强度高 薄层石灰岩、泥灰岩、白云质灰岩，有互层，岩体强度低
　　岩层产状 走向与洞轴正交或斜交，倾角平缓 走向与洞轴平行，陡倾角
　　洞穴形态及埋藏条 埋藏深，覆盖层厚，洞体小(与基础尺寸相比)，呈竖井状或裂隙状，单体分布 埋藏浅，在基底附近，洞
　　径大，呈扁平状，复体相连
　　顶板情况 顶板岩层厚度与洞径比值大，顶板呈板状或拱状，有钙质胶结 顶板岩层厚度与洞跨比值小，有切割的悬挂岩，未胶结
　　充填情况 为密实沉积物填满，且无被水冲蚀的可能性 半充填或未充填或，水流冲蚀充填物，洞中见有近期塌落物
　　地下水 无地下水 有水流或间歇性水流，流速大，有承压性
　　地震设防 地震设防烈度<7度 地震设防烈度7度
　　
　　建筑物荷重及重要性 建筑物荷重小，为一般建筑物 建筑物荷重大，为重要建筑物
　　2.2半定量评价方法
　　包括顶板厚跨比法及估算顶板安全厚度法。其中，顶板厚跨比法常用于稳定围岩，不考虑顶板性质、形态及荷载大小，依照近似的水平投影跨度L及顶部最薄处厚度h求出厚跨比h/L作为安全厚度评价依据。
　　2.3定量评价法
　　2.3.1洞穴顶板坍塌堵截估算法。当洞内无地下水搬运，溶洞顶板坍塌时，岩块体积松涨，在坍塌到一定高度后，将完全堵塞溶洞，顶板不再坍塌，不用考虑对地基的影响，可按下式估算坍塌高度：
　　
　　式中：——洞穴最大高度，m
　　——坍塌的岩体高度，m
　　——岩石松散(涨余)系数，石灰岩=1.2O，粘土K=1.05
　　洞穴的坍塌高度为洞穴最大高度的()倍时(对石灰岩顶板而言，可认为=5)，整个洞穴被完全堵塞，这时以上的顶板不再坍塌，当以上有外荷作用时，应结合上部建筑的类型区别处理，以确定顶部的安全厚度。
　　2.3.2结构力学分析法：在顶板岩性不完整的情况下，可结合节理及裂隙的分布状况，分别用不同受力条件的板(梁)计算顶板厚度。
　　（1）在顶板两端支座处岩石坚固完整、顶板跨中有裂缝的情况下，按悬臂梁计算：。
　　（2）在顶板较完整，顶板裂隙处于支座处情况下，按简支梁计算：。
　　（3）在顶板岩层及支座都较完整的情况下，按两端固定梁计算：。
　　抗弯验算：
　　抗剪验算：
　　式中：——弯矩，；
　　——顶板所受总荷重，=；
　　——顶板厚为H的岩体自重，；
　　——顶板上覆土层重量，；
　　——顶板上附加荷载，；
　　——溶洞跨度，；
　　——岩体计算抗弯强度(一般石灰岩为允许抗压强度)，；
　　——支座处的剪力，；
　　——岩体计算抗剪强度(一般石灰岩为允许抗压强度)，；
　　——梁板的宽度，；
　　——顶板岩层厚度，。
　　2.3.2有限单元法。该法在地基基础工程、地下工程等领域被广泛应用，较优越。该法将围岩岩体划分为有限数目的单元体，采用弹性力学理论计算出溶洞围岩的应力场及位移场并校核围岩岩块结构面强度，以此作为溶洞稳定性的判断标准。
　　岩体在给定的应力状态作用下是岩石破坏还是沿结构面破坏，判定如下：1）若，可能岩石破坏，用下式校核岩石的强度条件：；若，可能沿结构面破坏，用下式校核岩石的强度条件：。
　　式中：、——岩石粘结力和内摩擦角；
　　、——结构面的粘结力和内摩擦角；
　　——结构面的倾角。
　　如上所述各法各有优点及局限性，因此在选择评价方法时要根据岩溶勘察程度及对工程地基的要求来决定，建议结合工程地质条件采用多种方法综合分析，避免采用某一种方法得出结论。
　　3基于工程实例的复杂岩溶区地基处理方法
　　3.1概况
　　某变电站工程原址扩建，为灰岩岩底，地面标高在174m～182m间，相对高差变化小。设计标高为175.5m。
　　3.2场地地质概况
　　经钻探、物探等综合勘察，相互补充应证，得到该场地地质特征如下：
　　层号 岩性 地质特征
　　（1） 碎石 土质不均匀，其中卵石、角砾、碎石含量约56%～96%，厚度约10.2m～25.7m，重型动力触探修正击数1.9～45.3击，平均击数8.1
　　（2） 粉质粘土 稍湿，硬塑～可塑状，切面稍粗，土质均匀，粘性良好。该层分布于大部分场地，厚度约1.4m～7.6m，标贯击数10～58击，平均击数34.8
　　（3） 强风化灰岩(强溶蚀带) 灰白色，岩体破碎，溶隙、溶洞、破碎带发育，岩芯采取率低。厚度0.92m～8.51m
　　（4） 微风化灰岩 灰白色，节理裂隙不发育，岩体完整性好，岩石坚硬，锤击声脆，厚度1.20m～10.20m
　　3.3场地岩溶发育情况
　　通过先后三期勘察布置钻孔89个，共揭示溶洞发育62个，洞体最大高度3.5m，最小0.2m，洞内充填物为软塑粘土，灰岩顶板厚度相对洞跨较小，厚度0.1m～3.1m，多数溶洞顶板破碎，裂隙发育强烈，相互串通。
　　3.4地基处理措施
　　本场地不良地质属覆盖型灰岩，结合有关规范对覆盖型岩溶区不良地质作用及地质灾害稳定性评估条例综合分析，该场地属不稳定区域，从场地中溶洞的分布情况、岩溶埋藏类型及性质、埋藏深度、覆盖层的厚度等情况看，溶洞有进一步发展的可能，易发生塌陷影响建筑物的稳定性。处理建议：以变电站内建(构)筑物特点及勘测成果为依据，将场地划分为三部分：等荷载小的部分（包含进站及站内道路和围墙）、荷载较小但对变形要求较高的部分（包含油池、电缆沟、水泵房、消防水池等）、等荷载较重且变形要求高的部分（包含综合楼、主变压器、高低架构），分区治理。
　　3.4.1填垫法。由于进站及站内道路和围墙等区域作用的荷载较小，同时该区域内土洞岩溶埋深较浅，因此采用换填法处理该区域，主要措施为清除洞中充填物后，再全部用混凝土、块石、砂、片石等材料进行换填。
　　3.4.2加固法。油池、电缆沟、水泵房、消防水池等区域，若基础沉降差异大会影响到电气设备的安全运行，因此该区域对沉降量要求较高，同时该区域内土洞岩溶埋深较深，因此采用加固法中的灌浆法处理该区域，具体措施如下：对于洞内充填物较少或洞径较大的溶洞，先通过泥浆泵或砂浆泵向孔内灌入中粗砂进行填塞，再用袖阀管进行充填注浆，促进砂土的密实及固结稳定；对于洞内充填物较多或洞径较小的溶洞，以袖阀管注浆工法进行劈裂注浆，从而使得软土中形成片状及脉状的水泥浆固体，对土体产生压密固结作用，进而逐渐形成具有一定强度的稳定体，切断溶洞与土层及地下水间的联系，避免溶洞的进一步发展。最后，待所有灌浆孔全孔灌浆完毕，验收合格后进行封孔。
　　3.4.3桩基法。综合楼、主变压器不但基础荷载较大且是最重要的构筑物，构架基础虽竖向荷载小，但常作用有较大的弯矩荷载，因此以上三者均对地基要求严格，因为沉降量过大将对电气设备的安全运行造成重大影响，特别是采用硬母线及剪刀式闸刀的变电站对构支架间的沉降差异敏感性更大，所以用桩基法处理该区域。
　　
　　参考文献：
　　【1】刘之葵，刘宝臣，谢永雄.桂林岩溶地基中的不良地质现象及治理【J】.路基工程，2007（5）：163.
　　【2】韩雁峰.浅析复杂岩溶地基的处理【J】.有色金属设计，2009(1)：34-37.
　　【3】李平.刍议建筑工程岩溶地基处理技术【J】.中国新技术新产片，2010（13）：157-158.

《岩溶地基稳定性评价及工程处理探讨》

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