地下水位变化对岩溶区建筑地基的稳定性分析

陈 靖

(中铁第四勘察设计研究院有限公司，武汉 430063)

地下水位变化对岩溶区建筑地基的稳定性分析

陈 靖

(中铁第四勘察设计研究院有限公司，武汉 430063)

基于岩溶区实际地质情况，并结合现场监测，以地下水位的变化为主要影响因素，运用有限元软件对岩溶塌陷区附近的建筑物地基进行稳定性分析．通过对监测和有限元模拟数据的分析可得，地下水位的变化会引起岩溶区土洞的变化，从而影响着岩溶区建筑的稳定性，因与塌陷区距离的差异性，建筑地基将出现明显的不均匀沉降，严重威胁着岩溶区的生命财产安全;数值计算和监测结果的变化趋势相近，数值计算对岩溶区地下水位变化时建筑地基的稳定性分析有着一定的参考性．

岩溶；地下水；有限元；建筑地基；稳定性

岩溶塌陷作为一种常见的地质灾害，从不同方面影响着工程建设．随着经济的快速增长，工程建设不断增多，越来越多的工程将不可避免的建在岩溶区[1-2]．一旦岩溶发生塌陷，则岩溶区周围建筑将受到严重损坏，造成巨大经济损失，甚至危及人们的生命[3]．大型工程在前期都将进行详细勘察，尽可能的避开岩溶区，但是中国岩溶面积广阔，因此在很多岩溶区仍建有大量的工程建筑，其中以小型的浅基础建筑为主[4]．本文以地下水的变化为主要影响因素，利用ABAQUS有限元软件建立岩溶区数值模型，并结合益阳市岳家桥岩溶区监测数据分析岩溶区建筑地基的稳定性[5]．

1 岩溶区基本概况

自1979年以来，湖南省益阳市赫山区岳家桥镇发生地面塌陷累计 716处，其中溪河塌陷近100处，民房开裂近150处，并造成危房约160栋；同时2座水库、11处拦水坝、26个水塘和2处通讯设施被破坏，受损农田约1 333 ha，直接经济损失近2亿元．

1.1 岩溶区基本水文和地质情况

该地区全年降雨量丰富，多年平均降水量达1 465.10 mm，最大年降水量2 239.00 mm，同时各月降水分布不均，大部分水量集中在4-9月，约占全年降水量的65 %以上，尤4-6月最多，占全年降水的43 %，1-3月和10-12月降水量较少，约占全年降水量的34 %以下．地表水系发达，岩溶区分布着大量的沟渠和水塘，泉交河支流从该地区流过；同时地下河流众多，距岩溶区不远处存在着大型煤矿(煤矿以1.25×104t/h 抽排地下水)．

该岩溶区地处湘中丘陵与洞庭湖冲积平原的过渡地带，以剥蚀丘陵地貌为主，间夹少量岩溶丘陵地貌及侵蚀堆积地貌．据勘察可得，该岩溶区主要地层为耕田、粉质粘土、圆砾、砂质粘性土和中风化灰岩等，其中主要岩土体基本物理性质如表1所示．

1.2 岩溶和土洞发育情况

该岩溶的形成发育与地面的塌陷，都与水密切相关．针对岳家桥岩溶塌陷区，分别对 15个塌陷坑进行了详细的勘察．据勘察，该场区岩溶深度一般在30 m以内，溶洞绝大部分发育在纯灰岩中，钻孔见溶洞率为51.6 %，见溶洞、土洞率合计为87.1 %，其塌陷坑坑口口径一般为5.5 m-29.8 m．坑口规模一般为60 m-550 m深度一般为3 m-10 m，最深的T11坑，开始塌陷时深达20 m．

本次以T3塌陷坑为分析对象，T3塌陷坑位于岳家桥村廖家洲组，塌陷坑西北侧约50 m处为泉交河支流，现塌陷坑4周为稻田及耕土，变形面积为805.5 m2．根据钻探揭露：T3塌陷坑上覆第四系厚度19. 4 m，由耕土、粉质粘土和砂质粘性土组成，地下发育着一个近似圆形的土洞，长约10 m，宽约8 m，高11.2 m．在南侧距塌陷坑中心约20 m的地方存在民房，且房屋地坪已经发生开裂．T3塌陷区简图见图1[6]．

表1 岩土体物理参数

图1 T3塌陷区基本简图

2 岩溶区监测

因 T3塌陷坑影响较大，在距离塌陷坑中心约20 m处存在房屋建筑，T3塌陷坑为岳家桥岩溶区监测得重点监测区域．为有效保证岩溶塌陷区群众的生命财产安全，做出及时有效的预报预警，并结合科研任务的需要，对 T3塌陷坑进行了地表沉降、水体参数和房屋裂缝的长期监测．

2.1 地表沉降分析

通过对岩溶区地表进行沉降监测，可有效的监测塌陷坑周围的变形情况及治理效果，并抓住岩溶塌陷的前兆，尽量减少岩溶再次塌陷产生的损失[7]．根据塌陷区实际情况，在塌陷区地表设置两个沉降监测点3-1和3-2，并在塌陷区较近的通视好的稳定区设置3个水准基准点．T3塌陷区地表沉降累计变形曲线如图2所示．

通过对 T3塌陷区的两个沉降监测点分析可得，在1月份至于7月份，地表沉降量不断增加，但其增长速度却不断减慢，8月份后沉降量基本稳定，在小范围内波动．3-1监测点最大沉降量为46.21 mm，3-2监测点最大沉降量40.48 mm．整体上3-2监测点比3-1监测点沉降量要偏小，但2个点的变形趋势基本一致．

图2 T3塌陷区地表沉降累计变形曲线

2.2 房屋裂缝分析

T3塌陷坑距离附近的房屋很近，前期的塌陷已经导致附近房屋地坪产生严重的开裂，房屋结构出现明显的裂缝，因此对塌陷坑周围房屋裂纹的监测显得非常重要．为有效防止再次塌陷对附近房屋造成新的损坏，监测中对 T3塌陷坑周围的两栋距塌陷坑约30m的民房屋的新裂缝进行了监测，其编号分别F1和F2．T3塌陷区房房屋裂缝变化曲线如图3所示．

图3 T3塌陷区房房屋裂缝变化曲线

从图3可以看出，通过对T3塌陷坑附近的房屋裂缝F1和F2的长期监测，当地下水位变化时，房屋裂缝不断增加，且在汛期时房屋裂缝变形速度最快，在汛期过后，变形速度不断减慢，处于基本稳定．两个房屋裂缝变形趋势基本一致，且F1的变形量大于F2的变形量．

2.3 水体参数分析

地下水的变化是影响岩溶稳定性的关键性因素[8]，为很好的了解地下水变化与岩溶塌陷的相关性，本次检测中使用便携式水位计、手持式超声波流量计和便携式流速仪等相关仪器，对 T3塌陷坑周围的DJ3监测孔进行了地下水水位、流量和流速变化监测长期监测．T3塌陷区水位变化曲线如图4所示．

图4 T3塌陷区水位变化曲线

通过对图4的T3塌陷区水位变化曲线的分析可得，岩溶区的地下水存在明显的上下波动，水位最高时约20.0 m，水位最低时约14.0 m，地下水位最大变化差约为6.0 m．地下水位在汛期时上升，在旱季时下降，存在明显的季节性变化，因此地下水位的变化对岩溶区建筑稳定性有着明显的影响．

3 有限元法的稳定性分析

地下水位的变化是土洞形成和发育的关键性因素，同时也是影响岩溶区稳定，从而影响岩溶区建筑物稳定性的重要因素．因 ABAQUS有限元软件能有效反应土体的形状的本构模型，能够进行有效压力和孔压的计算，因此利用ABAQUS有限元软件对水位变化时岩溶区建筑的稳定性分析有着很好的适用性．

3.1 岩溶区地下水位变化对建筑的影响机理

影响岩溶区场地稳定性的影响很多，但是地下水的变化是其中非常重要的因素．因岩溶区的建筑为与岩溶区表面，则岩溶区建筑物的稳定性与岩溶场地的稳定性息息相关，岩溶区地表的沉降，直接影响着建筑物的变形及其稳定性．

地下水的变化主要包括地下水位、流速、流量和水力坡度等的变化．地下水的变化影响因素很多，可以是人工降水引起的水位变化，也可以是季节变化，降雨引起的水位变化，但在实际中各种因素相互影响，相互存在．当地下水位下降时，则岩溶区将出现浮托失重的现象，既水位下降，整体土体的重量将减小，浮力也将减小，整个场地的原有应力平衡将被打破．其浮托力的消减变化为[1,9]：

式中：DP为浮托力消减量；γ为水位下降后的土体重度；γ为水位下降前的土体浮重度；g¢为地下水位的下降值．

土洞在土体中各种应力的共同作用下，处于应力平衡状态，当土洞不断发育、岩溶区外部环境发生变化和外部荷载等的影响下上部土体将失去支撑，应力状态也将发生变化，土洞顶板稳定性示意图如图5所示．

图5 土洞顶板稳定性示意图

式中：G为空洞单位长度顶板上土层的总重量(kN/m)，且h为地表至洞顶的距离．

式中：P0为空洞单位长度顶板上所受的压力(kN/m)；d为空洞长度的一半(m)；γ为土的重度(kN/m3)；H为地表至溶洞间土层厚度(m)；N 为楔形体在侧壁上的土压力，

当土洞处于平衡状态时，P0=0，则土洞临界安全厚度H0为

3.2 有限元模型的建立

根据 T3塌陷坑勘察和实际调查，如何对该场区地质情况进行简化[10]，建立该场区的地质概化模型，从上到下分别为粉质粘土、砂质粘性土和中风化灰岩，模型参数如表1所示，其中粉质粘土厚5 m，砂质粘土厚14 m，底层全为灰岩．根据对 T3塌陷坑处地下水的监测可知，该场区水位最大变化值约6 m，且一年中先下降后上升再下降的趋势，根据监测数据结合场地实际情况，假定最开始时地下水位在地表以下6 m，1-4月份水位下降3 m，4-8月份水位上升6 m，9-12月份水位下降3 m．

假设土洞为椭球形，其底部为半径为5 m的圆形，高11 m，且土洞底部位于地下19 m的灰岩上．在距离塌陷坑中心约20 m处存在1栋2层的浅基础砖房，取房屋长16 m，宽10 m．设该房屋基础为1 m宽的条形基础，且作用在房屋上的荷载为15 kN/m2，且假设荷载有房屋全部作用在地基上．

为有效的模拟地下水位变化对岩溶区浅基础建筑的影响，利用 ABAQUS有限元软件，建立分析模型，上层的粉质粘土和砂质粘土采用Mohr-Coulomb(摩尔库伦)本构模型，而底层灰岩采用线弹性模型，对模型采用4面体网格，

C3D4P(4结点线性4面体单元, 位移与孔压力耦合)单元进行划分[5]．模型简图如图6所示．

3.3 变形及稳定性分析

3.3.1 建筑地基沉降变形分析

对岩溶区的建筑，一旦地下溶洞和土洞发生塌陷，则会引起地表的沉降，从而也会导致地基的沉降，地基的沉降无疑会给岩溶区的房屋造成一定损坏，轻则房屋开裂，重则可能导致房屋的倒塌和塌陷，极大的影响着岩溶区群众的生命财产安全．因此通过模拟地下水位变化对岩溶区建筑地基的变形，可以为岩溶的治理和岩溶塌陷的防治有着积极的作用．水位下降3个月后最终竖向位移云图如图7所示，水位下降时地基竖直位移变形曲线如图8所示，水位下降时地基竖直位移极差值变形曲线如图9所示．

图6 数值模型简图

图7 水位下降3个月后最终竖向位移云图

图8 水位下降时地基竖直位移变形曲线

图9 水位下降时地基竖直位移极差值变形曲线

通过对图7、图8和图9的分析可知，当地下水位下降后，岩溶区发生沉降，且最大沉降量发生在土洞拱顶处，距离土洞越近，地表沉降量也越大；同时浅基础建筑的地基沉降值有明显差别，离土洞塌陷区越近沉降量也越大，存在明显的不均匀沉降现象；水位下降后，地基不均匀沉降值也不断增长，地基沉降的极差值最大约为5.00 mm．

3.3.2 岩溶区最大竖向位移分析

岩溶区建筑的不均匀沉降往往与岩溶的塌陷有关，当地下土洞发生变形沉降时，则会导致其附近的建筑物也发生不均匀沉降．因此，通过对土洞最大竖向位移的分析对岩溶与建筑变形之间的关系．水位下降时岩溶区最大竖直位移变形曲线如图10所示．

图10 水位下降时岩溶区最大竖直位移变形曲线

通过对图6和图9的分析可得，当地下水位下降时，以土洞为中心发生沉降，岩溶区最大沉降发生在土洞拱顶处，岩溶区最大地表沉降发生在土洞正上方的地表处；且拱顶处的沉降值皆大于土洞顶部地表处的沉降值，但两者变形趋势基本相同；拱顶处的最大沉降值约200.00 mm，地表的最大沉降值约110.00 mm．

4 总结

结合岩溶区勘察报告和实际调查，以益阳市岳家桥岩溶区 T3塌陷坑为例，并结合实际监测数据，对地下水位变化时该岩溶区的建筑地基的稳定性进行了分析，通过分析可得：

(1)地下水的变化对岩溶区土洞及周围建筑有着明显的影响，通过监测数据分析可得，当地下水位变化时，岩溶区的房屋随附近土洞的变化产生不均匀的沉降，从而导致房屋裂缝不断增大；塌陷区的地表在水位下降时沉降量不断增加，水位上升后沉降速度明显减慢，小范围内发生波动，有略为上升的趋势；后期水位下降，对地表沉降和房屋裂缝宽度的影响较小，有少量下降趋势，这也说明岩溶治理的效果比较明显．

(2)通过数值分析时，在一定范围内地基和地表沉降与水位变化趋势基本一致；因为岩溶土洞的存在，离塌陷区越近，水位下降对地基升降的影响也就越大，水位的下降会对岩溶区建筑地基形成明显的不均匀沉降，对建筑地基的稳定性极为不利．

(3)因数值分析未能全面的考虑对岩溶区建筑稳定性影响的因素，因此，数值分析的结果与监测结果存在着一定的差异性．但是通过进一步的对比分析，有限元的数值分析结果与实际监测结果的变形规律基本符合，这也说明了有限元软件在岩溶稳定性分析领域的有效性．

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(责任编校：徐赞)

Stability Analysis of Building Foundation in Karst Area by Variations Groundwater Level

CHEN Jing
(China Railway SiYuan Surver and Design Group CO. LED., Wuhan, Hubei 430063, China)

Based on the essential geology condition in karst region area，combined with field monitoring,regarding the change of groundwater level variation as main influential factor, analyzed the stability of the building foundation near the karst collapse area by using the finite element software. The results show that:the changed of groundwater level can result in the change of karst soil cave,affected the stability of building.Because of difference of distance from subsidence area, the foundation of building will appear asymmetrical sedimentation, which menaces life, fortune and safety. The numerical calculation simulation results are close to actual monitoring data,it is definite for theoretical calculation to provide reference value when karst groundwater level change,analyzed building foundation stably.

karst; groundwater; the finite element software; building foundation; stability

P624

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.02.0007

1672–7304(2017)02–0028–05

2017-02-28

陈靖(1980-)，湖北随州人，男，工程师，主要从事岩土与隧道设计与研究．