强岩溶场地岩土工程勘察关键技术及应用

程 宇 龙 举 文 秀

(1.贵州省地矿局111地质大队,贵州 贵阳 550008； 2.贵州地质工程勘察设计研究院，贵州 贵阳 550008)

贵州省地形地貌多变，地质条件复杂，是我国岩溶最发育的地区之一。通常岩溶强发育区不宜建筑，但随着西部大开发和城镇化的深入推进，土地资源变得稀缺而宝贵，越来越多的建筑不得不在强岩溶发育的场地上修建，这就要求勘察工作和方法要具备有效性和多样性。因此，在强岩溶场地的地质勘察中除采用常规的勘察方法外，还得采用一些有效的技术方法。本文以贵阳绿地伊顿公馆项目A1号楼岩土工程勘察为例，浅析强岩溶场地岩土工程勘察关键技术及应用。

1 工程概况

绿地伊顿·公馆项目位于贵阳市白云区艳山红镇新铺村，地处贵阳市西北城区。A1号楼地上为33层，地下2层，最大单柱荷载为16 000 kN/柱，采用框剪结构，拟采用桩基础。

1.1 地层岩性

场区地表主要分布第四系(Q)，厚度6.5 m～28.9 m；下伏地层为三叠系下统大冶组(T1d)薄～中厚层状灰岩。

1.2 地质构造

场区地跨扬子准地台中黔北台隆和黔南台陷构造单元，构造变形复杂，燕山运动形成区内构造骨架，早期主要形成经向构造体系，晚期主要形成新华夏(北东向)构造体系。这两大构造体系控制了地层岩性的分布格局和区域地貌轮廓。场地南侧约200 m处有一东西向断裂通过，受断裂影响局部地段形成破碎带。地层产状为89°∠54°。

1.3 水文地质条件

场区地下水为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水及碳酸盐岩裂隙溶洞水两大类型。其中松散岩孔隙水赋存于第四系松散层的孔隙中，动态变化大，无统一水位；基岩裂隙水及碳酸盐岩岩溶水含水岩组为三叠系下统大冶组(T1d)灰岩，主要赋存、富集、运移于灰岩溶洞—管道、溶蚀裂隙—溶洞中，以管状、网状流为主。场地地下水水量丰富但含水不均匀，在北侧麦架河一带以大泉形式集中排泄。

2 勘察方法与关键技术的应用与分析

2.1 工程地质测绘

工程地质测绘主要是对场地及其周围地表分水岭以内的地形、地貌、地质构造、地层岩性等进行工程地质测绘，实测岩溶场区内各种性质结构面、节理面的倾向、倾角；调查岩溶场区内各种不同性质水点的分布状况，分析确认它们是否与暗河系有关，调查要结合地形地貌、地质构造，分析岩溶地下水的补给、径流及排泄条件，通过对地下岩溶管道的追索，把地面各种不同性质水点之间的关系和地下水系的补给条件搞清楚，测量洞穴顶板厚度及结构面倾向、倾角，搞清楚洞穴的不同形态与地质构造之间的关系，分析工程地质条件及水文地质条件为岩溶发育提供了哪些有利条件。该项目的野外工程地质测绘采用“S”形线路法穿越测绘场地，沿途详细观察地质情况，把地质界线，岩层产状和各种不良地质作用测绘在地形图上，详见图1。

场地多处有石牙、石笋、洞穴、岩溶洼地、落水洞发育，通过调查地表物质组成、地貌类型及形态特征，可划分确定场地微地貌单元为岩溶盆地。场地南侧约200 m处有一东西向断裂通过，受断裂影响形成破碎带，岩体节理裂隙发育，岩体中主要有两组节理发育，第一组产状25°∠30°，钙质胶结，张开度1 m～3 m，岩体体结构面数为5条/m3～8条/m3；第二组产状190°∠70°，张开度大于3 mm，表面粗糙，钙质胶结，岩体体结构面数为6条/m3～10条/m3，地质构造的发育为场地岩溶发育跨度大、深度大提供了有利条件。场地总体由南向北倾斜，地下水由大气降水补给，地表水通过地表入渗，在溶蚀裂隙、溶沟、岩溶洼地、漏斗垂向补给后下渗到一定深度，以集中的管状流各分散的网状流形式从南向北径流，地下水在常年动态变化下，随着补给、径流、排泄等水力作用，为岩溶的形成提供了必要的水力条件。

2.2 工程钻探

工程钻探是岩溶地基勘察工作的主要手段，通过钻探用以查明钻孔处以及场地的地层变化情况，获取准确可靠的岩土信息。同时也是对物探测试发现的异常地段或不良地质现象进行钻探验证。

项目所在场地基岩属纯碳酸盐类岩石，基岩起伏大，溶洞发育跨度大，深度大等特点，工程钻探按一柱一孔布置，根据建筑上部荷载结合场地工程地质条件，钻探进入基底下完整基岩深度不小于10 m，遇岩溶洞或基岩面高差起伏较大地段，钻探深度作加深处理。根据钻探资料揭露，场地发育的岩溶洞隙主要表现为顺层裂隙溶洞、溶槽、溶沟等，局部地段有深切溶槽、溶沟发育。该项目A1栋勘察施工钻孔114个，有50个钻孔遇岩溶洞隙发育，钻孔遇洞率为43.8%，场地岩溶洞隙情况见表1，表2。

表1 岩溶洞隙发育统计表

表2 岩溶洞隙大小统计表

根据钻探数据，绘制了研究区基岩面岩溶发育三维图，见图2。从图2可直观了解基岩面岩溶发育情况，基岩面一般在地面下5 m～20 m左右，场地北侧中部、西南侧及东部存在宽大溶沟、溶槽，其最大发育宽度达15 m，发育长度达90 m，发育深度在地面下40 m左右，场地中部存在独立石牙，东部石牙密布。场地基岩层作为建筑基础持力层，由于岩层东倾，受岩层面滑移影响，独立石牙及石牙群地基稳定性差。另外，由于受溶沟溶槽的切割影响，浅部岩体同样受岩层面向东滑移影响，直观分析和定性评价岩溶地基的整体稳定性。

2.3 高密度电阻率法

高密度电阻率法与常规的电阻率法的原理相同，只不过是在常规电法的基础上设置密度较高的测点进行观测。场地为强岩溶发育场地，局部地段70 m才见完整基岩，寻找和发现地场区内的大型溶洞、裂隙、岩体松弛圈等不良地质体，并对不良地质体的性质、埋深及规模进行推断，同时为本场地的不良地质成因及防治提供实物技术依据。

本项目在沿拟建物走向方向，布置高精度电法物探勘探线路4条物探线，750 m；工作方法采用三极电测深装置，测点间距为5 m，每测点最小AB/2=7.5 m，最大AB/2=117.5 m，AB/2间隔为5 m，24层。图3为剖面反演图。

根据高密度电法反演图对照工程地质剖面图，发现地场区内的深切溶槽两侧岩体基岩完整，未发现两岩体有裂隙及岩体松弛圈等不良地质体存在，影响溶槽两侧岩体的稳定性的主要因素为岩层顺层层面，岩层东倾，岩体有可能沿潜面岩层滑面滑移。

2.4 现场静载荷试验

根据拟建建筑和场地地质条件等情况，宜在建筑场地中对各岩质单元的岩体作现场岩基静载荷试验，获取可靠的岩石地基的承载力特征值，以便提出既安全又经济的基础方案。本场地只有一个岩质单元，为进一步准确挖掘中风化灰岩岩质地基的地基承载能力，为减小基础断面，节约工程成本，在场地中选择具有代表性的3个静载荷试验点，对岩质地基进行静载荷试验。试验确定中风化灰岩的地基承载力特征值fa=6 500 kPa，而根据现场钻探取样室内试验，得岩体单轴饱和抗压强度标准值frk=24.5 MPa，钻孔超声波速测试得岩体波速值Vp=3 917 m/s，室内岩块波速测试得岩块波速值Vpo=5 632 m/s，岩体完整性系数为0.48，查建筑地基基础设计规范得折减系数Ψr=0.165，室内试验计算得岩石承载力特佂值fa=4 044 kPa，根据静载荷试验及室内试验对比分析，其基岩承载力特征值提高了40%，大大节约了工程成本。

2.5 岩体结构面剪切试验

考虑到深切溶沟对周边岩体的影响，周边岩体可能沿岩体结构面向深切溶沟滑移破坏，为了准确分析岩溶地基岩体的稳定性，在场地中取样进行室内岩石结构面剪切试验(有条件的场地宜进行现场原位试验)，获取岩体结构面的力学强度指标内聚力C和内摩擦角φ。

为了定量分析地基岩体的稳定性，在场地中取得6组岩石进行室内结构面剪切试验，主要试验指标为结构面的力学强度指标内聚力和内摩擦角，据试验报告统计，其试验结果统计见表3。

表3 岩石抗剪强度统计表

取岩体内摩擦角折减系数为0.80，得岩体结构面内摩擦角φ=37.4°，由于岩体主控裂隙为两组，结构面结合程度为结合一般，硬性结构面，结构面力学指标为C=90 kPa～130 kPa，Φ=27°～35°，结合室内试验统计指标，取C=100 kPa，Φ=35°。利用结构面参数及基础上部荷载16 000 kN/柱，可以理论计算分析基础底面应加深到哪个标高才能保证地基的稳定性。由于地基受临空面影响呈平面滑动，滑面越往下越长，提供的抗滑力越大，若无理论计算参数，都按最深潜在滑面定性分析，会有大部分地段基桩超过30 m以上，局部基础需加深到60 m～70 m左右，嵌石深度达30 m～40 m，这就可能造成工程浪费。

3 结语

强岩溶场地地质条件极为复杂，除了采用常规勘察手段外，还需采用关键技术。工程地质测绘是强岩溶地基勘察的先期工作，是对岩溶地基的初步判断，同时对工程钻探的布置具有指导意义，工程钻探是强岩溶地基勘察中最为关键的勘察手段，能了解钻探深度范围内岩溶的发育情况及岩石的完整情况，高密度电法与常规电法的基本原理相同，只是在观测中设置了较高密度的测点，能发现地场区内的大型溶洞、裂隙、岩体松弛圈等不良地质体，对场地的不良地质成因及防治提供实物技术依据，同时对工程钻探具有指导意义，为了节约工程成本，更大限度地挖掘地基承载力，在强岩溶地基勘察中布置静载荷试验具有十分重要的意义，承载力特征值与常规取样室内试验值会提高1/3～1/2，可以想象，对工程成本节约十分可观，岩体结构面剪切试验指标为理论分析强岩溶地基稳定性提供定量计算依据，避免了按定性分析一刀切的标准将所有受临空面影响的基础都落到潜在滑面以下而造成工程浪费的现象。随着科学技术的发展和城市建设的需要，强岩溶地基的勘察将会使用新的技术方法，如遥感技术、地质雷达、空腔扫描、三维激光扫描等手段，这些先进手段将会为强岩溶地基的勘察提供科学保障、为强岩溶地基稳定性分析提供可靠依据，对工程成本的节约具有十分重要意义。