信丰岩溶场地地基稳定性评价

符 勋，彭来明，朱 博

（1.赣南地质调查大队，江西 赣州 341000；2.宁波市岩土工程有限公司，浙江 宁波 315000）

0 引 言

江西省信丰县普遍分布有碳酸盐岩，且岩溶较为发育，近年来，该区域内的工程建设项目越来越多，由岩溶引发的岩溶地基的稳定性问题也越来越受到人们的关注。因此，分析和总结岩溶的形成机理及发育特征，评价岩溶地基的稳定性，分析其对工程建设的影响，提出合理的地基处理措施及基础选型方案，对工程建设有着重要的意义。本文以工程实例对岩溶的发育规律进行了分析，对场地地基稳定性进行分析研究。

1 研究区岩溶发育规律

据本地区工作资料，研究区岩溶总体发育程度属中～强烈发育，但由于地层组合、断裂构造以及裂隙的发育程度、地形切割程度等的差异，使得岩溶分布各处不尽相同，主要表现在地表及地下岩溶分布的不均匀特性。

1.1 地表岩溶发育特征

研究区为覆盖型岩溶盆地，上覆地层为粉质黏土，区内的地表岩溶并不发育。

1.2 地下岩溶发育特征

研究区西北侧地下岩溶较发育，表现形式有溶孔、溶缝、溶洞等。溶缝、溶孔等微观溶蚀现象在场区常见，孔径一般2～5 cm。溶洞在场区不同部位形态有所差异。研究区内发育的溶洞主要表现为地下的隐伏溶洞，分布规模较大，数量较多。据勘探钻孔资料显示，研究区内施工的178个钻孔中揭露有溶洞的钻孔有117个，揭露溶洞183个，见洞率为63.9%，其中发育有2个及以上溶洞的钻孔个数为48个，占见溶洞钻孔数量的41.0%（见表1）。

表1 部分钻孔溶洞统计Table 1 Statistics of karst caves in some boreholes

在所揭露的溶洞中，洞高最小的 0.2 m，最大的20.3 m。其中洞高0.2～1.0 m的溶洞52个，占总数28.4%；洞高1.0～2.0 m的31个，占16.9%；洞高 2.0～5.0 m的 58个，占 31.7%；洞高 5.0～10.0 m的21个，占11.5%；洞高大于10 m的21个，占11.5%。溶洞顶板为灰岩，大部分溶洞发育在基岩面附近的位置，顶板埋深与基岩埋深相距不大。

2 岩溶地基稳定性评价

岩溶对地基稳定性的影响主要包括地基发生不均匀沉降、地基岩层沿倾向临空面的软弱结构面滑动、由较复杂的水文地质条件导致新的工程地质问题等[1]。因此，在岩溶区进行岩土工程活动需要事先进行岩溶地基的稳定性评价[2]。

岩溶地基稳定性评价由场地评价与单体评价 2部分组成[3]。前者按照岩溶的发育强度，在场地范围内划分出不同稳定性的地段，从整体上分析场地的适宜性和稳定性；后者分析单体岩溶的形态和特征，确定局部的稳定性，有定性与半定量2种方法。

2.1 场地评价

根据区域资料及地质勘察资料可知，研究区的岩性特征和地下水特征均非常有利于岩溶的发育，区内发育的岩溶属于亚热带岩溶，岩溶的总体发育程度属中～强烈发育。研究区地基属于覆盖型岩溶地基，进行稳定性评价时需同时考虑上部建筑荷载与土洞的共同作用[4]。

研究区内的地表岩溶并不发育，而地下岩溶却十分发育，在勘察深度48.08 m内，未发现规模较大的呈水平层状发育的隐伏溶洞。溶洞大部分为全填充，充填物主要为可塑状黏土，含少量砂、砾石及灰岩碎块。研究区场地地基整体稳定性较差，局部差。

2.2 单体评价

通过场地评价，研究区场地地基整体稳定性较差，需进行地基处理并采取适宜的基础型式才可进行拟建工程的建设。由于岩溶在研究区的地下分布各处不尽相同，因此，对于研究区岩溶的单体评价十分重要。这里选取3个典型地质剖面（见图1～3）共 15个的钻孔信息以及水文地质勘察信息来进行场地的地基稳定性评价。

图1 地质剖面2-2´图Fig.1 Geological profile map 2-2´

图2 地质剖面10-10´图Fig.2 Geological profile map 10-10´

图3 地质剖面14-14´图Fig.3 Geological profile map 14-14´

（1）定性评价

定性评价适用于初勘阶段选择场地及一般工程地基稳定性的分析评价，评价方法主要有综合分析法和经验比拟法。

1）评价方法

（A）综合分析法。根据岩溶洞隙各项边界条件，如溶洞大小、形状，顶板厚度及岩性，裂隙状况、岩层产状、洞穴形态及埋藏条件、地下水、上覆土层情况等条件，对比《岩土工程手册》[5]中所列的诸因素进行综合分析并作出评价。

（B）经验比拟法。由于涉及岩溶问题的公路、铁路、桥梁、隧道与民用建筑以及大型的水利水电枢纽坝基等工程实例较多，经验比拟法是根据评价对象的工程地质条件，与条件相似的已有成功或失败工程实例进行类比评价[6]。

根据上述方法，对3个典型地质剖面进行岩溶地基稳定性评价。3个地质剖面岩溶地基稳定性的定性评价见表2。

2）评价结果

从表2中可以看出，场地的岩性及厚度、溶洞的充填情况均对地基的稳定性有利，而裂隙状况、洞穴形态及埋藏条件及地下水条件均对地基的稳定性不利。在所有的7项指标中，剖面2-2´有4个不利因素，剖面10-10´有5个不利因素，剖面14-14´有3个不利因素。因此，定性评价的角度看，剖面14-14´的相对稳定性最好，剖面 2-2´次之，剖面10-10´最差。

表2 3个地质剖面岩溶地基稳定性的定性评价Table 2 Qualitative evaluation of stability of karst foundation in three geological sections

（2）半定量评价

1）评价方法

（A）溶洞顶板坍塌堵塞法

该方法适用于碳酸盐岩体浅部有隐伏溶洞的地基[7]。其基本原理是坍塌后溶洞顶板岩体的体积会发生松胀，当坍塌向上发展至一定高度时，洞体可被坍落的岩体堵塞，此时便可认为溶洞顶板已稳定。溶洞坍塌的高度Z的计算式为：

式中：H0为溶洞高度；K为岩石的松胀系数（灰岩取 1.2）。

当计算出的Z小于洞顶板实际厚度时，可认为地基是稳定的。

（B）覆盖型岩溶地基计算模型

对于覆盖型岩溶地基稳定性的评价，不仅需要考虑土洞本身，还需要考虑上部建筑物荷载，用它们的共同作用来评价[8]。其计算模型如图4所示。

图4 覆盖型岩溶地基稳定性计算模型图（σcz为自重应力，σz为附加应力）Fig.4 Calculation model diagram of stability of covered karst foundation

对于特定的建筑物荷载，处于极限状态的上覆土层厚度Hk为：

式中：h为土洞的高度；z为基础底板以下建筑物荷载的有效影响深度；D为基础砌置深度。

对于上述计算模型可作如下3种情况的讨论：

A）当H＞Hk时，说明上覆土层较厚，虽然在上部有建筑物荷载的作用，下部也有土洞的影响，但此时地基是稳定的。

B）当H＜Hk时，地基是不稳定的。此时又可分为2种情况。

a）土洞在建筑物兴建之前就已形成时，若土洞处于待建建筑物荷载的有效影响深度z的范围内，其极限平衡状态将被打破，土洞会发生坍塌，对地基稳定性不利。

b）土洞在建筑物兴建之后才形成时，相对稳定的地基将在土洞的影响下降低其原有的稳定性，如果发生地基沉降，则会影响上部建筑和地基的稳定性。

C）当H＜h时，即上覆土层较薄时，仅土洞的发展就可破坏地基的稳定性，导致地面塌陷。此时已建工程需搬迁，拟建工程须绕避。

2）评价过程

（A）本次勘察过程探明了每个溶洞的高度及顶板厚度情况，因此根据溶洞顶板坍塌堵塞法，按照所给公式进行分析，结合3个地质剖面溶洞高度溶洞顶板厚度进行岩溶地基稳定性评价，并根据计算结果评价其相对稳定性大小。3个地质剖面岩溶地基稳定性半定量评价情况见表3。

表3 3个地质剖面岩溶地基稳定性半定量评价Table 3 Semi-quantitative stability evaluation of karst foundation in three geological sections

（B）因研究区地基类型为覆盖型岩溶地基，因此也可用覆盖型岩溶地基计算模型的方法直接进行评价。由于3个剖面的钻孔均未揭露到土洞的发育，而在场区进行水文地质勘察时，钻孔ZK1及ZK2揭露了土洞（见表4）。因此，覆盖型岩溶地基计算模型法以钻孔ZK1及ZK2的信息进行评价。

表4 钻孔ZK1及ZK2信息表Table 4 Information of borehole ZK1 and ZK2

3）评价结果

（A）溶洞顶板坍塌堵塞法的评价结果

根据溶洞顶板坍塌堵塞法计算每个钻孔溶洞的Z值，再将Z值与各溶洞的顶板高度进行比较，判断每个溶洞的稳定性。并计算溶洞坍塌的平均高度Z，与顶板的平均厚度作比较，判断每个计算剖面岩溶地基的相对稳定性大小。计算结果如表5所示。

由表5可以看出，除钻孔ZK57的第2个钻孔的Z值小于顶板厚度，处于稳定状态外，其余溶洞均处于不稳定状态；各剖面的溶洞坍塌平均高度Z也均比顶板平均厚度大，因此，各剖面也都处于不稳定状态。

表5 溶洞稳定性计算结果Table 5 Stability results of karst cave

若以Z与顶板平均厚度的比值作为判断相对稳定性的依据，可以看出剖面14-14´的相对稳定性最好（比值为 4.13），剖面 10-10´次之（比值为 12.12），剖面2-2´由于钻孔ZK39揭露的溶洞非常大，因此其比值最大，为 36.22，故其相对稳定性最差。这与定性评价的结果略有不同。

（B）覆盖型岩溶地基计算模型的评价结果

A）钻孔ZK1

由表4可以看出，钻孔 ZK1的上覆土层厚度H=14.20 m，土洞高度h=1.90 m。根据公式，当钻孔上部的基础砌置深度 D与基础底板以下建筑物荷载的有效影响深度 z之和小于土洞的埋置深度（即H-h）时，可认为该条件下的岩溶地基是稳定的，即当钻孔ZK1上的D+z＜12.30 m时，地基是稳定的。

B）钻孔ZK2

由表4可以看出，钻孔 ZK2的上覆土层厚度H=13.40 m，土洞高度h=1.80 m。根据公式，当钻孔上部的基础砌置深度 D与基础底板以下建筑物荷载的有效影响深度 z之和小于土洞的埋置深度（即H-h）时，可认为该条件下的岩溶地基是稳定的，即当钻孔ZK2上的D+z＜11.60 m时，地基是稳定的。

3 结 语

信丰岩溶地基稳定性评价包括场地评价和单体评价2种，即整体评价和局部评价。整体评价通常采用定性评价方法为主，从岩溶分布的总体规律和特征对场地稳定性进行分析评价，通过相关资料分析结果，研究区的场地为不均匀地基，稳定性较差。结合各单位分布和发育特征，可采用定性和半定量2种方式对稳定性进行评价。从定性评价的角度，可以建立由岩性及厚度、裂隙状况、岩层产状、洞穴形态及埋藏条件、顶板情况、充填情况及地下水条件等7项指标组成的评价体系对岩溶地基稳定性进行初步的评价；而从半定量角度看，可按照溶洞顶板坍塌堵塞法对岩溶地基稳定性进行初步的评价。为更有利于指导工程建设，通常采用2种方法结合的方式对单体稳定进行评价。通过整体评价和局部评价可以对岩溶地基稳定性进行初步的评价和认识，对工程建设能够起到一定的指导作用，为后续结合物探、有限元数值分析法等方法准确评价岩溶地基稳定性提供了方向和资料基础。