岩溶地区地基稳定性评价分析

2022-03-23姜广占

建材与装饰 2022年7期

姜广占

（广西华蓝岩土工程有限公司，广西南宁 530200）

0 引言

我国岩溶地区占国土面积接近1/3，而随着城市建设的快速发展，完全避开岩溶强烈发育场地非常困难，岩溶地基的稳定问题越来越突出，涉及工程安全和成本问题，合理评估岩溶地基稳定性是后续设计施工的重要依据[1]。由于岩溶特有的复杂性和当前的勘察手段限制，勘察单位对岩溶地基的稳定性评价往往比较片面，设计单位无法获取详细信息时对溶洞等处理措施基本都是建立在工程经验上，可能会造成隐患或者巨大浪费，本文针对这个现实问题结合规范和工程实际做了一个简要的分析，力求抓住重点。

1 岩溶稳定主要影响因素

岩溶地基的稳定性的问题实质上是在自重和附加荷载作用下岩溶洞隙周边围岩的稳定问题，故稳定性评价应先分析收集影响岩溶稳定的各种因素，评估其现状和未来的发展趋势[2]。影响岩溶稳定主要有以下4个影响因素。

（1）溶洞：就是可溶性岩体（主要是碳酸盐）内部溶洞的空间分布情况，包括平面大小、高度、充填物、围岩特性等。

（2）顶板厚度：溶洞顶板岩体的产状、裂隙发育及破碎状态是影响稳定性的关键因素。

（3）地下水：虽然溶洞的发育需要长时间的积累，短期（建筑物使用年限）内溶洞本身变化很小，但溶洞中流动的地下水与土层有连通时可以不断冲刷带走泥土，形成土洞甚至地面塌方。

（4）其他因素：包括荷载、建筑物的重要性等级、地震设防烈度等。

2 岩溶稳定因素的收集

结合当前的技术和工程条件，勘察单位须重视现场工作，通过各种手段结合尽量获取溶洞的准确信息[3]，包括如下。

（1）地质调查：主要是场地地表岩溶地貌，地貌的变迁，应特别注意调查是否有溶洞发育的典型特征，如漏斗、落水洞、地下暗河等。

（2）地球物理勘探：在地调的基础上选择合适的物探手段和工作方法，采用地震法、高密度电法、地质雷达等，测线应先疏后密，尽量垂直岩溶发育带。在地质钻孔内部还可以采用孔间CT、孔内管波等手段辅助钻探工作。

（3）地质钻探：结合工程经验和规范要求选择合适的钻孔间距和钻探深度，能保证钻孔内的数据真实可靠，是最常用的手段。

常规地质钻探只能揭露一个点的情况，对于溶洞来说主要是揭露溶洞的顶板厚度、洞高和充填情况，无法获取溶洞的平面分布情况，也无法判断相邻钻孔的溶洞是否连通等，通过钻探和物探手段结合的方式能够查明溶洞的分布情况，为后续的分析工作提供数据支持[4]。

3 岩溶的稳定性分析计算方法

分析岩溶对地基的稳定性影响，主要包括两个方面。

（1）附加荷载作用下溶洞顶板坍塌或基底下岩体沿溶洞侧壁不利结构面发生滑动，造成基础不均匀沉降甚至破坏。

（2）工程建设导致岩溶水文条件发生改变，如地下河堵塞导致水位升高或改道产生新的地质问题。

岩溶问题虽复杂且不确定性多，但现行规范对岩溶稳定性分析却比较粗略，按《建筑地基基础设计规范》6.6.5 条：对于完整、较完整的坚硬岩、较硬岩地基，在“洞体较小，基础底面尺寸大于洞的平面尺寸，并有足够的支承长度”或“顶板岩石厚度大于或等于洞的跨度”的条件下可不考虑岩溶对地基稳定性的影响，不满足时应进行洞体稳定性分析。但具体的分析方法手段则语焉不详，其他规范的表述也区别不大，都没有对如何评价给出具体建议[5]。究其原因还是岩溶过于问题复杂，理论上的定量计算仍处于探索阶段，这就对工程技术人员提出了更高的要求。

定性的评价主要是对现状的描述和未来趋势的评估，对如何处理缺乏实际指导意义，需要定量的评价供基础设计选型和施工选择具体措施，以下列出常见的岩溶地基稳定性（洞体规模超过基础尺寸和厚跨比小于1 视为有安全隐患）评价方法进行探讨[6]。

（1）溶洞坍塌填塞法。当洞顶坍塌后，塌落体体积增大，当塌落至一定高度后，溶洞空间被相对松散的塌落体填满，计算出这个塌落高度（H）再乘以一定的安全系数，如图1 所示。

图1 溶洞坍塌填塞

计算公式如式（1）。

式中：H——塌落高度，m；H0——塌落前洞体高度，m；K——岩石胀余系数，石灰岩取1.2，黏土取1.05。

这个公式很简单，计算方便，但是其假定条件是溶洞顶板是厚度较大的破碎岩体，顶板存在坍塌可能，因此使用场景十分受限，采用该法计算时要特别注意适用条件。

（2）梁板验算法。当溶洞顶板比较完整，且跨度较大，此时可将溶洞顶板简化为梁板进行计算，当岩体自身的抗弯、抗剪强度均大于其所承受的弯矩、剪力时，视为顶板稳定，深板弯剪验算如图2 所示。

图2 梁板弯剪验算

计算公式如式（2）、（3）所示。

式中：H——顶板高度，m；M——最大弯矩，kN·m；Q——最大剪力，kN；q——顶板所受荷载之和，kN/m，包括顶板厚度岩体自重、顶板上覆土体自重和顶板上的附加荷载，kN/m；b——梁板的宽度，m；l——溶洞跨度，m；σ——岩体抗弯强度（石灰岩一般取抗压强度的1/8），kPa；τ——岩体抗剪强度（石灰岩一般取抗压强度的1/12），kPa；α——1/2（悬臂梁）、1/8（简支梁）、1/12（固定梁）；β——1（悬臂梁）、1/2（简支梁、固定梁）。

注：顶板跨中有裂缝，两端支座岩石完整时简化为悬臂梁；裂隙位于支座，顶板完整时简化为简支梁；支座和顶板均较完整时简化为两端固定梁。

当相对跨度较小，溶洞顶板厚度较大时，剪切验算如图3 所示，应以剪力控制为主进行验算。

图3 剪切验算

计算公式如式（4）。

式中：P——溶洞顶板所受总荷载，kN；L——溶洞顶板面积，m；τ 意义同上。

（3）抗冲切验算法。冲切模型的验算是假定桩端岩层的破坏面上的应力总和与桩端阻力相平衡，桩端持力层在桩端荷载的作用下，岩层发生冲切破坏形成一个冲切圆锥台，如图4 所示。

图4 冲切验算

主要计算公式有式（5）～式（8）。

式中：Pp——桩端荷载，kN；K——防冲切安全系数；P1——按拉应力计算的桩端岩层承载力，kN；P2——按剪应力计算的桩端岩层承载力，kN；S——锥台侧面积，m2；h——锥台高度，m；θ——冲切面与锥台夹角，等于45°-φ/2；D——桩径，m；σt——岩石抗拉强度（石灰岩一般取抗压强度的1/20），kPa；τ——岩石抗剪强度（石灰岩一般取抗压强度的1/12），kPa。

在荷载已知，并通过试验获取其他参数后，利用上述公式可以反算出锥台高度h，考虑适当的安全系数后与溶洞底板厚度进行比较分析，评估溶洞的稳定性[7]。

（4）抗剪切验算法。溶洞顶板较破碎，跨度较小时，在桩基荷载作用下可能因桩端岩体抗剪强度不足发生剪切破坏，如图5 所示。