复杂岩溶地质条件下的建筑物地基安全性分析

2024-03-16陈传涛徐其功

广东土木与建筑 2024年2期

陈胜，陈传涛，徐其功，陈涛

（1、广东省建科建筑设计院有限公司广州 510010；2、广东省建科建筑工程技术开发有限公司广州 510500）

0 引言

喀斯特（Karst）地质是我国南方一种常见的地质条件，特别是广东、广西、贵州和云南等地区分布较广。岩溶是喀斯特地质的一种表现形式，而根据形成条件的不同，岩溶又可分为地表岩溶和地下岩溶，一般大型城市或人员聚集区不会安置在地表岩溶区，所以地表岩溶对基础设施建设的影响较小（交通设施除外），而由于地下岩溶很难通过简单的形式发现，且其分布并无规律，因此在城市、县镇等聚集区存在地下岩溶（溶洞、地下河等）是十分常见的现象，岩溶地质条件对建设工程的安全产生了较大的影响，也给地区的岩土工程设计带来了很大的挑战［1-3］。

以广州市白云区某在建大型传染病医院项目为例，该工程总建筑面积544 172.0 m2，其中地上建筑面积366 465.5 m2，地下建筑面积177 706.5 m2。根据地质详勘及超前钻揭露南区综合楼基坑底部局部分布有较大的串珠状溶洞，如图1 所示。根据地勘报告判定，场地岩溶发育等级为强烈发育。

由于溶洞的存在，项目基坑设计经过了多轮的讨论，在设计和讨论的过程中，对溶洞安全性的评估大多还是依靠经验性的理论进行判断［4-9］，许多数据无法量化，因此，为进一步提高建筑物的可靠性和安全性，在项目设计过程中引入有限元计算软件，有限元计算目前是一种得到业界普遍认可的方式，较常规设计时采用的理论公式计算和经验判断具有很多优势，例如几何模型的建立更加直观，环境条件更丰富和材料参数更完善等，在设计时参考有限元仿真计算的结果，可以更全面地对项目可行性等进行评估，对提高工程安全性具有十分积极的促进作用。

1 基坑下岩溶的分布情况

地质详勘和超前钻只能初步揭露溶洞的分布区域，而却无法真实探明溶洞的详细情况，为进一步完善设计工作，项目在图1中揭露的溶洞厚度20 m以上的区域（红色区域）应用跨孔弹性波CT 法［10-11］进行了更详细的探测，如图2 所示，共设置了14 个钻孔，生成了30个物探剖面。

图2 跨孔CT区域钻孔布置示意图Fig.2 Schematic Diagram of Drilling Layout in Cross Hole CT Area

部分跨孔CT 结果生成的物探剖面的结果如图3所示，剖面图揭示了项目地下的溶洞发育情况，由此可见，该处存在较复杂的串珠转溶洞分布，且溶洞的高度较大（平均高度约为20 m，最大高度超过35 m），且部分溶洞顶的洞壳较薄，约为1～2 m 厚，而溶洞的深度最浅处约为地面标高下25 m，本项目采用筏板基础+长短桩的基础形式，基坑底深度约为地面标高下16 m，因此，基坑底距离溶洞顶的高度最小处可能小于10 m，建筑物基础对溶洞顶可能会产生较大的影响。

图3 部分跨孔CT物探剖面Fig.3 Profile of Geophysical Cross Hole CT

为进一步量化本项目的建筑物基础对溶洞产生的影响，本课题通过对项目基坑建设过程的有限元模拟计算，得到基坑开挖前后基坑底和溶洞顶的应力变化和位移，并模拟溶洞壳体的弯矩变化，通过对比分析基坑开挖前后及开挖过程中的数据，分析基坑（建筑物）建造过程中和完成后对溶洞产生的影响和溶洞的安全性。

2 有限元计算模型及实施过程

2.1 有限元模型及参数选取

本课题主要研究基坑开挖（建筑物建造）过程对基坑坑底下部溶洞稳定性的影响，计算时土体参数采用常规的Mohr-Coulomb 本构模型，深层岩体和基坑支护结构等采用弹性材料模型，为简化计算过程，溶洞的壳体也采用弹性材料模型。根据勘察报告提供的地质条件和土层力学参数的参考值，本课题选取了表1所列的土力学参数，弹性材料的取值如表2所示。

表1 土力学Mohr-Coulomb参数Tab.1 Mohr-Coulomb Parameters of Soil

表2 弹性材料力学参数取值Tab.2 Elastic Parameters of the Materials

根据地勘报告中钻孔呈现的地层分布情况，建立如图4 所示的2D 有限元计算模型，模型大小为300 m×100 m，基坑宽度设置为100 m，基坑开挖深度为16 m，溶洞顶距基坑底最小距离为10 m，溶洞的最大垂直高度约为30 m，溶洞壳体使用表2中厚度为1 m的弹性板模型模拟。

图4 有限元计算模型Fig.4 FEM Calculation-Model

2.2 有限元计算过程

本课题的有限元计算采用分步施工的方法模拟基坑开挖的全过程，项目采用筏板基础+长短桩的结构，模型采用替换材料属性的方式模拟基础的施工，之后，整个基坑开挖过程分4个阶段进行，分层开挖过程中同步模拟地下水的降水过程，基坑开挖至坑底后在底面增加弹性底板，最后在基坑底板上加载350 kPa的附加应力，模拟上部建筑建成后对基地产生的附加应力。

3 有限元计算结果

3.1 基坑底部的位移及应力变化

通过模拟整个基坑开挖过程和最终在基坑底板上附加建筑物荷载的计算，得到如图5 所示的基坑底部位移变化图，由结果可知，开挖过程中基坑坑底发生了隆起，且随着基坑开挖深度的增加，隆起也逐渐变大，当基坑开挖至坑底时，基坑底部的隆起最大值约为6 cm；将建筑物的附加荷载（350 kPa）加载到底板上之后，坑底发生了沉降，最终得到的最大沉降值（较初始情况）约为5 cm，而最大沉降发生在溶洞上方的基坑底部。

图5 基坑开挖+建筑物荷载过程坑底的位移变化Fig.5 Displacement at the Bottom of the Foundation during Excavation and Final Load Process

模拟的计算过程中基坑底部发生的应力变化曲线如图6所示，由对比可知，基坑开挖的过程中坑底附近发生了应力释放的过程，由于上层土体的开挖，坑底附近的有效应力从开始的200 kPa，逐渐减小至0（开挖至坑底时），当最后将建筑物的载荷加载至底板后，坑底附近的土体承受的应力约为250～300 kPa，对比初始状态下的200 kPa，应力提升了50～100 kPa。

图6 基坑开挖+建筑物荷载过程坑底的应力变化Fig.6 Stress at the Bottom of the Foundation during Excavation and Final Load Process

3.2 溶洞顶部附近产生的位移及应力变化

本文重点分析基坑开挖及建筑物建造对溶洞产生的影响，因此，除关注基坑底部的应力和位移变化外，溶洞顶附近（图7 A-A 截面）的应力和位移变化也需要重点分析。

图7 溶洞顶部附近A-A截面及溶洞顶部壳体Fig.7 Section A-A and the Shell at the Top of the Karst Cave

模拟的建造过程中溶洞顶等高线附近发生的位移变化曲线如图8 所示，开挖至基坑底时发生了最大约3.5 cm 的垂直向上的位移，而当附加了建筑物荷载后，产生了最大为3 cm 的沉降，且最大的向上和向下的位移均发生在溶洞顶附近。

图8 基坑开挖+建筑物荷载过程溶洞顶位移变化Fig.8 Displacement at the Top of the Karst Cave during Excavation and Final Load Process

如图9 所示，和图6 展示的应力变化趋势相同，由于基坑的开挖使溶洞顶附近土体也产生了应力释放，当开挖至基坑底时，应力从初始的500～600 kPa 减小至200 kPa 左右，而当加载了建筑物的附加荷载后，应力提升至500～750 kPa，最大的应力值出现在地下有中风化石灰岩隆起的部分，而对比初始状态和最终状态时溶洞附近的应力值可以看出，溶洞顶部附近的应力值变化不大，约从580 kPa提升至660 kPa。

图9 基坑开挖+建筑物荷载过程溶洞顶应力变化Fig.9 Stress at the Top of the Karst Cave during Excavation and Final Load Process

3.3 溶洞壳顶部产生的位移及应力变化

为进一步分析溶洞顶洞壳的安全性，选取图7中标红的溶洞壳作为分析对象，溶洞顶部洞壳在建造过程中发生的位移变化曲线如图10所示，由结果可知，整个过程中溶洞壳体发生的最大垂直向上的位移约为3.5 cm，该位移发生在基坑开挖至坑底时，而最大垂直向下的位移约为1.5 cm，发生在基坑底板附加了建筑物载荷时。

图10 基坑开挖+建筑物荷载过程溶洞壳位移变化Fig.10 Displacement at the Shell of the Karst Cave during Excavation and Final Load Process

溶洞壳体内弯矩的变化是判断溶洞安全的一个重要指标，整个模拟过程中溶洞顶壳体的弯矩变化曲线如图11 所示，由工程前后的弯矩变化可知，弯矩在整个溶洞洞壳上发生的变化不大，只有在溶洞顶最靠近基坑底的位置产生了较大的弯矩变化，弯矩从初始状态下的4 000 kN·m/m 变化至5 200 kN·m/m，对比图10展示的溶洞顶洞壳的位移可知，弯矩变化最大的位置位于最终洞壳发生较大垂直向上位移的部分。