西南巖溶區(qū)建筑地基溶蝕程度深度分布規(guī)律

曹賢發(fā),劉之葵,李海玲

(桂林理工大學 a.廣西巖土力學與工程重點實驗室;b.土木與建筑工程學院,廣西 桂林　541004)

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西南巖溶區(qū)建筑地基溶蝕程度深度分布規(guī)律

曹賢發(fā),劉之葵,李海玲

(桂林理工大學 a.廣西巖土力學與工程重點實驗室;b.土木與建筑工程學院,廣西 桂林541004)

摘要：為研究西南巖溶建筑地基巖溶發(fā)育的統(tǒng)一規(guī)律,在收集了200多份廣西、云南、貴州、重慶、廣東、福建等西南巖溶地區(qū)的工程勘察資料的基礎上,選擇其中最具代表性的24個建筑場地共劃分為58個亞區(qū)，分析其地基溶蝕程度的深度分布規(guī)律。結(jié)果表明,在西南巖溶地區(qū)工程建設中,盡管不同建筑巖溶地基的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水動力和氣候條件等巖溶發(fā)育條件存在不同程度差異,但只要該場地處于穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi)且下伏基巖為純碳酸鹽巖或較純的碳酸鹽巖夾層,則其溶蝕程度一般具有隨深度增大而呈指數(shù)衰減的規(guī)律。

關鍵詞：巖溶;溶蝕程度;巖溶發(fā)育程度;巖溶地基；西南地區(qū)

巖溶發(fā)育是影響西南巖溶地區(qū)工程建設的重要問題[1-2]。經(jīng)過多年的發(fā)展和完善,巖溶區(qū)建筑場地的巖溶發(fā)育程度分級作為傳統(tǒng)的經(jīng)典巖溶發(fā)育規(guī)律研究方法[3-4],目前已成為《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007—2011)[5]推薦的主要分析方法。工程實踐表明,這種方法無法確定巖溶發(fā)育程度隨深度變化的規(guī)律,且其評價結(jié)論也常常不符合地基巖溶發(fā)育程度的實際情況。文獻[6]從巖溶發(fā)育機制上深入論證了巖溶地基溶蝕程度具有隨深度增大而呈指數(shù)衰減的規(guī)律。文獻[7]將巖面溶蝕情況和洞隙發(fā)育特征結(jié)合起來, 提出了溶蝕率的定義, 并以此為基礎針對建筑巖溶地基建立了溶蝕程度深度分布規(guī)律的定量分析方法, 從而將巖溶地基溶蝕程度隨深度呈指數(shù)衰減的規(guī)律很好地刻畫出來。 傳統(tǒng)研究方法和目前大部分學者認為, 巖溶發(fā)育具有區(qū)域性和不均性, 不同地區(qū)之間或者同一地區(qū)不同場地之間的巖溶發(fā)育不具統(tǒng)一規(guī)律, 因此, 有必要通過大量工程實踐資料進一步分析文獻[7]中提出的溶蝕程度深度分布規(guī)律在西南巖溶地區(qū)的適用條件, 這對西南巖溶建筑地基處理具有重要的工程意義。

1數(shù)據(jù)概況

西南巖溶地區(qū)是中國巖溶發(fā)育的典型區(qū)域。本文共收集西南巖溶地區(qū)的建筑工程詳細勘察或施工勘察資料200余份,涉及建筑物1 200余棟,其中大部分地質(zhì)勘察資料來源于廣西南寧、 柳州、 桂林、 崇左、 來賓、 河池等巖溶成片發(fā)育地區(qū), 同時收集了廣東深圳市、 福建龍巖市、 云南昆明地區(qū)、 貴州貴陽地區(qū)和重慶地區(qū)的部分巖溶地質(zhì)資料, 這些工程所處高程范圍為50～2 100 m左右,涵蓋了從低山丘陵至高山和盆地等不同的地貌類型,跨越了熱帶、亞熱帶氣候。由于資料較多,限于篇幅,僅選用部分代表性資料進行分析,所選工程場地的基本情況見表1。

數(shù)據(jù)選用原則如下:

(1)一般情況下,場地樁基施工勘察鉆孔密度較大、鉆孔數(shù)量較多,為提高地基溶蝕程度深度分布特征的刻畫精度和工程針對性,優(yōu)先選用樁基施工勘察場地, 對同時收集有詳細勘察和樁基施工勘察資料的場地,也僅采用施工勘察資料。對建筑占地面積較大的單體建筑場地按建筑功能區(qū)域、沉降單元為依據(jù)進一步劃分為兩個或以上評價區(qū)域,并在同一幅圖中繪出各分區(qū)溶蝕率-深度關系曲線。

表1　工程數(shù)據(jù)概況Table 1　Summary of projects

續(xù)表1

注：H0為深度起算高程， 取值一般大于場地范圍內(nèi)鉆孔揭露的最大巖面高程；a、b為本文式(1)的擬合系數(shù)，R為曲線擬合的線性相關系數(shù)。

(2)未進行樁基施工勘察場地,選用其詳細勘察資料。由于巖土工程詳細勘察階段的鉆孔密度較小,且常常遇到不按建筑平面特征布孔的情況,若按單體建筑或地基沉降單元劃分評價亞區(qū),鉆孔數(shù)量不能滿足溶蝕率統(tǒng)計要求,故評價亞區(qū)按照勘察場地形狀綜合考慮鉆孔數(shù)量進行劃分。對單體建筑范圍布孔數(shù)量超過12個的場地,按單體建筑劃分亞區(qū)；否則，將臨近數(shù)個單體建筑場地合并為一個亞區(qū)。

(3)部分場地詳細勘察也按一柱一孔原則布孔,與施工勘察的布孔原則一致,其鉆孔密度和數(shù)量也較大,評價分區(qū)參照施工勘察的分區(qū)方法和標準進行。

(4)對場地有多個分區(qū)的情況,為更好地體現(xiàn)所選區(qū)域?qū)龅氐拇硇?按遇洞率最大原則僅選用其中2～3個分區(qū)。

(5)根據(jù)碳酸鹽巖純度,碳酸鹽巖地層可分為以下4類：純碳酸鹽巖地層；含少量非可溶鹽巖碳酸鹽巖夾層；碳酸鹽巖與碳酸鹽巖互層；夾碳酸鹽巖的非可溶鹽巖間層。其中后兩類碳酸鹽巖地層在工程建設實踐中所揭示的巖溶發(fā)育程度較低,巖溶現(xiàn)象不明顯,巖溶地質(zhì)問題輕微,一般可視為非可溶鹽巖地層對待。巖溶問題較為突出的以前兩類碳酸鹽巖地層為主,這也是目前巖溶地質(zhì)問題研究的重點。本文所選擇場地均為這兩類地層的建筑場地。

2結(jié)果及討論

文獻[6-7]的研究成果表明,根據(jù)巖面溶蝕高度和洞隙溶蝕高度定義的溶蝕率是地基溶蝕程度的合理表征指標。本文按文獻[7]建立的方法對表1各場地的鉆孔數(shù)據(jù)進行處理,可得各場地的溶蝕程度深度分布曲線如圖1所示。擬合曲線為

r=r(H)=aeb(H0-H)。

(1)

式中： r為高程H處的溶蝕率;a、b為曲線擬合系數(shù)。

從表1可知,曲線擬合線性相關系數(shù)平均值為0.958,除桂林市中隱路商貿(mào)廣場停車場西區(qū)及河池市銅鼓花園2#樓場地分別為0.86和0.89外,其余場地的曲線擬合線性相關系數(shù)均大于0.90,最大值達0.991。從圖1d～g可知,溶蝕率擬合曲線對實測溶蝕率深度變化規(guī)律的刻畫效果良好。

不少學者認為巖溶發(fā)育具有成層特征,但從圖中可以發(fā)現(xiàn),建筑地基影響深度較小,僅涉及淺層巖溶發(fā)育,即建筑地基影響深度范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育一般只有一個淺層巖溶發(fā)育層,建筑地基溶蝕程度特征分析一般可不考慮巖溶發(fā)育的分層特征。

2.1地質(zhì)時代與溶蝕特征的關系

(1)中生代三疊紀地層, 分布于扶綏上龍花園、 寧明花山新城、 貴陽地區(qū)的修文縣扎佐城區(qū)和織金縣國際廣場等4個場地共8個分區(qū), 其擬合線性相關系數(shù)R為0.898～0.987, 平均值為0.959。

圖1　西南巖溶區(qū)建筑地基溶蝕率深度分布曲線Fig.1　Depth distribution curves of dissolution ratio within building ground in karst areas of Southwest China (a)百色平果縣錦豪小區(qū)； (b) 武鳴中旭現(xiàn)代城； (c) 崇左扶綏上龍花園； (d) 崇左寧明花山新城； (e) 百色凌云城市花園； (f)河池市銅鼓花園； (g)柳州市融安縣富成國際； (h)廣西第五勞教所(桂林)； (i)桂林市中隱路商貿(mào)廣場； (j)桂林市圖書館； (k)賀州市楓丹白露； (l)柳州市金盛廣場； (m)來賓市賓陽縣龍珠花園； (n)都安糖廠； (o)來賓嘉城南岸

續(xù)圖1　西南巖溶區(qū)建筑地基溶蝕率深度分布曲線 (continued)Fig.1　Depth distribution curves of dissolution ratio within building ground in karst areas of Southwest China (p)貴陽修文縣扎佐舊城區(qū)改造；(q)貴陽織金縣縣國際廣場；(r)重慶市秀山縣黔龍陽光御園；(s)昆明機場南辦公區(qū)安檢樓；(t)昆明公租房空港A2地塊；(u)福建龍巖婦女兒童活動中心；(v)福建龍巖皇冠國際；(w)深圳市龍崗中醫(yī)院門診大樓；(x)深圳潤鋒公司冷凍車間

(2)古生代二疊紀地層,分布在昆明某機場、公租房空港地塊、龍巖婦女兒童活動中心及龍巖皇冠國際等4個場地共11個分區(qū),其擬合線性相關系數(shù)R為0.926～0.989,平均值為0.962。

(3)石炭紀地層,分布于平果錦豪小區(qū)、武鳴中旭現(xiàn)代城、河池銅鼓花園、都安糖廠、深圳龍崗地區(qū)等6個場地共16個分區(qū),其擬合線性相關系數(shù)R為0.890～0.990,平均值為0.9554。

(4)寒武紀地層,僅分布于重慶秀山黔龍陽光御園場地2個分區(qū),其擬合線性相關系數(shù)R為0.970～0.976,平均值為0.973。

(5)其余10個場地共21個分區(qū)均為泥盆紀地層,其擬合線性相關系數(shù)R為0.860～0.991,平均值為0.957。

從上述分析可知,本文收集的場地跨越了西南地區(qū)碳酸鹽巖發(fā)育的主要地質(zhì)時代類型,從不同地質(zhì)時代場地的溶蝕率深度分布特征曲線擬合的線性相關系數(shù)分析可知,其平均值均在0.954～0.973變化,均大于0.95,且各場地的最大值與最小值的變化范圍也基本一致,微小差異主要是由樣本統(tǒng)計數(shù)量與樣本的隨機性確定的,而與地層地質(zhì)時代沒有明顯的直接關系。由此可知,建筑地基在不同地質(zhì)時代碳酸鹽巖溶蝕率深度分布規(guī)律總體上均符合深度的指數(shù)衰減的規(guī)律。

2.2地層巖性與溶蝕特征的關系

都安糖廠(圖1n)和昆明公租房空港地塊(圖1t)等兩個場地共5個分區(qū)屬于白云巖場地,其擬合線性相關系數(shù)R為0.900～0.977,平均值為0.940。深圳龍崗區(qū)的兩個場地共4個分區(qū)為大理巖場地,其擬合線性相關系數(shù)R為0.933～0.990,平均值為0.974。除上述場地外,其余20個場地共49個分區(qū)的碳酸鹽巖均為灰?guī)r,其擬合線性相關系數(shù)R為0.860～0.991,平均值為0.959。可見,不同巖性場地的溶蝕率深度擬合曲線的線性相關系數(shù)在0.940～0.974,其擬合程度也較高,與溶蝕程度深度指數(shù)衰減規(guī)律顯然也是一致的。

有兩個場地共5個分區(qū)的碳酸鹽巖也存在夾層:深圳龍崗中醫(yī)院場地,為大理巖加粉砂巖;龍巖皇冠國際場地,為灰?guī)r夾輝綠玢巖。這兩個場地溶蝕率深度分布曲線擬合線性相關系數(shù)在0.933～0.990,平均值為0.959,可見其擬合效果與其他55個分區(qū)較均勻碳酸鹽巖場地是一致的;另外,圖1w及圖1x也表明,擬合曲線與實際統(tǒng)計曲線是一致的,表明這兩個場地與其他場地沒有明顯差別。

可見,不同巖性的純碳酸鹽巖及碳酸鹽巖夾層的建筑地基溶蝕率均符合深度的指數(shù)衰減規(guī)律。

2.3巖溶水動力特征與溶蝕特征的關系

(1)僅存在垂直循環(huán)帶的場地,主要有昆明某機場、昆明公租房空港地塊等兩個場地5個分區(qū),其擬合線性相關系數(shù)R為0.926～0.989,平均值為0.961。

(2)只存在水平循環(huán)帶的場地,主要有凌云城市花園、黎塘龍珠花園、都安糖廠、秀山陽光御園、龍巖婦女兒童活動中心、龍巖皇冠國際和深圳龍崗中醫(yī)院及潤鋒投資公司冷凍車間等8個場地共20個分區(qū),其擬合線性相關系數(shù)R為0.900～0.990,平均值為0.964。

(3)除上述幾個場地外,其余14個場地共33個分區(qū)在地基影響深度范圍內(nèi)由上而下包括垂直循環(huán)帶、季節(jié)變化帶和水平循環(huán)帶。其擬合線性相關系數(shù)R為0.860～0.991,平均值為0.955。

可見,在不同巖溶水動力類型及其組合的巖溶建筑地基場地,從其溶蝕率實測數(shù)據(jù)的變化特征很難看出溶蝕程度具有與巖溶水動力相對應的分層特征,溶蝕率深度變化曲線連續(xù)性較好,在各水動力分帶附近不存在明顯的起伏或跳躍現(xiàn)象,說明不同地下水動力特征的建筑地基溶蝕程度具有隨深度衰減的特征。

2.4洞隙發(fā)育程度與溶蝕特征的關系

根據(jù)線巖溶率和遇洞率兩個指標，結(jié)合文獻[5]關于巖溶發(fā)育程度的分級標準可將場地洞隙發(fā)育程度劃分為強、中、弱3個等級。

(1)場地中共有13個分區(qū)為洞隙弱發(fā)育等級,分布于凌云城市花園1#～3#樓、河池銅鼓花園4#樓、賀州楓丹白露、都安糖廠南成品倉、貴陽織金縣國際廣場7#樓及昆明某機場安檢樓等6個場地,其擬合線性相關系數(shù)R為0.890～0.989,平均值為0.950。

(2)有12個分區(qū)為洞隙中等發(fā)育等級,分布于融安富城國際17#～19#樓、桂林市中隱路商貿(mào)廣場2#樓及停車場西區(qū)、桂林市圖書館、黎塘龍珠花園9#～10#樓、都安糖廠甘蔗堆場及北成品倉、來賓嘉城南岸1#樓、修文縣扎佐舊城區(qū)、織金縣國際廣場3#及6#樓、昆明公租房空港A2地塊東北區(qū)及龍巖市婦女兒童活動中心等9場地,其擬合線性相關系數(shù)R為0.860～0.991,平均值為0.954。

(3)其余33個分區(qū)為洞隙強發(fā)育場地,其擬合線性相關系數(shù)R為0.898～0.990,平均值為0.963。

其他場地則均為洞隙強烈發(fā)育區(qū)。表1中包含了洞隙強烈、中等和弱等不同洞隙發(fā)育程度等級場地,而不同洞隙發(fā)育程度等級場地仍符合溶蝕程度的指數(shù)衰減規(guī)律。

3結(jié)束語

本文所選用的工程場地空間跨度較大,所處地質(zhì)背景雖然具有穩(wěn)定地質(zhì)構(gòu)造帶的共性,但其具體的地質(zhì)構(gòu)造特征差異必然存在。研究表明,在西南巖溶地區(qū)工程建設中,如果場地處于穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi)且下伏基巖為純碳酸鹽巖或較純的碳酸鹽巖夾層,則其溶蝕程度一般均具有隨深度增大而呈指數(shù)衰減的規(guī)律。

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文章編號:1674-9057(2016)02-0253-07

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.009

收稿日期：2014-12-01

基金項目：國家自然科學基金項目(51169004);廣西自然科學基金創(chuàng)新研究團隊項目(2012GXNSFGA060001);廣西巖土力學與工程重點實驗室項目(14-B-04)

作者簡介：曹賢發(fā)(1980—),男,博士,講師,土木工程專業(yè),caoxianfa@126.com。

通訊作者：劉之葵，博士，教授，liuzhikui@126.com。

中圖分類號：P642.254;P642.5

文獻標志碼：A

Dissolution distribution rules with depth at building ground in southwestern karst area, China

CAO Xian-fa, LIU Zhi-kui, LI Hai-ling

(a.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering;b.College of Civil Engineering and Architecture,Guilin University of Technology, Guilin 541004,China)

Abstract:Over two hundred geotechnical investigations were collected from Guangxi, Yunnan, Guizhou, Chongqing, Guangdong and Fujian.Twenty-four of them were taken out and divided into 58 subdivisions to study uniform law of karst development at building ground in Southwest China. Results show that though karst process conditions, such as lithology, tectonic, hydrodynamic and climate,differ from each other, dissolution degree of any building site in stable geological tectonic unit with pure carbonate rock stratum or thin interlayer of insoluble rock,will exponentially decreases with depth growing.

Key words:karst; dissolution degree; karst development degree; karst ground;southwest of China

引文格式：曹賢發(fā), 劉之葵, 李海玲. 西南巖溶區(qū)建筑地基溶蝕程度深度分布規(guī)律[J]. 桂林理工大學學報， 2016, 36(2): 253-259.