巖溶區石芽地基穩定性分析探討

鄧杰文 趙瑞峰 劉宏

摘 要：石芽地基是一種典型的裸露型巖溶地基，影響石芽穩定性的因素眾多。本文通過建立計算模型，假定上部荷載N、巖層傾角α、錐頂角β，對不同高度的石芽進行穩定性計算，得出了各種工況下石芽穩定的臨界直徑。結合穩定性計算結果對石芽地基穩定性進行了探討。

關鍵詞：石芽地基;穩定性計算;臨界直徑

1 前言

碳酸鹽巖地區地形地貌復雜，巖溶地基處理是影響工程投資的因素之一。石芽地基屬于裸露型巖溶地基，石芽地基是由大氣降水和地表水沿裸露的碳酸鹽巖節理、裂隙溶蝕逐漸發展而形成，是一種最為典型的裸露型巖溶。地表溶蝕溝槽間殘存的石芽高度大多數不超過3m，多以鷹嘴石等在地表出露。如石芽被表層黏土覆蓋，稱為埋藏型石芽地基。石芽多數分布在碳酸鹽巖地區斜坡上，在河流溝谷兩側斜坡以及巖溶洼地周邊也有分布。芽面極陡，石芽錐體側面傾角一般為55°～80°，有的埋藏型芽間的溶溝、溶槽深度可達10多米，而且往往與下部溶洞和溶溝（槽）相連。基巖面起伏具有不確定性。因此，石芽地基處理不當往往會造成地基滑動破壞及基礎差異性沉降和施工上的困難。

2 石芽穩定性分析

2.1 計算模型的建立

當上部荷載較大時，石芽的穩定性主要是石芽巖體在上部荷載作用下發生滑移、折斷等破壞。將石芽簡化為錐體后，石芽巖體沿結構面發生滑移破壞模式如圖2.1，則其穩定性計算公式如下。

式中：N為上部荷載（kN）; C為層間內聚力（kPa）;α為巖層傾角（°）;β為石芽頂角（°）;H1和H2分別為石芽兩側高度（m）;φ為層間摩擦角（°）;Pa為主動土壓力（kN/m）; Pp為被動土壓力（kN/m）;Sa為主動土壓力作用面積（m2）;SL為內聚力作用面積（m2）;Sp為被動土壓力作用面積（m2）; Ka為主動土壓力系數;Kp為被動土壓力系數; K為石芽穩定性系數。

若不考慮內聚力c和Pa和Pp主、被動土壓力作用，則石芽穩定性計算條件簡化為：。

2.2 穩定性計算

對含有夾層的石芽，按下述計算思路進行穩定性計算。（1）上部荷載N：取50000kN 、25000kN、10000kN、5000kN四種;（2）巖層傾角α取16°、12°兩種;（3）石芽錐頂角β：30°、40°兩種;⑷層間內聚力c取20kPa，層間內摩擦角φ取10°。由上述計算結果可得各種工況下石芽穩定的臨界直徑如表2.1和典型計算曲線圖2.2～圖2.5，石芽穩定的上部荷載N與臨界直徑D關系曲線圖2.6。

3 石芽地基處理方法探討

因巖溶地基有一定的隱伏性、復雜性，巖溶地基處理一直是廣大工程技術人員不斷探索的課題之一，隨著巖溶地基處理技術的不斷探索和發展，截止目前，對于淺部石芽地基的處理常用以下兩種：

3.1 挖填法：適用于淺表層石芽地基等，施工時挖除石芽間的黏土等充填物，然后以灰土、碎塊石或毛石素混凝土等進行回填處理，以增強地基的整體強度和持力層的完整性，或者鑿巖機鑿去局部高度較高的石芽，然后鋪蓋褥墊層后進行碾壓處理，以調整地基的變形量，減小差異性沉降，從而保證基礎的穩定性;

3.2 梁板跨越法：適用于基礎下有豎向發育溶洞、溶蝕溝槽、漏斗、跨度較大石芽，小型溶洞。即施工時采用一定厚度的鋼筋混凝土梁、板進行跨越處理，或用剛性較大的平板基礎覆蓋，減少基底集中應力，而不對其下溶蝕地基進行處理。

一般情況下石芽間的溶蝕溝槽常被黏土充填，因此強度較低，壓縮性較高，當上部荷載較小時石芽處理，主要考慮溶槽與石芽間的充填黏土組合形成不均勻地基的差異沉降。但當上部荷載較大時，無論是用挖填法還是梁板跨越法，均需對石芽地基滑移穩定性問題加以考慮。

4 結語

通過本文對石芽進行的穩定性分析計算，取得以下兩點初步認識：

4.1 當上部工程荷載較大時易引起石芽發生折斷、滑移、傾倒等破壞。在設計及施工過程中，必須查清基巖面的起伏，巖層傾角，石芽錐頂角及高度，巖石強度等影響因素，并加以重視，當上部工程荷載較大時石芽地基處理應重點考慮石芽巖體的滑移等穩定性問題。

4.2 通過計算得出，當上部荷載較大，荷載N=50000kN時，巖層緩傾（12°～16°）時，石芽穩定臨界的直徑D為5.5m，對應的高度H為7.5m;當上部荷載N較小時，石芽穩定臨界的高度D為1.5m，對應的石芽高度H為2m。即當石芽高度H為3m時，在荷載很小的情況下，需要清除的石芽頂部高度應大于1m，確保石芽有足夠大的直徑，從而確保石芽地基的穩定。

參考文獻：

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