巖溶地區地基穩定性評價分析

姜廣占

（廣西華藍巖土工程有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

我國巖溶地區占國土面積接近1/3，而隨著城市建設的快速發展，完全避開巖溶強烈發育場地非常困難，巖溶地基的穩定問題越來越突出，涉及工程安全和成本問題，合理評估巖溶地基穩定性是后續設計施工的重要依據[1]。由于巖溶特有的復雜性和當前的勘察手段限制，勘察單位對巖溶地基的穩定性評價往往比較片面，設計單位無法獲取詳細信息時對溶洞等處理措施基本都是建立在工程經驗上，可能會造成隱患或者巨大浪費，本文針對這個現實問題結合規范和工程實際做了一個簡要的分析，力求抓住重點。

1 巖溶穩定主要影響因素

巖溶地基的穩定性的問題實質上是在自重和附加荷載作用下巖溶洞隙周邊圍巖的穩定問題，故穩定性評價應先分析收集影響巖溶穩定的各種因素，評估其現狀和未來的發展趨勢[2]。影響巖溶穩定主要有以下4個影響因素。

（1）溶洞：就是可溶性巖體（主要是碳酸鹽）內部溶洞的空間分布情況，包括平面大小、高度、充填物、圍巖特性等。

（2）頂板厚度：溶洞頂板巖體的產狀、裂隙發育及破碎狀態是影響穩定性的關鍵因素。

（3）地下水：雖然溶洞的發育需要長時間的積累，短期（建筑物使用年限）內溶洞本身變化很小，但溶洞中流動的地下水與土層有連通時可以不斷沖刷帶走泥土，形成土洞甚至地面塌方。

（4）其他因素：包括荷載、建筑物的重要性等級、地震設防烈度等。

2 巖溶穩定因素的收集

結合當前的技術和工程條件，勘察單位須重視現場工作，通過各種手段結合盡量獲取溶洞的準確信息[3]，包括如下。

（1）地質調查：主要是場地地表巖溶地貌，地貌的變遷，應特別注意調查是否有溶洞發育的典型特征，如漏斗、落水洞、地下暗河等。

（2）地球物理勘探：在地調的基礎上選擇合適的物探手段和工作方法，采用地震法、高密度電法、地質雷達等，測線應先疏后密，盡量垂直巖溶發育帶。在地質鉆孔內部還可以采用孔間CT、孔內管波等手段輔助鉆探工作。

（3）地質鉆探：結合工程經驗和規范要求選擇合適的鉆孔間距和鉆探深度，能保證鉆孔內的數據真實可靠，是最常用的手段。

常規地質鉆探只能揭露一個點的情況，對于溶洞來說主要是揭露溶洞的頂板厚度、洞高和充填情況，無法獲取溶洞的平面分布情況，也無法判斷相鄰鉆孔的溶洞是否連通等，通過鉆探和物探手段結合的方式能夠查明溶洞的分布情況，為后續的分析工作提供數據支持[4]。

3 巖溶的穩定性分析計算方法

分析巖溶對地基的穩定性影響，主要包括兩個方面。

（1）附加荷載作用下溶洞頂板坍塌或基底下巖體沿溶洞側壁不利結構面發生滑動，造成基礎不均勻沉降甚至破壞。

（2）工程建設導致巖溶水文條件發生改變，如地下河堵塞導致水位升高或改道產生新的地質問題。

巖溶問題雖復雜且不確定性多，但現行規范對巖溶穩定性分析卻比較粗略，按《建筑地基基礎設計規范》6.6.5 條：對于完整、較完整的堅硬巖、較硬巖地基，在“洞體較小，基礎底面尺寸大于洞的平面尺寸，并有足夠的支承長度”或“頂板巖石厚度大于或等于洞的跨度”的條件下可不考慮巖溶對地基穩定性的影響，不滿足時應進行洞體穩定性分析。但具體的分析方法手段則語焉不詳，其他規范的表述也區別不大，都沒有對如何評價給出具體建議[5]。究其原因還是巖溶過于問題復雜，理論上的定量計算仍處于探索階段，這就對工程技術人員提出了更高的要求。

定性的評價主要是對現狀的描述和未來趨勢的評估，對如何處理缺乏實際指導意義，需要定量的評價供基礎設計選型和施工選擇具體措施，以下列出常見的巖溶地基穩定性（洞體規模超過基礎尺寸和厚跨比小于1 視為有安全隱患）評價方法進行探討[6]。

（1）溶洞坍塌填塞法。當洞頂坍塌后，塌落體體積增大，當塌落至一定高度后，溶洞空間被相對松散的塌落體填滿，計算出這個塌落高度（H）再乘以一定的安全系數，如圖1 所示。

圖1 溶洞坍塌填塞

計算公式如式（1）。

式中：H——塌落高度，m；H0——塌落前洞體高度，m；K——巖石脹余系數，石灰巖取1.2，黏土取1.05。

這個公式很簡單，計算方便，但是其假定條件是溶洞頂板是厚度較大的破碎巖體，頂板存在坍塌可能，因此使用場景十分受限，采用該法計算時要特別注意適用條件。

（2）梁板驗算法。當溶洞頂板比較完整，且跨度較大，此時可將溶洞頂板簡化為梁板進行計算，當巖體自身的抗彎、抗剪強度均大于其所承受的彎矩、剪力時，視為頂板穩定，深板彎剪驗算如圖2 所示。

圖2 梁板彎剪驗算

計算公式如式（2）、（3）所示。

式中：H——頂板高度，m；M——最大彎矩，kN·m；Q——最大剪力，kN；q——頂板所受荷載之和，kN/m，包括頂板厚度巖體自重、頂板上覆土體自重和頂板上的附加荷載，kN/m；b——梁板的寬度，m；l——溶洞跨度，m；σ——巖體抗彎強度（石灰巖一般取抗壓強度的1/8），kPa；τ——巖體抗剪強度（石灰巖一般取抗壓強度的1/12），kPa；α——1/2（懸臂梁）、1/8（簡支梁）、1/12（固定梁）；β——1（懸臂梁）、1/2（簡支梁、固定梁）。

注：頂板跨中有裂縫，兩端支座巖石完整時簡化為懸臂梁；裂隙位于支座，頂板完整時簡化為簡支梁；支座和頂板均較完整時簡化為兩端固定梁。

當相對跨度較小，溶洞頂板厚度較大時，剪切驗算如圖3 所示，應以剪力控制為主進行驗算。

圖3 剪切驗算

計算公式如式（4）。

式中：P——溶洞頂板所受總荷載，kN；L——溶洞頂板面積，m；τ 意義同上。

（3）抗沖切驗算法。沖切模型的驗算是假定樁端巖層的破壞面上的應力總和與樁端阻力相平衡，樁端持力層在樁端荷載的作用下，巖層發生沖切破壞形成一個沖切圓錐臺，如圖4 所示。

圖4 沖切驗算

主要計算公式有式（5）～式（8）。

式中：Pp——樁端荷載，kN；K——防沖切安全系數；P1——按拉應力計算的樁端巖層承載力，kN；P2——按剪應力計算的樁端巖層承載力，kN；S——錐臺側面積，m2；h——錐臺高度，m；θ——沖切面與錐臺夾角，等于45°-φ/2；D——樁徑，m；σt——巖石抗拉強度（石灰巖一般取抗壓強度的1/20），kPa；τ——巖石抗剪強度（石灰巖一般取抗壓強度的1/12），kPa。

在荷載已知，并通過試驗獲取其他參數后，利用上述公式可以反算出錐臺高度h，考慮適當的安全系數后與溶洞底板厚度進行比較分析，評估溶洞的穩定性[7]。

（4）抗剪切驗算法。溶洞頂板較破碎，跨度較小時，在樁基荷載作用下可能因樁端巖體抗剪強度不足發生剪切破壞，如圖5 所示。

圖5 樁抗剪切驗算

計算公式為式（9）。

式中：Pp——樁端荷載，kN；K——防沖切安全系數；u——剪切柱面周長，m），u=πD；D 為樁徑；τ——巖石抗剪強度（石灰巖一般取抗壓強度的1/12），kPa。

利用上述式（9）可以反算出剪切柱高度h，考慮適當的安全系數后與溶洞底板厚度進行比較分析，評估溶洞的穩定性。

4 結語

以上列舉了4 種常用的定量（半定量）計算方法，計算模型進行了合理假設和簡化，可用于計算大部分巖溶地基穩定性的問題，在實際運用中應注意以下5個問題[8]。

（1）勘察過程應采取多種手段結合的方式盡量查明溶洞的空間分布、填充及圍巖的工程特性等，為后續評價提供數據支持。

（2）公式的使用要結合具體的工程條件和場景，選擇適用的方法進行計算，特別是坍塌填塞法，使用錯誤會造成嚴重浪費。

（3）雖然在勘察階段，技術人員無法獲取準確的荷載信息，但還是需要掌握相應的計算方法，可根據建筑物層高等估算荷載進行驗算，該驗算結果相對定性的泛泛而談對設計和建設單位有重要參考意義。

（4）填塞法也可用于土洞的評價，但必須要考慮時間和水文環境改變造成的影響。與溶洞對時間的敏感度較低相比，土洞往往發育較快，在地基影響范圍外的土洞也應結合土洞的發育條件和后續發展情況進行慎重評估。

（5）基礎選型和設計階段，勘察技術人員應與結構設計人員密切配合，取長補短，對巖溶地基的穩定性做出科學合理的評估，除避免發生風險外，還可創造出良好的經濟效益。