巖溶地區建構筑物地基穩定性分析與評價研究

許大建

(廣東省地質局第十地質大隊,廣東 中山 528421)

0 引 言

巖溶地區地質構造復雜、巖溶水平分布、豎向分布均具有不確定性[1],再者由于構造地質背景及方案設計等因素引起建構筑物地基削弱發生不穩或不均衡沉降[2-4],有可能產生地基整體失穩的現象;也有可能是軟弱地基層或局部軟弱地基承載力超過了地基承載力極限狀態造成失穩。本次研究的目的是避免因建構筑物的施工可能引起地基產生較大的變形、沉降、破壞、滑移等現象[5],從而影響建構筑物的正常使用;從而確定建筑物荷載的大小和性質、場地工程地質條件,以及地質災害情況等影響地基穩定性的主要特征值。

研究區地形地貌類型簡單、地勢總體比較平坦且起伏不大,地基空間分布和物理力學性質并不復雜,其巖體、土體類型也比較簡單,無復雜地下水或滲流的情況,但場地仍存在一些特殊性巖土、隱伏的破碎或斷裂帶分布,新建建構筑物極有可能引發地質災害,造成地基破壞失穩等不良地質作用發生。在巖溶地區因建構筑物誘發的地質災害類型主要體現為巖溶崩塌、巖溶滑坡、巖溶區地面塌陷、巖溶區地面沉降等,因此對巖溶地區的主要建構筑物地基穩定性進行評價極其必要。

1 巖溶分布及發育

1.1 巖溶分布

研究區位于深圳市坪山區坪山中心區西南部,碧嶺工業片區北部,西起石峽山路,東至沙湖路,南至金碧路,北至山體坡腳,全長約4.65 km,面積約838 123 m2,可由高速公路轉金碧路直達,交通便捷。項目位置詳見圖1。工作區原始地貌屬構造剝蝕丘陵、丘間洼地及河谷沖洪積地貌。研究區內民房和廠房林立,工作區北側丘陵山脊綿延,植被較茂盛,部分廠區邊坡坡面裸露;研究區為開闊地帶,民房、廠房林立,場地總體地勢為北高南低較平坦,地形地貌條件簡單。根據1∶50 000寶安幅、蛇口幅、深圳市幅、王母圩幅區域地質調查報告可知,研究區位于惠陽凹陷南部、五華—深圳斷裂帶的南東盤、屯洋巖體北緣外接觸帶上;礦區出露地層有泥盆系(D)、石炭系(C)及第四系(Q);受深圳—五華(蓮花山)區域動熱變質帶及燕山期巖漿活動的影響,產生不同程度的變質;根據調查及有關資料研判,場地在區域構造上處于坪山背斜北側和橫崗—羅湖斷裂組南側,斷裂構造相對不發育。研究區地處南亞熱帶,具有明顯的海洋性季風氣候特征,全年氣候溫暖濕潤,在夏季多東南風,冬季多西北風,臺風頻繁多發,每年5～12月為臺風多發季節且以6～10月最多,尤以7～9月為頻發期,臺風可帶來較多降雨,臺風期年平均降雨量可達688 mm,臺風期最大降雨量為1 657 mm(1964年)。

圖1 項目交通位置圖

據高密度電法物探成果顯示:沿測線基巖面埋深變化趨勢較大,埋深最小達5 m,埋深最大大于30 m。基巖埋深的總趨勢為中部淺、兩端深,與現場地貌相關性較好。鄰近金碧路,局部基巖面呈現劇烈起伏狀。在推斷的灰巖區段內,除南端基巖面總體埋深大于30 m外,其他段落基巖面埋深在3～18 m不等,局部呈現島狀突起,局部存在不連續的高阻體,對此,首先推斷為溶洞頂巖石,不連續現象推斷為局部溶穿所致。

工區地處碧嶺,屬于河谷平原的西北側,臨近山體一側,屬于邊緣過渡地帶,根據1∶50 000區域地質圖,以金碧路為界,南側存在覆蓋性巖溶, 覆蓋層上部為第四系沖洪積粉質黏土,工區處于金碧路北側,勘探鉆孔顯示,穿過測水組才能見到大理巖及巖溶,其埋藏深度為20～31 m,但根據物探結果(圖2),在超群路段存在埋深較淺的島狀灰巖地層。

圖2 碧嶺辦事處華清眼鏡廠、海殼廠片區超群路高密度電法成果圖

1.2 巖溶發育程度

據本研究區相鄰區域工程場地巖土工程勘察資料,灰巖地層鉆孔見溶洞率為40%～80%,溶洞高度一般為0.5～3.0 m。有些灰巖地層溶洞可分層且一般可分為3、4、5三個層級,灰巖地層的上部溶洞大多呈開口型且多被沖洪積(坡洪積)含碎石粉質黏土充填,本地層上部可能屬溶溝或溶槽堆積層。灰巖地層的下部溶洞較小且多呈閉合型,溶洞淺部多為半充填,溶洞深部多為無充填。因沿斷裂帶溶洞發育的緣故,在溶洞和溶蝕裂隙中賦存較為豐富的巖溶裂隙水,巖溶裂隙水連通性好且與地表水密切聯系。

在工作區高密度電法物探測試推斷的灰巖區內,從電性指標來看,基巖面上覆總體分為兩層。其中與基巖頂面相接觸的地層電阻率相對低,并存在多處圈閉性低阻區,最低電阻率值小于1 Ω·m,遠遠低于地下水的正常電阻率值,推測為礦化度較高、導電粒子豐富的低阻體,不排除為溶洞、土洞內的低阻充填物的可能。

2 地基穩定性驗算方法

2.1 圓弧滑動(移動)條分法

地基在建建構筑物時,均勻地基不能準確確定最危險滑動面時,通常采用極限平衡理論的圓弧滑動條分法進行處理。應滿足下式要求:

FS≤MR/MS

(1)

式中:MR為抗滑移力矩,kN·m;MS為滑移力矩,kN·m;F為抗滑安全穩定系數當量。當建構筑物地基滑動面為圓弧時,我們可以取1.2為安全穩定系數;當滑動面為平面時,可以取1.3為安全穩定系數。

2.2 抗水平滑動(移動)驗算法

地基在建建構筑物時,對于承受較大水平推力、地基可能發生側向滑動(移動)的建構筑物,應滿足下式要求:

FS≤E/H

(2)

式中:E為水平滑動(移動)抗力,kN;H為作用于基礎底面的水平推力,kN;FS為抗滑安全穩定系數當量。當滑動面為圓弧時,可以取1.2～1.3為抗滑安全穩定系數。

3 地基承載力特征值

巖溶地區建構筑物地基穩定性分析與評價表現在承載力問題上,其實質就是驗算巖溶地區地基極限承載能力是否滿足在建建構筑物承載力要求。由于采用地基承載力特征值fak影響巖溶地區建構筑物地基承載力特征值的因素較多,巖溶地區建構筑物地基承載力不僅與地基的形成條件和性質密切相關,且與在建建構筑物基礎的荷載大小、結構類型及施工深度等因素緊密聯系。

結合相鄰鉆孔室內土工試驗成果和標準貫入試驗等原位測試成果,按相關手冊和規范結合地質勘察與建設經驗,結合工作區建筑物結構、基礎形式及地基巖土層的調查情況,工區主要建構物能夠滿足地基承載力特征值,可以探明研究區內建筑物地基基礎穩定性較好,未發現明顯地基失穩及破壞情況,地基基本能滿足規范要求。具體結論見表2。

4 地基變形及基礎的埋置深度

研究發現,巖溶地區建構筑物因地基問題引起的破壞可分為兩類:一類是因巖溶地區建構筑物地基外荷作用過大而產生壓縮變形從而引起過大的沉降量或沉降差,使結構傾斜、開裂毀壞;另一類是因巖溶地區建構筑物地基荷載過大超過了持力層承受力,使得地基產生滑動破壞變形。由此,在確定巖溶地區建構筑物地基承載力時,應保證建筑物強度、穩定性、沉降量及不均勻沉降符合巖溶地區建構筑物地基承載力要求。

巖溶地區建構筑物的地基變形計算值,不應大于巖溶地區建構筑物地基允許變形值。研究區內巖溶地區建構筑物地基基礎穩定性較好,未發現明顯地基失穩及破壞情況,地基基本滿足規范要求,具體結論見表1。

表1 主要建構筑物及地基穩定性評價表

經過調查,在新恒利眼鏡廠食堂墻體、華清眼鏡廠辦公樓出現水平裂縫是由于地基填土不均勻沉降,出現地基變形所致,這兩棟建筑物的變形是否影響使用,應由結構鑒定專業單位確定。

表2 建筑物及地基穩定性分析評價表

根據工作區地質勘察,人工填土厚度較小,基礎持力層埋深較淺,對基礎施工非常便利。從現場調查來看,除少量圍墻出現變形裂縫外,工作區工業廠房及民用建筑物未見明顯的變形及不穩定的現象。局部人工填土經過多年的固結沉降,目前不會影響建筑物主體結構的穩定性,其基礎的埋置深度未見異常。

5 結論與建議

(1) 地質勘察顯示,工區西側,石峽路口—超群路巖溶較發育,應當引起重視。巖溶埋深較大,超過20 m埋深,屬于埋藏型,對天然淺基為主的建筑物安全影響小。但是,如果片區后續開發過程中設計深基礎時,一定要考慮灰巖的巖溶發育等問題的影響。

(2) 研究區以人工填土層、第四系沖洪積層、坡洪積層、殘積層及石炭系下統片巖、大理巖、板巖等地層為主,上覆地層中雜填土①1、素填土①2、耕土②、淤泥質粉質黏土③1等地層工程性質較差,未經處理不宜直接作為淺基礎的持力層,其余地層相對于現存的多層建構筑物來說工程性質相對較好,可作為多層建筑物基礎持力層,具有良好的地基承載力。

(3) 物探顯示工區西側局部存在土洞隱患,埋深較深。場地勘察揭露的石炭紀石蹬子組大理巖分布于石峽路至超群路之間,大理巖埋深26.5～32.30 m,屬于覆蓋性巖溶;超群路以東以測水組板巖為主,未揭示可溶性巖石,也未見土洞,除起石峽路鉆孔揭示局部有零星分布的土洞、溶洞外,而土洞、溶洞埋深相對較深,對工區地基影響小,場地工作區地基相對于多層建(構)筑物來說總體穩定較好,但是,如果片區后續開發過程中設計深基礎時,一定要考慮灰巖的巖溶發育和土洞分布等問題的影響。