浅谈岩溶地基稳定性评价

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摘要：本文通过分析在自然因素与人类工程活动的共同作用下，岩溶发育对地基稳定的不利因素，岩溶地面塌陷形成机制、控制因素与发展趋势，并介绍相关评价方法及适用范围。

关键词：岩溶地基；稳定性评价；岩溶塌陷

中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：

1.引言

我国是岩溶发育的国家之一，岩溶塌陷是我国六大类地质灾害之一。据统计：我国碳酸盐岩分布面积约为2×106km2，占国土总面积的1/5。在川、黔、滇、桂、湘、鄂诸省呈连续分布，面积达5×105km2，是我国的主要的岩溶区。

近年来，随着城市化建设发展，各种资源开发不断增强，由此引发的岩溶塌陷问题日益突出，已成为岩溶区主要地质灾害问题。综合灾害发生的危险性与经济易损性，开展岩溶地基稳定性研究具有更为重要的理论和现实意义。

2.岩溶发育基本条件

岩溶又称喀斯特，是指可溶性岩石在水（特别是具有侵蚀性、腐蚀性的地下水）的溶蚀作用下，产生的各种地质作用、形态和现象的总称。其发育基本条件为：1.具可溶性岩石；2.具溶蚀能力的水；3.具良好的水的循环交替条件。

岩溶塌陷（土洞）是在有覆盖土的岩溶发育区，在特定的水文地质条件下，岩面以上的土体遭到流失迁移而形成土中的洞穴和洞内塌落堆积物以及引发地面变形破坏的总称。土洞是岩溶的一种特殊形态，不良地质现象，由于发育速度快、分布密，对工程的影响有时甚至大于溶洞。其发育基本条件见下图：

实践中岩溶地基稳定性问题常见的有以下几种危害形式:1.地基承载力不足；2.地基不均匀下沉； 3.地基滑动； 4．地表塌陷；

图1岩溶塌陷框图

3.岩溶发育影响因素

岩溶的发育与分布在具有一定的规律可循，但个体岩溶变异性很大。无论何种岩溶其发育也有其共性，其中岩性与气候条件是基本，地质结构与地壳运动控制宏观，地形地貌影响强弱。

岩溶发育影响因素表

4．岩溶地基稳定性评价

是在查清岩溶区构造特征、岩溶发育情况及水文地质条件的基础上 ,重点对已产生的和潜在的岩溶塌陷发展趋势及其成因、控制因素进行判释 ,预测可能发生塌陷的地段和危害程度 ,并提出相应的控制、消除、治理和保护的措施与建议。

4.1岩溶地基分类

根据碳酸盐岩出露条件及其对地基稳定性的影响，可将岩溶地基划分为型、覆盖型、掩埋型三种，而最为重要的是前两种

1．型

碳酸盐岩于地表或其上仅有很薄覆土。它又可分为石芽地基和溶洞地基两种。(1)石芽地基：基岩面起伏极大，会造成地基滑动及不均匀沉陷。(2)溶洞地基：浅层溶洞顶板的稳定性问题是该类地基安全的关键。溶洞顶板的稳定性与岩石性质、结构面的分布及其组合关系、顶板厚度、溶洞形态和大小、洞内充填情况和水文地质条件等有关。

2．覆盖型

碳酸盐岩之上覆盖层厚数米至数十米(一般小于30m)。覆盖型岩溶地基存在的主要岩土工程问题是地面塌陷，对这类地基稳定性的评价需要同时考虑上部建筑荷载与土洞的共同作用。

4.2岩溶评价的分类

岩溶评价可分为场地评价与单体岩溶评价两部分。场地评价即在较大范围内，按岩溶发育强度划分出不同稳定性地段，作为建筑场地选择和建筑总平面布置的依据，而对地基稳定所涉及的单体岩溶形态的分析评价，则可分为定性、半定量和定量三种方法。

4.3岩溶地基稳定性定性评价

岩溶地基稳定性的定性评价中，对或浅埋的岩溶洞隙稳定评价至关重要。根据经验，可按洞穴的各项边界条件，综合分析，作出定性评价。以下成熟经验可借鉴：

1.下部基岩起伏，上覆软土，考虑地基不均匀沉降(见图2)；

2．基础附近有落水洞，考虑向临空面滑移(见图3)；

3．洞径大于基宽，顶板厚小于洞跨，无充填、有水，考虑为不稳定洞(见图4)；

(见图2)(见图3) (见图4)

4．盖层大于压缩层，无土洞，水位变化小，可不考虑下伏溶洞影响(见图5)；

5．盖层小于压缩层，洞已填实，基宽>洞跨，顶板大于洞跨，岩体完整，承载力强，可不考虑下伏洞体稳定性(见图6)；

6．简单建筑，当洞充填无水，微风化硬岩（或基宽大于洞径、顶厚大于洞跨）时可不考虑溶洞的影响。

(见图5) (见图6)

4.4岩溶地基稳定性半定量评价

半定量评价是将复杂的边界条件加以简化，借助力学方法计算。定性基础上加定量，在工程实践中，大多采用半定量评价方法。此法适用于详勘阶段和施工勘察阶段及重要永久性工程岩溶地基稳定性评价。

1.型岩溶区

（1）荷载传递交汇法

在剖面上从基础边缘按30°～45°扩散角向下作应力传递，若溶洞位于该传递所确定的应力扩散范围以外时，即认为洞体不会危及建筑物的安全。

（2）顶板坍塌堵塞法

基本原理是溶洞顶板岩体塌落后体积发生松胀，当塌落向上发展到一定高度后，洞体可被松胀的坍塌体自行堵塞，此时可以认为溶洞顶板已稳定。此法的前提条件是溶洞内无地下水搬运。溶洞坍塌的高度Z计算式为：

Z = H0 / ( K - 1 )

Z：塌高：H0：原始洞高：K：岩石松胀系数

灰岩可取1.2左右，当顶板厚大于Z时安全。碳酸盐岩体浅部有隐伏溶洞发育时，溶洞顶板安全厚度可用此法确定。适用范围：适用于顶板为中厚层、薄层，裂隙发育，易风化的岩层，顶板有坍塌可能的溶洞，或仅知洞体高度时。

（3）塌落拱法

假定岩体为一均匀介质，溶洞顶板岩体自然塌落最后呈一平衡拱，拱上部的岩体自重及外荷载由该平衡拱承担。塌落平衡拱的高度H计算公式为：

H = 0.5 * b + H0* tan ( 90°-φ) / f

H：拱高； b：洞跨； H0：洞高； f 、φ：岩土坚固系数、内摩擦角

拱高加上覆岩体厚是顶板安全厚度，且上覆岩体厚度应满足承载外荷的岩体厚。适用范围：对竖直溶洞(高度大于宽度)较为合适。

2.覆盖型岩溶区

考虑上部荷载与土洞共同作用。上覆土层厚极限状态为：

Hk= h + Zn+ D

h：土洞高；Zn：压缩层厚； D：基底埋深

与实际土层厚H比较可作如下结论：

①当H>Hk时，说明地基天然土层厚度H较大，虽然上部有建筑载荷的作用，下部又有土洞的影响，但地基仍是稳定的。

②当H

③当H

4.5岩溶地基稳定性定量评价

此法因涉及岩土体力学参数和边界条件甚多且不易确定，故一般先由假定条件建立相应的物理力学模型或数学模型，再进行分析计算，据结果对岩溶空洞稳定性作出判断。

4.5.1稳定系数法

基底以下浅埋洞体稳定性评价取决于两类作用力的关系：(1)致塌力，包括洞顶岩土自重，附加荷载，垂向和侧向渗流力，真空吸蚀力，振动力；(2)抗塌力，主要是可能塌落岩土体周边摩阻力及颗粒联结粘聚力。

假定空洞顶板岩土体为松散破碎，在其上部四周形成圆锥形破坏面和柱状塌落体，由朗肯土压力理论，求得塌落岩土体整个高度范围的圆柱体侧表面摩擦阻力F为：

式中：γ――岩土体的容重，KN/m3；

c――岩土体的粘聚力，kPa；

φ――摩擦角，（°）；

q――均布外荷载，kPa；

b――土柱横截面直径，m；

h――土柱的高度，m；

设K是表示岩溶地基稳定系数，则：

式中：F1\F2――抗塌力和致塌力；

W、J、P0、q、QV――岩土自重、地下水垂向渗流力、真空吸蚀力、附加荷载作用力、振动作用力，都可以由计算得出。

当K≥1.5时，岩溶地基稳定；当K≤1.0时，岩溶地基不稳定。

2.5.2普氏压力拱理论分折法

适用于上覆岩土层厚度 h> (2.0～2. 5) h1的深埋洞体，在岩土体中可以形成自然平衡拱 (压力拱 ,塌落供)，压力拱高 h1与洞跨 2b和洞高 h0以及土层内摩擦角及坚固系数 fi有关，压力拱高 h1和承载力 Px可以由下式计算出。

式中 :fi =tanφ，可根据地质条件对φ进行修正后使用；

Hx――形成压力拱的岩土体厚度，m；

K――安全系数，岩石取1.5～2.0，土取1.0；

Lx――压力拱平均跨度，m；

Qx――半个压力拱自重；

γ ――岩土体容重，KN/m3；

Ru――岩土极限抗压强度，kPa，岩石取Ru =10000，土取Ru =13000，kPa。

假设空洞上有均布荷载q，当 q ≤Px时，q全部由压力拱承担，作用于洞顶垂直荷载qv =γ・h1 ；当 q> Px时，qv =γ・h1 +q-Px，此时需要对增大空洞承载力进行验算，才能判断洞体是否稳定。

5.结论与建议

5.1结论

1. 岩溶地基的稳定性与工程建设质量的关系十分密切，会直接影影响工程质量的安全性和耐久性。实际工作中要根据岩溶勘察程度和工程对地基的要求来选用不同的评价方法。一般情况下 ,对初勘阶段和一般工程地基用定性评价；对详勘阶段和施工勘察阶段及重要永久性工程地基，用半定量、定量方法综合分析评价。

2. 要根据岩溶空洞围岩的差异，对其稳定性评价时要选择不同的评价方法。

（1）对于稳定围岩，可以用厚跨比法进行评价；当能够取得参数时，可以将洞体顶板视作结构自承重体系，用结构力学分法进行评价；根据顶板形态、成拱条件及裂隙切割情况，分别将其作为梁板或拱受力计算或进行有限元数值分析评价；

（2）对于不稳定围岩，宜选用散体理论分析方法中诸如坍塌平衡法、坍塌填塞法、经验公式法以及稳定系数法等半定量、定量分折评价法。

3. 溶洞和土洞要选择不同的评价方法。

（1）对于土洞，一般采用散体理论进行稳定性评价，此外，要分清土洞是浅埋还是深埋，从而选择稳定系数法或是普氏压力拱分折法；

（2）对于溶洞，当溶洞顶板围岩比较松散破碎时，可以采用散体理论进行分析评价，当顶板围岩稳定时，可以采用结构力学近似分析法进行分析评价。

4. 要分清评价对象是岩溶空洞单体还是整个岩溶区地基。对岩溶空洞单体的稳定性分析评价，可据洞体及围岩具体情况选用前述适当的方法，对整个岩溶区地基，应在单体评价的基础上应用统计分析法分析评价其相互关联及整体稳定性。

5.2建议

目前因岩溶地基稳定性定量评估，涉及岩土体力学参数和边界条件甚多且不易确定，因此，加强实验室模拟研究，大力开展数值分析方法的应用研究，势必促进岩溶地基稳定性分析研究的发展。

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