土洞穩(wěn)定性判定及治理方法的探討

李廣明（福建省核工業(yè)295大隊(duì),福建　龍巖　364000）

土洞穩(wěn)定性判定及治理方法的探討

李廣明
（福建省核工業(yè)295大隊(duì),福建龍巖364000）

摘要：龍巖地區(qū)土洞發(fā)育，多為頂板厚度小于15m的淺埋型，本文總結(jié)出對土洞穩(wěn)定性評定公式，及對不穩(wěn)定土洞治理方法，經(jīng)工程實(shí)踐證明，治理后的土洞穩(wěn)定性良好，經(jīng)濟(jì)可行。

關(guān)鍵詞：土洞；地基；基礎(chǔ)；土洞治理

1　土洞分布與形成

龍巖市位于福建省西部，城區(qū)地面標(biāo)高320-340m，上部為沖洪積粉質(zhì)粘土、礫砂及卵石，下伏基巖為二疊系棲霞組灰?guī)r，政和至大埔深大斷裂由南西向北東貫穿全區(qū)，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，城區(qū)地質(zhì)運(yùn)動頻繁，地下水波動較大，由于下伏灰?guī)r巖溶發(fā)育，地下水的運(yùn)移和潛蝕在上部土層中形成大小不一的土洞，據(jù)我院在龍巖地區(qū)三十多年的工作積累，龍巖市新羅區(qū)土洞主要分布在中城街道、西城街道、曹溪街道、東肖鎮(zhèn)、紅坊鎮(zhèn)，埋深一般在10-35m間，頂板厚度10-35m，多為軟流塑含角礫、碎石粉質(zhì)粘土充填，直徑3.50-20m不等。近期隨著海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的加快，土洞地面塌陷對當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)的危害越來越明顯，特別是由于龍巖城區(qū)土洞多為淺進(jìn)而型，其發(fā)育在空間分布上具隱蔽性，發(fā)育過程具有延續(xù)性，塌陷具有突發(fā)性，危險(xiǎn)性大，治理成本高，有些土洞有由處理不當(dāng)，治理后建筑物存在較大陷患。

土洞的形成與下部灰?guī)r中溶洞密不可分，但在平面和垂直方向上，往往并不會疊加，先是在灰?guī)r破碎帶或灰?guī)r與非可溶巖接觸部位形成溶洞，地下水的頻繁波動，將粘土中親水強(qiáng)的細(xì)粒土運(yùn)移至他處，土體逐漸變的松散并崩解，層層剝離形成橢圓形土洞后，土洞的發(fā)展變的較前期緩慢，此時若無外力或人類工程活動影響，土洞基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，但當(dāng)人類工程活動如地下水的大量抽取、工程建設(shè)時，造成土洞頂板荷載加大、地下水的頻繁升降，則土洞頂板極有可能坍塌，形成地面塌陷，造成成極大損失，如有足夠的數(shù)據(jù)能證明土洞在完成工程建設(shè)后仍可處于穩(wěn)定狀態(tài)，則可省去大量治理費(fèi)用，所以在工程建設(shè)前，對已發(fā)現(xiàn)的土洞準(zhǔn)確評價(jià)其穩(wěn)定性是十分重要的。

2　土洞穩(wěn)定性判定

土洞是否穩(wěn)定主要取決于工程建成后附加土洞頂板的外部應(yīng)力是否大于其自穩(wěn)能力，作用于土洞頂板及四周的外部應(yīng)力主要有建筑物附加荷載傳導(dǎo)至洞頂板的附加應(yīng)力、洞頂板土的自重應(yīng)力、地下水、地表水垂直運(yùn)動的滲流力，洞內(nèi)地下水下降對頂板的吸附力等，計(jì)算方法如下：

（1）作用于土洞頂板的建筑物荷載：建筑物荷載通過基礎(chǔ)傳遞至地基，我國現(xiàn)行規(guī)范及各類教科書中對外力在土體中的傳遞均是根據(jù)彈性理論推導(dǎo)出來的，基礎(chǔ)底面附加應(yīng)力Pk的傳導(dǎo)特點(diǎn)是隨深度增加，上部應(yīng)力以θ角度擴(kuò)散，不同基礎(chǔ)受力后傳至地下Z米處的附加應(yīng)力Pz的計(jì)算方法見《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）。

（2）洞頂土體自重壓應(yīng)力：當(dāng)土體覆蓋面積較大時（大于土洞平面投影面積的3倍以上），土體在自重作用下可不考慮側(cè)向變形和剪切變形，只作垂直變形，在地面以下深度Z米處（基礎(chǔ)底板至洞頂板厚度）單位面積的自重壓力Pc等于該處單位面積上的土柱重量，可按下式計(jì)算：

式中Pc:土洞頂板土體自重壓力(kPa)；

γ:第i層土重度(KN/m3),地下水位以下取有效重度；

h：第i層土厚度（m）。

（3）地下水自上而下滲流時，對土體單位體積內(nèi)顆粒間產(chǎn)生的動水壓力或滲流力也是土洞所受的壞破力之一，據(jù)《水力學(xué)》計(jì)算公式，滲流力F計(jì)算公式為：

F=γw(hw1-hw2)

式中F:為滲流力，單位KN；

Hw1、hw2為洞頂以上土體頂面與底面水頭高度，單位為米；

γw:為水重度，單位KN/m3

（4）洞內(nèi)地下水下降時，水面以上空氣形成負(fù)壓，對頂板產(chǎn)生吸引力F0，數(shù)值上等于水位差與水重度之積，計(jì)算公式如下：

F0=γwh’

F0：地下水下降對洞頂板產(chǎn)生吸引力，KN

γw為水重度，單位KN/m3

h’地下水降深，單位m。

以上為土洞所受的主要破壞力，除上述外機(jī)械振動、地震等引起的破壞力未計(jì)入，在分析土洞受力特征時，應(yīng)將所受破壞力分項(xiàng)計(jì)算并相加，即為土洞頂板總的破壞力。

土洞在受到來自外部迫其變形的外力的同時，其本身也存在抗變形的作用力，即土洞抗力，這種作用力主要來自頂板以上受力土柱周圍摩阻力及粘土凝聚力，在空間上，可以把土柱視為一個“樁基”，“樁”周側(cè)阻力可參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008），由于“樁”為一個土柱，不同與鋼筋混凝土灌注樁，其各項(xiàng)參數(shù)均有所不同，其極限側(cè)阻力一般取規(guī)范值值的一半，據(jù)我院長期積累的工程實(shí)例及治理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合有關(guān)資料介紹，土洞抗力大小可按下式計(jì)算：

其中：F：土洞抗力，單位KN；

γi:第i層土重度，單位KN/m3；

L：第i層土柱高度，m；

b：土柱橫截面積直徑，為土洞最大平面投影值，m；

θ：土體內(nèi)摩擦角，單位°。

π：K計(jì)算式中為弧度，180°，其它為常數(shù)3.14:

H:洞頂以上土層厚度，m。

理論上，當(dāng)洞頂板受到的破壞力大于土洞抗力時，土洞頂板會塌陷；當(dāng)二者相等時，處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)小于土洞抗力時處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于以上計(jì)算并未計(jì)入人類活動、地震等外力，所以在評價(jià)時，應(yīng)取2的安全系數(shù)，地面因素對土洞的影響隨深度的增加而減小，所以當(dāng)土洞埋深大于25m時，安全系數(shù)取值可適當(dāng)降低。

3　土洞的的處理

對于穩(wěn)定的土洞，結(jié)合土洞分布位置及發(fā)展趨勢，若土洞處于穩(wěn)定狀態(tài)，可不加處理，對于穩(wěn)于極限平衡或不穩(wěn)定的土洞，應(yīng)采取相應(yīng)的處理措施，根據(jù)我院多年的成功經(jīng)驗(yàn)，土洞的處理一般采取如下措施：

3.1換填法

當(dāng)土洞埋深不大，且洞內(nèi)為軟流塑粉質(zhì)粘土充填，洞內(nèi)地下水與外部地下水水力聯(lián)系密且，此時如采用注漿法，往往出現(xiàn)此處注漿，他處溢漿的現(xiàn)象，且注漿后，地下水徑流條件改變，易產(chǎn)生新的不穩(wěn)定因素，在查明土洞周邊水文地質(zhì)條件后，可采取換填處理，此時不應(yīng)對洞內(nèi)地下水進(jìn)行抽排，可采用級配良好的礫砂等加以充填。

3.2注漿加固

對于洞內(nèi)地下水與外部地下水水力聯(lián)系不大，且埋藏較深的土洞可采用注漿加固處理方法，處理時在洞體上部可預(yù)鉆二至三個鉆孔，其中一孔由洞底開始注漿，另二孔可作為排水孔，注漿至排水孔內(nèi)出現(xiàn)返漿時為止，等水泥漿初凝后，再次鉆孔重復(fù)注漿，直至土洞全充填為止。

3.3梁、板跨越法

此方法適用于上述二者示適用的場地，采用厚、長、寬度合適的筏板、橫梁跨越土洞，將建筑物荷載轉(zhuǎn)至土洞外部堅(jiān)實(shí)的地基持力層中，板的厚度及配筋應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定。

3.4樁基礎(chǔ)

對于高層建筑或當(dāng)對土洞處理后，地基承載力仍不能滿足設(shè)計(jì)要求時，可采用沖鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，將上部荷載傳至下部穩(wěn)定的基巖持力層中，上部土洞無需專項(xiàng)治理，可在成樁過程加以沖充，需要說明的是，在成樁過程極易因施工影響產(chǎn)生塌落，所以施工前應(yīng)做好預(yù)防措施，如在孔口鋪設(shè)鋼板或加長橫梁，

4　結(jié)論

在灰?guī)r地區(qū)，當(dāng)土洞較發(fā)育時，首選取要查明土洞發(fā)育特征、水文地質(zhì)條件，判定土洞的穩(wěn)定性，對不穩(wěn)定的土洞采取換填、注漿、梁板跨越或樁基礎(chǔ)進(jìn)行處理；以上結(jié)論僅對我院所處地區(qū)進(jìn)行了總結(jié)，對其它地區(qū)有待進(jìn)一驗(yàn)證，不足之處請指正。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)[M].

[2]《地下水動力學(xué)》（西安地質(zhì)學(xué)院、成都地質(zhì)學(xué)院）

作者簡介：李廣明(1962-)，男，大專，山東東平人，工程師，主要從事工程地質(zhì)技術(shù)工作。