強(qiáng)巖溶場(chǎng)地巖土工程勘察關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

程 宇 龍 舉 文 秀

(1.貴州省地礦局111地質(zhì)大隊(duì),貴州 貴陽(yáng) 550008； 2.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550008)

貴州省地形地貌多變，地質(zhì)條件復(fù)雜，是我國(guó)巖溶最發(fā)育的地區(qū)之一。通常巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)不宜建筑，但隨著西部大開(kāi)發(fā)和城鎮(zhèn)化的深入推進(jìn)，土地資源變得稀缺而寶貴，越來(lái)越多的建筑不得不在強(qiáng)巖溶發(fā)育的場(chǎng)地上修建，這就要求勘察工作和方法要具備有效性和多樣性。因此，在強(qiáng)巖溶場(chǎng)地的地質(zhì)勘察中除采用常規(guī)的勘察方法外，還得采用一些有效的技術(shù)方法。本文以貴陽(yáng)綠地伊頓公館項(xiàng)目A1號(hào)樓巖土工程勘察為例，淺析強(qiáng)巖溶場(chǎng)地巖土工程勘察關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用。

1 工程概況

綠地伊頓·公館項(xiàng)目位于貴陽(yáng)市白云區(qū)艷山紅鎮(zhèn)新鋪村，地處貴陽(yáng)市西北城區(qū)。A1號(hào)樓地上為33層，地下2層，最大單柱荷載為16 000 kN/柱，采用框剪結(jié)構(gòu)，擬采用樁基礎(chǔ)。

1.1 地層巖性

場(chǎng)區(qū)地表主要分布第四系(Q)，厚度6.5 m～28.9 m；下伏地層為三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)薄～中厚層狀灰?guī)r。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

場(chǎng)區(qū)地跨揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)中黔北臺(tái)隆和黔南臺(tái)陷構(gòu)造單元，構(gòu)造變形復(fù)雜，燕山運(yùn)動(dòng)形成區(qū)內(nèi)構(gòu)造骨架，早期主要形成經(jīng)向構(gòu)造體系，晚期主要形成新華夏(北東向)構(gòu)造體系。這兩大構(gòu)造體系控制了地層巖性的分布格局和區(qū)域地貌輪廓。場(chǎng)地南側(cè)約200 m處有一東西向斷裂通過(guò)，受斷裂影響局部地段形成破碎帶。地層產(chǎn)狀為89°∠54°。

1.3 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地下水為松散巖類(lèi)孔隙水和基巖裂隙水及碳酸鹽巖裂隙溶洞水兩大類(lèi)型。其中松散巖孔隙水賦存于第四系松散層的孔隙中，動(dòng)態(tài)變化大，無(wú)統(tǒng)一水位；基巖裂隙水及碳酸鹽巖巖溶水含水巖組為三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)灰?guī)r，主要賦存、富集、運(yùn)移于灰?guī)r溶洞—管道、溶蝕裂隙—溶洞中，以管狀、網(wǎng)狀流為主。場(chǎng)地地下水水量豐富但含水不均勻，在北側(cè)麥架河一帶以大泉形式集中排泄。

2 勘察方法與關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與分析

2.1 工程地質(zhì)測(cè)繪

工程地質(zhì)測(cè)繪主要是對(duì)場(chǎng)地及其周?chē)乇矸炙畮X以?xún)?nèi)的地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等進(jìn)行工程地質(zhì)測(cè)繪，實(shí)測(cè)巖溶場(chǎng)區(qū)內(nèi)各種性質(zhì)結(jié)構(gòu)面、節(jié)理面的傾向、傾角；調(diào)查巖溶場(chǎng)區(qū)內(nèi)各種不同性質(zhì)水點(diǎn)的分布狀況，分析確認(rèn)它們是否與暗河系有關(guān)，調(diào)查要結(jié)合地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造，分析巖溶地下水的補(bǔ)給、徑流及排泄條件，通過(guò)對(duì)地下巖溶管道的追索，把地面各種不同性質(zhì)水點(diǎn)之間的關(guān)系和地下水系的補(bǔ)給條件搞清楚，測(cè)量洞穴頂板厚度及結(jié)構(gòu)面傾向、傾角，搞清楚洞穴的不同形態(tài)與地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系，分析工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件為巖溶發(fā)育提供了哪些有利條件。該項(xiàng)目的野外工程地質(zhì)測(cè)繪采用“S”形線路法穿越測(cè)繪場(chǎng)地，沿途詳細(xì)觀察地質(zhì)情況，把地質(zhì)界線，巖層產(chǎn)狀和各種不良地質(zhì)作用測(cè)繪在地形圖上，詳見(jiàn)圖1。

場(chǎng)地多處有石牙、石筍、洞穴、巖溶洼地、落水洞發(fā)育，通過(guò)調(diào)查地表物質(zhì)組成、地貌類(lèi)型及形態(tài)特征，可劃分確定場(chǎng)地微地貌單元為巖溶盆地。場(chǎng)地南側(cè)約200 m處有一東西向斷裂通過(guò)，受斷裂影響形成破碎帶，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體中主要有兩組節(jié)理發(fā)育，第一組產(chǎn)狀25°∠30°，鈣質(zhì)膠結(jié)，張開(kāi)度1 m～3 m，巖體體結(jié)構(gòu)面數(shù)為5條/m3～8條/m3；第二組產(chǎn)狀190°∠70°，張開(kāi)度大于3 mm，表面粗糙，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖體體結(jié)構(gòu)面數(shù)為6條/m3～10條/m3，地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育為場(chǎng)地巖溶發(fā)育跨度大、深度大提供了有利條件。場(chǎng)地總體由南向北傾斜，地下水由大氣降水補(bǔ)給，地表水通過(guò)地表入滲，在溶蝕裂隙、溶溝、巖溶洼地、漏斗垂向補(bǔ)給后下滲到一定深度，以集中的管狀流各分散的網(wǎng)狀流形式從南向北徑流，地下水在常年動(dòng)態(tài)變化下，隨著補(bǔ)給、徑流、排泄等水力作用，為巖溶的形成提供了必要的水力條件。

2.2 工程鉆探

工程鉆探是巖溶地基勘察工作的主要手段，通過(guò)鉆探用以查明鉆孔處以及場(chǎng)地的地層變化情況，獲取準(zhǔn)確可靠的巖土信息。同時(shí)也是對(duì)物探測(cè)試發(fā)現(xiàn)的異常地段或不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

項(xiàng)目所在場(chǎng)地基巖屬純碳酸鹽類(lèi)巖石，基巖起伏大，溶洞發(fā)育跨度大，深度大等特點(diǎn)，工程鉆探按一柱一孔布置，根據(jù)建筑上部荷載結(jié)合場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，鉆探進(jìn)入基底下完整基巖深度不小于10 m，遇巖溶洞或基巖面高差起伏較大地段，鉆探深度作加深處理。根據(jù)鉆探資料揭露，場(chǎng)地發(fā)育的巖溶洞隙主要表現(xiàn)為順層裂隙溶洞、溶槽、溶溝等，局部地段有深切溶槽、溶溝發(fā)育。該項(xiàng)目A1棟勘察施工鉆孔114個(gè)，有50個(gè)鉆孔遇巖溶洞隙發(fā)育，鉆孔遇洞率為43.8%，場(chǎng)地巖溶洞隙情況見(jiàn)表1，表2。

表1 巖溶洞隙發(fā)育統(tǒng)計(jì)表

表2 巖溶洞隙大小統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)鉆探數(shù)據(jù)，繪制了研究區(qū)基巖面巖溶發(fā)育三維圖，見(jiàn)圖2。從圖2可直觀了解基巖面巖溶發(fā)育情況，基巖面一般在地面下5 m～20 m左右，場(chǎng)地北側(cè)中部、西南側(cè)及東部存在寬大溶溝、溶槽，其最大發(fā)育寬度達(dá)15 m，發(fā)育長(zhǎng)度達(dá)90 m，發(fā)育深度在地面下40 m左右，場(chǎng)地中部存在獨(dú)立石牙，東部石牙密布。場(chǎng)地基巖層作為建筑基礎(chǔ)持力層，由于巖層?xùn)|傾，受巖層面滑移影響，獨(dú)立石牙及石牙群地基穩(wěn)定性差。另外，由于受溶溝溶槽的切割影響，淺部巖體同樣受巖層面向東滑移影響，直觀分析和定性評(píng)價(jià)巖溶地基的整體穩(wěn)定性。

2.3 高密度電阻率法

高密度電阻率法與常規(guī)的電阻率法的原理相同，只不過(guò)是在常規(guī)電法的基礎(chǔ)上設(shè)置密度較高的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。場(chǎng)地為強(qiáng)巖溶發(fā)育場(chǎng)地，局部地段70 m才見(jiàn)完整基巖，尋找和發(fā)現(xiàn)地場(chǎng)區(qū)內(nèi)的大型溶洞、裂隙、巖體松弛圈等不良地質(zhì)體，并對(duì)不良地質(zhì)體的性質(zhì)、埋深及規(guī)模進(jìn)行推斷，同時(shí)為本場(chǎng)地的不良地質(zhì)成因及防治提供實(shí)物技術(shù)依據(jù)。

本項(xiàng)目在沿?cái)M建物走向方向，布置高精度電法物探勘探線路4條物探線，750 m；工作方法采用三極電測(cè)深裝置，測(cè)點(diǎn)間距為5 m，每測(cè)點(diǎn)最小AB/2=7.5 m，最大AB/2=117.5 m，AB/2間隔為5 m，24層。圖3為剖面反演圖。

根據(jù)高密度電法反演圖對(duì)照工程地質(zhì)剖面圖，發(fā)現(xiàn)地場(chǎng)區(qū)內(nèi)的深切溶槽兩側(cè)巖體基巖完整，未發(fā)現(xiàn)兩巖體有裂隙及巖體松弛圈等不良地質(zhì)體存在，影響溶槽兩側(cè)巖體的穩(wěn)定性的主要因素為巖層順層層面，巖層?xùn)|傾，巖體有可能沿潛面巖層滑面滑移。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)

根據(jù)擬建建筑和場(chǎng)地地質(zhì)條件等情況，宜在建筑場(chǎng)地中對(duì)各巖質(zhì)單元的巖體作現(xiàn)場(chǎng)巖基靜載荷試驗(yàn)，獲取可靠的巖石地基的承載力特征值，以便提出既安全又經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)方案。本場(chǎng)地只有一個(gè)巖質(zhì)單元，為進(jìn)一步準(zhǔn)確挖掘中風(fēng)化灰?guī)r巖質(zhì)地基的地基承載能力，為減小基礎(chǔ)斷面，節(jié)約工程成本，在場(chǎng)地中選擇具有代表性的3個(gè)靜載荷試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)巖質(zhì)地基進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)確定中風(fēng)化灰?guī)r的地基承載力特征值fa=6 500 kPa，而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣室內(nèi)試驗(yàn)，得巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=24.5 MPa，鉆孔超聲波速測(cè)試得巖體波速值Vp=3 917 m/s，室內(nèi)巖塊波速測(cè)試得巖塊波速值Vpo=5 632 m/s，巖體完整性系數(shù)為0.48，查建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范得折減系數(shù)Ψr=0.165，室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算得巖石承載力特佂值fa=4 044 kPa，根據(jù)靜載荷試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析，其基巖承載力特征值提高了40%，大大節(jié)約了工程成本。

2.5 巖體結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)

考慮到深切溶溝對(duì)周邊巖體的影響，周邊巖體可能沿巖體結(jié)構(gòu)面向深切溶溝滑移破壞，為了準(zhǔn)確分析巖溶地基巖體的穩(wěn)定性，在場(chǎng)地中取樣進(jìn)行室內(nèi)巖石結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)(有條件的場(chǎng)地宜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn))，獲取巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ。

為了定量分析地基巖體的穩(wěn)定性，在場(chǎng)地中取得6組巖石進(jìn)行室內(nèi)結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)，主要試驗(yàn)指標(biāo)為結(jié)構(gòu)面的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，據(jù)試驗(yàn)報(bào)告統(tǒng)計(jì)，其試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 巖石抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

取巖體內(nèi)摩擦角折減系數(shù)為0.80，得巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角φ=37.4°，由于巖體主控裂隙為兩組，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度為結(jié)合一般，硬性結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面力學(xué)指標(biāo)為C=90 kPa～130 kPa，Φ=27°～35°，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，取C=100 kPa，Φ=35°。利用結(jié)構(gòu)面參數(shù)及基礎(chǔ)上部荷載16 000 kN/柱，可以理論計(jì)算分析基礎(chǔ)底面應(yīng)加深到哪個(gè)標(biāo)高才能保證地基的穩(wěn)定性。由于地基受臨空面影響呈平面滑動(dòng)，滑面越往下越長(zhǎng)，提供的抗滑力越大，若無(wú)理論計(jì)算參數(shù)，都按最深潛在滑面定性分析，會(huì)有大部分地段基樁超過(guò)30 m以上，局部基礎(chǔ)需加深到60 m～70 m左右，嵌石深度達(dá)30 m～40 m，這就可能造成工程浪費(fèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

強(qiáng)巖溶場(chǎng)地地質(zhì)條件極為復(fù)雜，除了采用常規(guī)勘察手段外，還需采用關(guān)鍵技術(shù)。工程地質(zhì)測(cè)繪是強(qiáng)巖溶地基勘察的先期工作，是對(duì)巖溶地基的初步判斷，同時(shí)對(duì)工程鉆探的布置具有指導(dǎo)意義，工程鉆探是強(qiáng)巖溶地基勘察中最為關(guān)鍵的勘察手段，能了解鉆探深度范圍內(nèi)巖溶的發(fā)育情況及巖石的完整情況，高密度電法與常規(guī)電法的基本原理相同，只是在觀測(cè)中設(shè)置了較高密度的測(cè)點(diǎn)，能發(fā)現(xiàn)地場(chǎng)區(qū)內(nèi)的大型溶洞、裂隙、巖體松弛圈等不良地質(zhì)體，對(duì)場(chǎng)地的不良地質(zhì)成因及防治提供實(shí)物技術(shù)依據(jù)，同時(shí)對(duì)工程鉆探具有指導(dǎo)意義，為了節(jié)約工程成本，更大限度地挖掘地基承載力，在強(qiáng)巖溶地基勘察中布置靜載荷試驗(yàn)具有十分重要的意義，承載力特征值與常規(guī)取樣室內(nèi)試驗(yàn)值會(huì)提高1/3～1/2，可以想象，對(duì)工程成本節(jié)約十分可觀，巖體結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)指標(biāo)為理論分析強(qiáng)巖溶地基穩(wěn)定性提供定量計(jì)算依據(jù)，避免了按定性分析一刀切的標(biāo)準(zhǔn)將所有受臨空面影響的基礎(chǔ)都落到潛在滑面以下而造成工程浪費(fèi)的現(xiàn)象。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和城市建設(shè)的需要，強(qiáng)巖溶地基的勘察將會(huì)使用新的技術(shù)方法，如遙感技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)、空腔掃描、三維激光掃描等手段，這些先進(jìn)手段將會(huì)為強(qiáng)巖溶地基的勘察提供科學(xué)保障、為強(qiáng)巖溶地基穩(wěn)定性分析提供可靠依據(jù)，對(duì)工程成本的節(jié)約具有十分重要意義。