巖溶地區(qū)建設(shè)工程地基溶洞頂板穩(wěn)定性分析

唐合崗 常婷 梁林森 李小明

【摘 ?要】在巖溶發(fā)育地區(qū)工程項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，尤其是建設(shè)房屋建筑、橋梁、道路時(shí)，進(jìn)行建筑樁基礎(chǔ)或橋基、路基等施工前，必須要考慮對(duì)工程項(xiàng)目地基范圍內(nèi)影響工程安全可靠性的溶洞的處理，否則會(huì)出現(xiàn)基礎(chǔ)下沉、開(kāi)裂、塌陷等工程質(zhì)量安全問(wèn)題，對(duì)建筑物或構(gòu)筑物的穩(wěn)定性造成不良影響，直接影響到工程項(xiàng)目的安全性及使用壽命。本文研究了常見(jiàn)的溶洞頂板穩(wěn)定性分析方法，包括定性方法、半定性方法和定量方法，指出了每種方法的特點(diǎn)、適用條件和使用方法，以便在巖溶區(qū)工程項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中根據(jù)需要及使用要求進(jìn)行選擇分析，對(duì)項(xiàng)目各巖溶溶洞頂板情況給出客觀合理的分析結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】巖溶區(qū);建設(shè)工程;溶洞頂板;穩(wěn)定性分析

1.溶洞頂板穩(wěn)定性分析的定性方法

利用定性分析法進(jìn)行溶洞頂板的穩(wěn)定性分析，主要是依據(jù)工程項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，適用于對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性要求不高的工程項(xiàng)目。定性分析方法對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性的分析，主要是依據(jù)巖溶外觀形態(tài)、溶洞頂板厚度及與洞體的洞涇比值大小、溶洞充填情況、當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)勘探資料中關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、強(qiáng)度及與受力方向與巖層走向和裂隙發(fā)育相對(duì)關(guān)系、待建建筑物載荷的大小、抗震設(shè)防要求等進(jìn)行綜合研判，給出各條件下巖溶對(duì)穩(wěn)定是否有利，巖溶頂板是否可以承載建筑物基礎(chǔ)的通用、粗略結(jié)論。

對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析時(shí)，可以根據(jù)常識(shí)性經(jīng)驗(yàn)做出是否有利于待建工程基礎(chǔ)施工的初步判斷，例如，當(dāng)基礎(chǔ)底面以下土層厚度大于3倍單獨(dú)基礎(chǔ)寬度或者6倍條形基礎(chǔ)寬度、且不具備形成土洞或者其他地面變形條件時(shí)，溶洞頂板穩(wěn)定性滿足一般工程項(xiàng)目基礎(chǔ)施工條件[3]，可以在其上進(jìn)行工程項(xiàng)目建設(shè)施工。

實(shí)際使用過(guò)程中可以首先使用這種定性分析方法對(duì)整個(gè)場(chǎng)地或單個(gè)區(qū)域進(jìn)行總體性分析評(píng)價(jià)，也可以對(duì)單個(gè)巖溶溶洞進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，可在定性分析基礎(chǔ)上對(duì)分析評(píng)價(jià)不利的情況可再進(jìn)行詳細(xì)的定量分析，對(duì)于重大項(xiàng)目，僅使用本方法過(guò)于依賴(lài)往常施工經(jīng)驗(yàn)，判斷出來(lái)的結(jié)果只能提供可行性建議，并不能作為施工的準(zhǔn)確依據(jù)，可以作為定量分析法的有效補(bǔ)充。重大工程項(xiàng)目需結(jié)合半定性及定量法進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.溶洞頂板穩(wěn)定性分析的半定性方法

半定性分析方法屬于定性分析方法與定量分析方法的融合，主要是依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)溶洞頂板的穩(wěn)定性特征進(jìn)行觀察和研判，在此基礎(chǔ)上找出影響穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)因素，依據(jù)這些風(fēng)險(xiǎn)因素將溶洞頂板劃分為完整頂板和非完整頂板兩部分，然后利用近似計(jì)算的方法給出頂板穩(wěn)定性的判斷結(jié)論[4]。一般來(lái)說(shuō)，常用的半定性分析法主要有以下幾種。

2.1 荷載傳遞線交匯法

傳統(tǒng)認(rèn)為影響溶洞頂板穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)因素，主要可以歸納為頂板完整程度、頂板空間布局（水平或傾斜）、頂板可見(jiàn)厚度以及溶洞的跨度。利用荷載傳遞線交匯法進(jìn)行穩(wěn)定性判斷時(shí)，首先觀察頂板的空間布局，確定是水平分布還是傾斜分布，然后確定頂板的垂直中線，根據(jù)其上建筑物的重量分布粗略估計(jì)出建筑物的荷載中心線，利用測(cè)角儀器簡(jiǎn)單對(duì)荷載中心線和頂板垂直中線的角度進(jìn)行測(cè)量，最后根據(jù)測(cè)量結(jié)果給出穩(wěn)定性判斷結(jié)果：當(dāng)荷載中心線和頂板垂直中線的夾角大于30°時(shí)，可以認(rèn)為溶洞頂板穩(wěn)定性不能滿足使用要求，否則可以滿足要求[5]。

2.2 厚跨比法

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)溶洞頂板進(jìn)行完整和非完整性劃分，主要是依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素的綜合效應(yīng)，即某一區(qū)域頂板傾斜、厚度較薄、跨度較大時(shí)，往往認(rèn)為是非完整性頂板，否則即是完整性頂板。對(duì)于完整性頂板的穩(wěn)定性分析，可以利用厚跨比法進(jìn)行。利用厚度測(cè)量設(shè)備測(cè)量溶洞頂板的厚度以及建筑物跨越溶洞的長(zhǎng)度，當(dāng)兩者的比值大于1/2時(shí)，可以認(rèn)為頂板穩(wěn)定性是符合要求，也就是在其上進(jìn)行建筑物建設(shè)是安全的，否則即是不安全的。

3.溶洞頂板穩(wěn)定性分析的定量方法

定量方法是較精確的分析方法，能夠給出溶洞頂板穩(wěn)定性是否符合建設(shè)要求的最終結(jié)論，常作為工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)使用。當(dāng)前有很多適用于溶洞頂板穩(wěn)定性分析的定量方法，如數(shù)據(jù)不甚十分精確的情況下，最主要可需采集到巖溶溶洞頂板及洞體的豎向形態(tài)數(shù)據(jù)，可以使用經(jīng)驗(yàn)公式法分析，如使用《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）中巖溶頂板塌陷自行填塞洞體所需的厚度H的計(jì)算公式法（《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）公式6-1-1）[6]。如有更詳細(xì)的力學(xué)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)形態(tài)及水平方向數(shù)據(jù)等情況下，可根據(jù)受力情況進(jìn)行單元力學(xué)分析進(jìn)行溶洞頂板的穩(wěn)定性分析等，如《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）根據(jù)抗彎、抗剪驗(yàn)算結(jié)果評(píng)價(jià)洞室穩(wěn)定性及頂板能抵抗受荷載剪切的厚度計(jì)算等（《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）公式6-1-9）等。

在有詳細(xì)的力學(xué)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)形態(tài)及水平方向數(shù)據(jù)等情況下，利用三維有限單元法結(jié)合溶洞頂板的受力情況，也可采取如下建立有限元模型進(jìn)行溶洞頂板的穩(wěn)定性分析的更精確的方法。

3.1 建立受力計(jì)算模型

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素分析對(duì)溶洞頂板進(jìn)行完整區(qū)域和非完整區(qū)域劃分。進(jìn)行區(qū)域劃分時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)因素的分類(lèi)仍沿用半定性分析法中的方法，但是需要具體的測(cè)量結(jié)果做支撐。在對(duì)頂板傾斜角度、厚度進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑物的荷載力進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建建筑物的BIM模型，通過(guò)三維建模的方法對(duì)其施加在溶洞頂板上的載荷力進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)需要考慮到巖土層豎向的自重應(yīng)力。

3.2 結(jié)合巖石特性做出穩(wěn)定性判斷

巖石的承力水平是由其內(nèi)部特性決定的，水的長(zhǎng)期浸泡必然會(huì)造成巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而導(dǎo)致承力能力下降。在對(duì)溶洞頂板進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分并計(jì)算出單元應(yīng)力大小之后，可以根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果中巖石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，做出穩(wěn)定性判斷結(jié)論。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)區(qū)域單元應(yīng)力值大于巖石承力水平時(shí)，表示該段溶洞頂板不穩(wěn)定，不利于建設(shè)相應(yīng)承載力的建筑物;當(dāng)區(qū)域單元應(yīng)力值小于巖石承力水平時(shí)，表示該段溶洞頂板穩(wěn)定，可以用于建設(shè)相應(yīng)承載力的建筑物。

4.結(jié)論

巖溶地質(zhì)地貌在我國(guó)防范分布，尤其是在西南地區(qū)較為常見(jiàn)。在巖溶地區(qū)進(jìn)行工程項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，需要對(duì)溶洞頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果決定是否可以進(jìn)行建筑物的建設(shè)。本文總結(jié)了常見(jiàn)的溶洞頂板穩(wěn)定性分析方法，包括定性方法、半定性方法和定量方法，每種方法具有不同的適用性，在工程項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中需要根據(jù)使用要求進(jìn)行選擇;很多單位利用定量方法進(jìn)行溶洞頂板穩(wěn)定性分析時(shí)，都會(huì)進(jìn)行復(fù)雜的受力計(jì)算，但是基本步驟依然是圍繞“建立受力計(jì)算模型、進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分和受力計(jì)算、結(jié)合巖石特性做出穩(wěn)定性判斷”進(jìn)行的。在實(shí)際項(xiàng)目使用中，每種方法都需要采集到真實(shí)可靠的依據(jù)數(shù)據(jù)，后續(xù)研究中，根據(jù)具體能采集到的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可對(duì)每一步驟的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，提高穩(wěn)定性分析結(jié)果的可信度。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙明華，張銳，胡柏學(xué)，等. 巖溶區(qū)樁端下伏溶洞頂板穩(wěn)定性分析研究[J]. 公路交通科技，2009，26（9）：21-22.

[2]張成良，劉維正，曾奕珺. 基于尖點(diǎn)突變理論的路基下伏溶洞頂板穩(wěn)定性分析[J]. 公路交通科技，2019（11）：1-4.

[3]工程地質(zhì)手冊(cè)編寫(xiě)委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007