信豐巖溶場(chǎng)地地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

符 勛，彭來明，朱 博

（1.贛南地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，江西 贛州 341000；2.寧波市巖土工程有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

江西省信豐縣普遍分布有碳酸鹽巖，且?guī)r溶較為發(fā)育，近年來，該區(qū)域內(nèi)的工程建設(shè)項(xiàng)目越來越多，由巖溶引發(fā)的巖溶地基的穩(wěn)定性問題也越來越受到人們的關(guān)注。因此，分析和總結(jié)巖溶的形成機(jī)理及發(fā)育特征，評(píng)價(jià)巖溶地基的穩(wěn)定性，分析其對(duì)工程建設(shè)的影響，提出合理的地基處理措施及基礎(chǔ)選型方案，對(duì)工程建設(shè)有著重要的意義。本文以工程實(shí)例對(duì)巖溶的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了分析，對(duì)場(chǎng)地地基穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

1 研究區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律

據(jù)本地區(qū)工作資料，研究區(qū)巖溶總體發(fā)育程度屬中～強(qiáng)烈發(fā)育，但由于地層組合、斷裂構(gòu)造以及裂隙的發(fā)育程度、地形切割程度等的差異，使得巖溶分布各處不盡相同，主要表現(xiàn)在地表及地下巖溶分布的不均勻特性。

1.1 地表巖溶發(fā)育特征

研究區(qū)為覆蓋型巖溶盆地，上覆地層為粉質(zhì)黏土，區(qū)內(nèi)的地表巖溶并不發(fā)育。

1.2 地下巖溶發(fā)育特征

研究區(qū)西北側(cè)地下巖溶較發(fā)育，表現(xiàn)形式有溶孔、溶縫、溶洞等。溶縫、溶孔等微觀溶蝕現(xiàn)象在場(chǎng)區(qū)常見，孔徑一般2～5 cm。溶洞在場(chǎng)區(qū)不同部位形態(tài)有所差異。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的溶洞主要表現(xiàn)為地下的隱伏溶洞，分布規(guī)模較大，數(shù)量較多。據(jù)勘探鉆孔資料顯示，研究區(qū)內(nèi)施工的178個(gè)鉆孔中揭露有溶洞的鉆孔有117個(gè)，揭露溶洞183個(gè)，見洞率為63.9%，其中發(fā)育有2個(gè)及以上溶洞的鉆孔個(gè)數(shù)為48個(gè)，占見溶洞鉆孔數(shù)量的41.0%（見表1）。

表1 部分鉆孔溶洞統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of karst caves in some boreholes

在所揭露的溶洞中，洞高最小的 0.2 m，最大的20.3 m。其中洞高0.2～1.0 m的溶洞52個(gè)，占總數(shù)28.4%；洞高1.0～2.0 m的31個(gè)，占16.9%；洞高 2.0～5.0 m的 58個(gè)，占 31.7%；洞高 5.0～10.0 m的21個(gè)，占11.5%；洞高大于10 m的21個(gè)，占11.5%。溶洞頂板為灰?guī)r，大部分溶洞發(fā)育在基巖面附近的位置，頂板埋深與基巖埋深相距不大。

2 巖溶地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

巖溶對(duì)地基穩(wěn)定性的影響主要包括地基發(fā)生不均勻沉降、地基巖層沿傾向臨空面的軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)、由較復(fù)雜的水文地質(zhì)條件導(dǎo)致新的工程地質(zhì)問題等[1]。因此，在巖溶區(qū)進(jìn)行巖土工程活動(dòng)需要事先進(jìn)行巖溶地基的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[2]。

巖溶地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)由場(chǎng)地評(píng)價(jià)與單體評(píng)價(jià) 2部分組成[3]。前者按照巖溶的發(fā)育強(qiáng)度，在場(chǎng)地范圍內(nèi)劃分出不同穩(wěn)定性的地段，從整體上分析場(chǎng)地的適宜性和穩(wěn)定性；后者分析單體巖溶的形態(tài)和特征，確定局部的穩(wěn)定性，有定性與半定量2種方法。

2.1 場(chǎng)地評(píng)價(jià)

根據(jù)區(qū)域資料及地質(zhì)勘察資料可知，研究區(qū)的巖性特征和地下水特征均非常有利于巖溶的發(fā)育，區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖溶屬于亞熱帶巖溶，巖溶的總體發(fā)育程度屬中～強(qiáng)烈發(fā)育。研究區(qū)地基屬于覆蓋型巖溶地基，進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)需同時(shí)考慮上部建筑荷載與土洞的共同作用[4]。

研究區(qū)內(nèi)的地表巖溶并不發(fā)育，而地下巖溶卻十分發(fā)育，在勘察深度48.08 m內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的呈水平層狀發(fā)育的隱伏溶洞。溶洞大部分為全填充，充填物主要為可塑狀黏土，含少量砂、礫石及灰?guī)r碎塊。研究區(qū)場(chǎng)地地基整體穩(wěn)定性較差，局部差。

2.2 單體評(píng)價(jià)

通過場(chǎng)地評(píng)價(jià)，研究區(qū)場(chǎng)地地基整體穩(wěn)定性較差，需進(jìn)行地基處理并采取適宜的基礎(chǔ)型式才可進(jìn)行擬建工程的建設(shè)。由于巖溶在研究區(qū)的地下分布各處不盡相同，因此，對(duì)于研究區(qū)巖溶的單體評(píng)價(jià)十分重要。這里選取3個(gè)典型地質(zhì)剖面（見圖1～3）共 15個(gè)的鉆孔信息以及水文地質(zhì)勘察信息來進(jìn)行場(chǎng)地的地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

圖1 地質(zhì)剖面2-2?圖Fig.1 Geological profile map 2-2?

圖2 地質(zhì)剖面10-10?圖Fig.2 Geological profile map 10-10?

圖3 地質(zhì)剖面14-14?圖Fig.3 Geological profile map 14-14?

（1）定性評(píng)價(jià)

定性評(píng)價(jià)適用于初勘階段選擇場(chǎng)地及一般工程地基穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法主要有綜合分析法和經(jīng)驗(yàn)比擬法。

1）評(píng)價(jià)方法

（A）綜合分析法。根據(jù)巖溶洞隙各項(xiàng)邊界條件，如溶洞大小、形狀，頂板厚度及巖性，裂隙狀況、巖層產(chǎn)狀、洞穴形態(tài)及埋藏條件、地下水、上覆土層情況等條件，對(duì)比《巖土工程手冊(cè)》[5]中所列的諸因素進(jìn)行綜合分析并作出評(píng)價(jià)。

（B）經(jīng)驗(yàn)比擬法。由于涉及巖溶問題的公路、鐵路、橋梁、隧道與民用建筑以及大型的水利水電樞紐壩基等工程實(shí)例較多，經(jīng)驗(yàn)比擬法是根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的工程地質(zhì)條件，與條件相似的已有成功或失敗工程實(shí)例進(jìn)行類比評(píng)價(jià)[6]。

根據(jù)上述方法，對(duì)3個(gè)典型地質(zhì)剖面進(jìn)行巖溶地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。3個(gè)地質(zhì)剖面巖溶地基穩(wěn)定性的定性評(píng)價(jià)見表2。

2）評(píng)價(jià)結(jié)果

從表2中可以看出，場(chǎng)地的巖性及厚度、溶洞的充填情況均對(duì)地基的穩(wěn)定性有利，而裂隙狀況、洞穴形態(tài)及埋藏條件及地下水條件均對(duì)地基的穩(wěn)定性不利。在所有的7項(xiàng)指標(biāo)中，剖面2-2?有4個(gè)不利因素，剖面10-10?有5個(gè)不利因素，剖面14-14?有3個(gè)不利因素。因此，定性評(píng)價(jià)的角度看，剖面14-14?的相對(duì)穩(wěn)定性最好，剖面 2-2?次之，剖面10-10?最差。

表2 3個(gè)地質(zhì)剖面巖溶地基穩(wěn)定性的定性評(píng)價(jià)Table 2 Qualitative evaluation of stability of karst foundation in three geological sections

（2）半定量評(píng)價(jià)

1）評(píng)價(jià)方法

（A）溶洞頂板坍塌堵塞法

該方法適用于碳酸鹽巖體淺部有隱伏溶洞的地基[7]。其基本原理是坍塌后溶洞頂板巖體的體積會(huì)發(fā)生松脹，當(dāng)坍塌向上發(fā)展至一定高度時(shí)，洞體可被坍落的巖體堵塞，此時(shí)便可認(rèn)為溶洞頂板已穩(wěn)定。溶洞坍塌的高度Z的計(jì)算式為：

式中：H0為溶洞高度；K為巖石的松脹系數(shù)（灰?guī)r取 1.2）。

當(dāng)計(jì)算出的Z小于洞頂板實(shí)際厚度時(shí)，可認(rèn)為地基是穩(wěn)定的。

（B）覆蓋型巖溶地基計(jì)算模型

對(duì)于覆蓋型巖溶地基穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，不僅需要考慮土洞本身，還需要考慮上部建筑物荷載，用它們的共同作用來評(píng)價(jià)[8]。其計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 覆蓋型巖溶地基穩(wěn)定性計(jì)算模型圖（σcz為自重應(yīng)力，σz為附加應(yīng)力）Fig.4 Calculation model diagram of stability of covered karst foundation

對(duì)于特定的建筑物荷載，處于極限狀態(tài)的上覆土層厚度Hk為：

式中：h為土洞的高度；z為基礎(chǔ)底板以下建筑物荷載的有效影響深度；D為基礎(chǔ)砌置深度。

對(duì)于上述計(jì)算模型可作如下3種情況的討論：

A）當(dāng)H＞Hk時(shí)，說明上覆土層較厚，雖然在上部有建筑物荷載的作用，下部也有土洞的影響，但此時(shí)地基是穩(wěn)定的。

B）當(dāng)H＜Hk時(shí)，地基是不穩(wěn)定的。此時(shí)又可分為2種情況。

a）土洞在建筑物興建之前就已形成時(shí)，若土洞處于待建建筑物荷載的有效影響深度z的范圍內(nèi)，其極限平衡狀態(tài)將被打破，土洞會(huì)發(fā)生坍塌，對(duì)地基穩(wěn)定性不利。

b）土洞在建筑物興建之后才形成時(shí)，相對(duì)穩(wěn)定的地基將在土洞的影響下降低其原有的穩(wěn)定性，如果發(fā)生地基沉降，則會(huì)影響上部建筑和地基的穩(wěn)定性。

C）當(dāng)H＜h時(shí)，即上覆土層較薄時(shí)，僅土洞的發(fā)展就可破壞地基的穩(wěn)定性，導(dǎo)致地面塌陷。此時(shí)已建工程需搬遷，擬建工程須繞避。

2）評(píng)價(jià)過程

（A）本次勘察過程探明了每個(gè)溶洞的高度及頂板厚度情況，因此根據(jù)溶洞頂板坍塌堵塞法，按照所給公式進(jìn)行分析，結(jié)合3個(gè)地質(zhì)剖面溶洞高度溶洞頂板厚度進(jìn)行巖溶地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)其相對(duì)穩(wěn)定性大小。3個(gè)地質(zhì)剖面巖溶地基穩(wěn)定性半定量評(píng)價(jià)情況見表3。

表3 3個(gè)地質(zhì)剖面巖溶地基穩(wěn)定性半定量評(píng)價(jià)Table 3 Semi-quantitative stability evaluation of karst foundation in three geological sections

（B）因研究區(qū)地基類型為覆蓋型巖溶地基，因此也可用覆蓋型巖溶地基計(jì)算模型的方法直接進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于3個(gè)剖面的鉆孔均未揭露到土洞的發(fā)育，而在場(chǎng)區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)勘察時(shí)，鉆孔ZK1及ZK2揭露了土洞（見表4）。因此，覆蓋型巖溶地基計(jì)算模型法以鉆孔ZK1及ZK2的信息進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表4 鉆孔ZK1及ZK2信息表Table 4 Information of borehole ZK1 and ZK2

3）評(píng)價(jià)結(jié)果

（A）溶洞頂板坍塌堵塞法的評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)溶洞頂板坍塌堵塞法計(jì)算每個(gè)鉆孔溶洞的Z值，再將Z值與各溶洞的頂板高度進(jìn)行比較，判斷每個(gè)溶洞的穩(wěn)定性。并計(jì)算溶洞坍塌的平均高度Z，與頂板的平均厚度作比較，判斷每個(gè)計(jì)算剖面巖溶地基的相對(duì)穩(wěn)定性大小。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出，除鉆孔ZK57的第2個(gè)鉆孔的Z值小于頂板厚度，處于穩(wěn)定狀態(tài)外，其余溶洞均處于不穩(wěn)定狀態(tài)；各剖面的溶洞坍塌平均高度Z也均比頂板平均厚度大，因此，各剖面也都處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表5 溶洞穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 5 Stability results of karst cave

若以Z與頂板平均厚度的比值作為判斷相對(duì)穩(wěn)定性的依據(jù)，可以看出剖面14-14?的相對(duì)穩(wěn)定性最好（比值為 4.13），剖面 10-10?次之（比值為 12.12），剖面2-2?由于鉆孔ZK39揭露的溶洞非常大，因此其比值最大，為 36.22，故其相對(duì)穩(wěn)定性最差。這與定性評(píng)價(jià)的結(jié)果略有不同。

（B）覆蓋型巖溶地基計(jì)算模型的評(píng)價(jià)結(jié)果

A）鉆孔ZK1

由表4可以看出，鉆孔 ZK1的上覆土層厚度H=14.20 m，土洞高度h=1.90 m。根據(jù)公式，當(dāng)鉆孔上部的基礎(chǔ)砌置深度 D與基礎(chǔ)底板以下建筑物荷載的有效影響深度 z之和小于土洞的埋置深度（即H-h）時(shí)，可認(rèn)為該條件下的巖溶地基是穩(wěn)定的，即當(dāng)鉆孔ZK1上的D+z＜12.30 m時(shí)，地基是穩(wěn)定的。

B）鉆孔ZK2

由表4可以看出，鉆孔 ZK2的上覆土層厚度H=13.40 m，土洞高度h=1.80 m。根據(jù)公式，當(dāng)鉆孔上部的基礎(chǔ)砌置深度 D與基礎(chǔ)底板以下建筑物荷載的有效影響深度 z之和小于土洞的埋置深度（即H-h）時(shí)，可認(rèn)為該條件下的巖溶地基是穩(wěn)定的，即當(dāng)鉆孔ZK2上的D+z＜11.60 m時(shí)，地基是穩(wěn)定的。

3 結(jié) 語

信豐巖溶地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)包括場(chǎng)地評(píng)價(jià)和單體評(píng)價(jià)2種，即整體評(píng)價(jià)和局部評(píng)價(jià)。整體評(píng)價(jià)通常采用定性評(píng)價(jià)方法為主，從巖溶分布的總體規(guī)律和特征對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，通過相關(guān)資料分析結(jié)果，研究區(qū)的場(chǎng)地為不均勻地基，穩(wěn)定性較差。結(jié)合各單位分布和發(fā)育特征，可采用定性和半定量2種方式對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。從定性評(píng)價(jià)的角度，可以建立由巖性及厚度、裂隙狀況、巖層產(chǎn)狀、洞穴形態(tài)及埋藏條件、頂板情況、充填情況及地下水條件等7項(xiàng)指標(biāo)組成的評(píng)價(jià)體系對(duì)巖溶地基穩(wěn)定性進(jìn)行初步的評(píng)價(jià)；而從半定量角度看，可按照溶洞頂板坍塌堵塞法對(duì)巖溶地基穩(wěn)定性進(jìn)行初步的評(píng)價(jià)。為更有利于指導(dǎo)工程建設(shè)，通常采用2種方法結(jié)合的方式對(duì)單體穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過整體評(píng)價(jià)和局部評(píng)價(jià)可以對(duì)巖溶地基穩(wěn)定性進(jìn)行初步的評(píng)價(jià)和認(rèn)識(shí)，對(duì)工程建設(shè)能夠起到一定的指導(dǎo)作用，為后續(xù)結(jié)合物探、有限元數(shù)值分析法等方法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)巖溶地基穩(wěn)定性提供了方向和資料基礎(chǔ)。