巖溶空洞軟弱地基穩(wěn)定性分析與加固處理*

商 治，傅志強(qiáng)，宗 雷，楊 濤

(1．中鐵置業(yè)(廣州)有限公司，廣東 廣州 510540；2.西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化水平的不斷提高，在巖溶場地建設(shè)的高層建筑也越來越多。巖溶不良地質(zhì)內(nèi)沿地基不同深度處往往分布較多溶洞或土洞，建設(shè)工程極易在施工階段或正式運(yùn)營階段產(chǎn)生地面塌陷、不均勻沉降及地基滑動等災(zāi)害[1-3]。國內(nèi)學(xué)者就巖溶空洞軟弱地基的穩(wěn)定性展開了大量研究，陳國亮等[4]對巖溶空洞軟弱地基失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析研究，并提出保護(hù)措施；楊立中等[5]提出薄頂板無充填溶洞力學(xué)系統(tǒng)，研究無充填薄頂板溶洞的穩(wěn)定性；趙衡等[6]提出路基溶洞簡化分析模型，利用有限元軟件對溶洞進(jìn)行應(yīng)力分析；李忠銘[7]分析某橋基巖體溶洞頂板穩(wěn)定性的影響因素，得出各橋墩溶洞頂板在巖土體自重及外荷載作用下的穩(wěn)定情況。目前對巖溶空洞軟弱地基穩(wěn)定性的研究逐漸增多，并取得大量成果，但土(溶)洞深埋于地下，發(fā)育沒有明顯規(guī)律，且?guī)r溶空洞軟弱地基的穩(wěn)定性分析具有特殊性，受場地實(shí)際情況制約。因此，針對具體工程加強(qiáng)巖溶地基穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價，采用合理的巖溶空洞軟弱地基加固處理技術(shù)，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面對指導(dǎo)實(shí)際工程建設(shè)都具有重大意義。

本文以依托工程39號地塊巖溶地質(zhì)作為研究對象，對項(xiàng)目場地的地形地貌、巖土工程特征、水文地質(zhì)條件和水土腐蝕性進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件采用高密度電法等地球物理勘探方法查明項(xiàng)目工程場地溶洞與土洞的發(fā)育分布情況。采用定性分析評價、半定量分析評價和模糊綜合評價得出該場地巖溶地基穩(wěn)定性。針對該工程巖溶發(fā)育情況，提出高壓旋噴樁處理措施，以期為類似地質(zhì)條件下的工程建設(shè)提供參考。

1 巖溶空洞軟弱地基穩(wěn)定性影響因素和分析方法

1.1 穩(wěn)定性影響因素

巖溶空洞軟弱地基的穩(wěn)定性與諸多因素有關(guān)[8]，主要包括：①巖溶空洞發(fā)育程度 指溶洞和土洞的頂板厚度及完整度，溶洞和土洞的形態(tài)、大小、埋深距離及填充狀況；②場地地質(zhì)構(gòu)造狀況 指可溶性巖石與外部非溶性巖石的接觸狀況、斷層發(fā)育狀況、溶洞圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育狀況及褶皺發(fā)育狀況；③地下水活動 指巖溶承壓水量、水位標(biāo)高及水量變化幅度；④場地地層巖性 指上覆土層厚度、層巖強(qiáng)度與產(chǎn)狀、層巖類型及其風(fēng)化程度、層巖變形模型；⑤上部荷載 指建筑物自重及附加質(zhì)量、層巖自重、交通荷載、地下水浮力、施工爆破、相關(guān)動力荷載等。

1.2 穩(wěn)定性分析方法

1)常用分析方法 目前，巖溶空洞軟弱地基穩(wěn)定性分析方法主要分為定量分析法、半定量分析法和定性分析法3大類[8]。

2)模糊綜合分析法 模糊邏輯系統(tǒng)，簡稱模糊系統(tǒng)，是一種基于專家知識的推理方法，其組成如圖1所示。地基穩(wěn)定性模糊綜合評價是從模糊系統(tǒng)出發(fā)，考慮多種影響因素，將鉆探和物探結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槟：Z言描述的綜合評價方法。

圖1 模糊系統(tǒng)組成

模糊綜合評價法評價地基穩(wěn)定性的具體步驟為：①分析判斷影響巖溶地基的穩(wěn)定性因素有哪些，判斷因素屬于離散型還是連續(xù)型，確定評判指標(biāo)體系，建立巖溶地基穩(wěn)定性的評語級；②根據(jù)因素類型(離散型、連續(xù)型)和因素的數(shù)據(jù)分布特征確定評判隸屬度與隸屬函數(shù)；③確定各因素的權(quán)重值，具體方法有專家評分法、灰色關(guān)聯(lián)因素法、層次分析法等；④根據(jù)模糊數(shù)學(xué)綜合評判理論對巖溶地基穩(wěn)定性進(jìn)行評價，得出其安全級別。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目場地概況

依托工程場地39號地塊位于廣州市白云區(qū)江高鎮(zhèn)，東臨廣花路。39號地塊位于項(xiàng)目東北部，紅線用地面積18 901.4m2，計劃建4棟高層住宅(高17，31層各2棟)、4棟1層商業(yè)樓，并配備1棟1層配電房。設(shè)計室外地坪標(biāo)高12.900m，工程對差異沉降敏感，工程重要性等級為二級。

場地原始地貌為沖洪積平原，勘察期間場地大部分地段為淤泥渣土堆填，西側(cè)小部分地段為菜地，勘察期間孔口標(biāo)高為9.230～15.220m?，F(xiàn)場地39號地塊已經(jīng)過平整，如圖2所示。

圖2 擬建場區(qū)

2.2 巖土工程特征

根據(jù)前期工程勘察報告，場區(qū)內(nèi)勘探孔揭露地層按鉆探深度可劃分為人工填土層(Qml)、第四系沖洪積層(Qal+pl)及石炭系大理巖(C)。各土層主要特征及分布情況如表1所示。

表1 各土層分布情況及主要特征

2.3 水文地質(zhì)條件及水土腐蝕性

1)水文地質(zhì)條件 場地淺層地下水主要分布于第四系沖洪積中砂②2、粗砂②4、礫砂②6等土層中，水力性質(zhì)為孔隙潛水～孔隙微承壓水，水量豐富，勘察期間水位標(biāo)高約6.000m，年變化幅度1.00m。深層地下水主要分布于石炭系大理巖土洞、溶洞及溶蝕裂隙中，水力性質(zhì)為巖溶承壓水，水量豐富，水位標(biāo)高約5.000m，年變化幅度0.50m。淺層地下水對地下室具有浮托作用，地下室抗浮設(shè)計水位標(biāo)高可取8.000m，抗?jié)B設(shè)防水位標(biāo)高可取室外地坪標(biāo)高以上0.50m。

2)地下水和土的腐蝕性評價 根據(jù)所取地下水樣分析結(jié)果，pH值為6.19～7.82，侵蝕性CO2含量為0～23.57mg/L，C1-含量為19.88～44.55mg/L，SO42-含量為32.85～190.84mg/L，Mg2+含量為4.03～7.25mg/L， 總礦化度為204.46～553.84mg/L。根據(jù)所取土樣易溶鹽分析結(jié)果，pH值6.49～7.38，C1-含量為33.41～47.68mg/kg。根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)[9]，按強(qiáng)透水層及Ⅱ類環(huán)境類型考慮，綜合評定場地地下水及地下水位以上的土對混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。

2.4 巖溶地質(zhì)勘察

采用地震映像法及高密度電法等物理探測方法完成17條測線的勘察工作，共推斷159處物理探測異常，其中土洞發(fā)育區(qū)異常共53處，巖溶發(fā)育區(qū)異常共106處，各測線溶(土)洞分布如表2所示。

表2 推斷巖溶(土)洞分布

3 場地地基穩(wěn)定性評價

3.1 定性評價

依托工程場地的特殊性巖土為雜填土①，場地大部分地段主要成分為黏性土，土質(zhì)均勻性較差、工程性質(zhì)較差、壓縮性高、承載力低、厚度不均，根據(jù)勘察結(jié)果，39號地塊場地不良地質(zhì)作用為巖溶，土洞和溶洞見孔率約80.5%，大部分為1層土洞和溶洞，少量為多層土洞和溶洞。土洞③1最大洞高41.60m，最小洞高1.80m，平均洞高12.40m。第1層溶洞③3最大洞高26.10m，最小洞高0.90m，平均洞高5.31m；第2層溶洞③5最大洞高19.70m，最小洞高3.70m，平均洞高8.70m。土洞和溶洞埋藏較深且成片分布，洞體規(guī)模大但洞內(nèi)充填物少(多為浮泥)，少量為軟塑狀黏性土充填或無充填。洞內(nèi)綜上所述，39號地塊場地的空洞軟弱地基在自然狀態(tài)下穩(wěn)定性較好，發(fā)生坍塌的可能性小，但在挖填方施工或整體施工結(jié)束后的運(yùn)營階段，土洞和溶洞易使地面產(chǎn)生塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，對工程安全產(chǎn)生不利影響，這是本場地工程建設(shè)需重點(diǎn)考慮的問題。

3.2 半定量評價

采用基于規(guī)范的半定量法對159處物探異常的土洞和溶洞進(jìn)行穩(wěn)定性評價，評價標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)

基于半定量法，159處土(溶)洞中判定不穩(wěn)定的有98處，考慮篇幅有限，僅列出10處判定結(jié)果為不穩(wěn)定的典型土洞和溶洞，如表4所示。由表4可知，雖依托工程項(xiàng)目場地土洞和溶洞埋深較大，但土洞和溶洞均具有無填充或半填充、頂板大面積破碎、溶洞或土洞連通的特性。例如，測線編號WE02，R11-1溶洞頂板厚度為25.41m，可初判為穩(wěn)定，但溶洞高度為23.54m且無填充，頂板較破碎，綜合判定結(jié)果為不穩(wěn)定。綜上可知，場地穩(wěn)定性較差，若不經(jīng)處理直接施工，易造成地面塌陷，對工程建設(shè)安全產(chǎn)生不利影響。

表4 場地穩(wěn)定性半定量評價結(jié)果

3.3 模糊綜合評價

以R32-1號溶洞為例，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)綜合評判理論對巖溶地基穩(wěn)定性進(jìn)行評價。R32-1號溶洞地下水作用強(qiáng)烈，頂板厚35.88m，深40.25m，溶洞高16.53m。本節(jié)選取地下水作用、頂板厚度、溶洞高度、頂板完整度、溶洞填充狀況5個因素作為穩(wěn)定性模糊綜合評價考慮因素，溶洞高度可考慮為連續(xù)型變量，其余4個影響因素可考慮為離散型變量。4個離散型影響因素對應(yīng)的隸屬度值如表5所示，對應(yīng)權(quán)重值為地下水作用0.25、頂板厚度0.15、頂板完整度0.20、溶洞填充狀況0.25、溶洞高度0.15。

表5 影響因素的隸屬度值

溶洞高度(x)隸屬度按“降半梯形”的線性函數(shù)取值，穩(wěn)定性特別差(v4)、穩(wěn)定性差(v3)、穩(wěn)定性一般(v2)和穩(wěn)定性好(v1)的隸屬度值為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：a1，a2，a3，a4分別取10，14，18，22m。

R32-1號溶洞高16.53m，帶入式(1)～(4)，可得溶洞高度隸屬度函數(shù)值為穩(wěn)定性特別差=0，穩(wěn)定性差=0， 穩(wěn)定性一般=0.755，穩(wěn)定性好=0.245。

根據(jù)R32-1號溶洞的實(shí)際狀況，可得到實(shí)際隸屬度取值，如表6所示。

表6 實(shí)際隸屬度取值

上述5個穩(wěn)定性影響因素的隸屬度矩陣(R)和權(quán)重矩陣(A)分別為：

(2)

A=(A1A2A3A4A5)=

(0.25 0.15 0.10 0.20 0.30)

(3)

式中：R1，R2，R3，R4，R5分別為地下水作用、頂板厚度、頂板完整度、溶洞填充狀況和溶洞高度的隸屬度；A1，A2，A3，A4，A5分別為地下水作用、頂板厚度、頂板完整度、溶洞填充狀況和溶洞高度的權(quán)重值。

對R32-1號溶洞穩(wěn)定性(S)進(jìn)行評價：

S=(穩(wěn)定性特別差 穩(wěn)定性差

穩(wěn)定性一般 穩(wěn)定性好)=

(0.32 0.225 0.300 8 0.154 3)

(4)

由式(5)的計算結(jié)果可知，R32-1號溶洞穩(wěn)定性特別差，若在該巖溶空洞軟弱地基上進(jìn)行工程建設(shè)，需對該號溶洞進(jìn)行加固處理。采用同樣的模糊綜合評價方法，對39號地塊其余158處物探異常的土洞和溶洞進(jìn)行穩(wěn)定性評價。計算結(jié)果表明，159處物探異常的土洞和溶洞中有106處為不穩(wěn)定狀態(tài)(穩(wěn)定性特別差或穩(wěn)定性差)，比半定量法判定結(jié)果略大，這是由于半定量法未考慮地下水對場地穩(wěn)定性的影響。但兩種方法穩(wěn)定性評判結(jié)果總體呈一致性，證明模糊綜合評價法的有效性。對于復(fù)雜的巖溶空洞軟弱地基，場地穩(wěn)定性的定性評價結(jié)果、基于規(guī)范的半定量法評價結(jié)果及穩(wěn)定性模糊綜合評價結(jié)果存在一定差別，在對類似巖溶空洞軟弱地基進(jìn)行穩(wěn)定性評價時應(yīng)充分考慮各種因素的影響，并采用多種穩(wěn)定性評價方法進(jìn)行綜合分析。

4 依托工程巖溶空洞軟弱地基加固處理

4.1 高壓旋噴樁地基處理技術(shù)

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》，依托工程場地復(fù)雜程度等級為一級，地基復(fù)雜程度等級為一級。場地不良地質(zhì)作用(巖溶)強(qiáng)烈發(fā)育，場地穩(wěn)定性、適宜性較差。因此，亟待選用合適的地基處理方法對場地軟弱地基進(jìn)行處理。

高壓旋噴樁地基處理技術(shù)可改善土體應(yīng)力狀態(tài)，提高地基承載力。其原理主要是充分利用高壓旋噴樁噴射的水泥漿液強(qiáng)化加固影響范圍內(nèi)的軟弱填充物，同時利用旋噴樁周邊排水孔將孔內(nèi)空氣、水體排出，使水泥漿液填充空洞，通過設(shè)置合理的旋噴樁間距，擠密樁間土體，改善物理力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到加固的目的。高壓旋噴樁地基處理技術(shù)具有單樁承載力高、固結(jié)強(qiáng)度高、施工工藝簡單、工期較短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，對依托工程場地巖溶空洞軟弱地基處理有較強(qiáng)的針對性。

典型區(qū)域巖溶空洞軟弱地基處理樁位如圖3所示。

圖3 典型區(qū)域巖溶空洞軟弱地基處理樁位

經(jīng)過多次專家討論并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，可得高壓旋噴樁施工技術(shù)參數(shù)，如表7所示。

表7 高壓旋噴樁施工技術(shù)參數(shù)

采用現(xiàn)行有效的高壓旋噴樁施工設(shè)備，確保施工效果。施工時先施工旋噴樁封閉圈，再施工內(nèi)部和外部。旋噴樁為φ800雙管高壓旋噴樁，旋噴樁封閉圈間距為0.7m，封閉圈內(nèi)間距為1.6m×1.6m，封閉圈外間距為1.7m×1.7m(見圖3a)。高壓旋噴樁壓力≥30MPa，壓縮空氣壓力為0.6～0.8MPa。水泥漿液采用P·O42.5R，水灰比為0.8～1.2，土(溶)洞段水泥用量≥430kg/m。鉆機(jī)就位與設(shè)計位置偏差要求<5cm，垂直度偏差<0.5%。為確保旋噴效果，送漿管距離應(yīng)≤30m。每孔旋噴樁均需全孔下護(hù)壁管，自孔底開始旋噴注漿，注漿過程需全程返漿。若引孔時出現(xiàn)異常情況，可采取復(fù)噴方式加強(qiáng)處理。旋噴樁樁深參照設(shè)計深度，同時結(jié)合引孔反饋的地層情況確定，施工中應(yīng)根據(jù)引孔揭露的實(shí)際地質(zhì)情況調(diào)整樁深。

4.2 處理效果檢驗(yàn)

1)檢驗(yàn)方法 選擇水泥漿液固結(jié)體檢驗(yàn)法、鉆芯檢驗(yàn)和土常規(guī)試驗(yàn)檢驗(yàn)法對本工程巖溶空洞軟弱地基的處理效果進(jìn)行檢測與驗(yàn)證。水泥漿液固結(jié)體檢驗(yàn)要求試塊質(zhì)量滿足設(shè)計要求，土常規(guī)試驗(yàn)要求土樣的壓縮模量≥4MPa，可通過鉆孔取芯的取芯率和芯樣完整性來判斷高壓旋噴樁的加固效果。

2)檢驗(yàn)結(jié)果 ①養(yǎng)護(hù)3，28d的水泥漿液固結(jié)體試塊的抗壓強(qiáng)度平均值分別為17.34，43.85MPa，說明水泥漿液質(zhì)量滿足設(shè)計要求。②從鉆芯效果看，高壓旋噴樁處理過的地基關(guān)鍵區(qū)域鉆孔取芯的取芯率明顯提高，土洞及溶洞發(fā)育加固區(qū)域的取芯率均>90%，說明經(jīng)高壓旋噴樁加固處理，地基完整性、穩(wěn)定性及連續(xù)性均顯著提高。③高壓旋噴樁處理范圍內(nèi)土常規(guī)試驗(yàn)取樣點(diǎn)壓縮模量的最小值為4.61MPa，可滿足設(shè)計對壓縮模量≥4MPa的要求。依托工程39號地塊塔樓范圍內(nèi)土洞和溶洞經(jīng)高壓旋噴樁處理后均得以填充，土洞填充物密實(shí)度較高，無鉆孔泥漿漏失問題，說明高壓旋噴樁加固效果良好。

5 結(jié)語

1)采用基于規(guī)范的半定量法對依托工程39號地塊159處物探異常的土洞和溶洞進(jìn)行穩(wěn)定性評價。159處土(溶)洞中判定結(jié)果為不穩(wěn)定的有98處。依托工程項(xiàng)目場地土洞和溶洞的埋深較大，但土洞和溶洞均具有無填充或半填充、頂板大面積破碎、溶洞或土洞連通的特性，場地穩(wěn)定性較差，若不經(jīng)處理直接施工易造成地面塌陷，對工程建設(shè)安全產(chǎn)生不利影響。

3)采用模糊綜合評價法對依托工程39號地塊159處物探異常的土洞和溶洞進(jìn)行穩(wěn)定性評價，159處物探異常的土洞和溶洞中有106處為不穩(wěn)定狀態(tài)(穩(wěn)定性特別差或穩(wěn)定性差)，比半定量法判定結(jié)果略大，但總體呈一致性，說明了模糊綜合評價法的有效性。

4)為確保施工質(zhì)量，在遵循施工方便、安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的原則下，選用高壓旋噴樁對依托工程39號地塊塔樓范圍內(nèi)的土洞和溶洞進(jìn)行處理，提高地基的物理力學(xué)性能。本文介紹了依托工程高壓旋噴樁加固方案的原理和施工參數(shù)，加固處理效果檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果均表明高壓旋噴樁加固效果良好，結(jié)合依托工程場地地基穩(wěn)定性評價結(jié)果，以期為今后類似場地建設(shè)的項(xiàng)目地基處理提供指導(dǎo)。