貴陽(yáng)某隱伏橫向溶洞地基處理的穩(wěn)定性分析*

張貝貝 伍廷亮 王玉松 晉明超

(1.貴陽(yáng)學(xué)院，貴陽(yáng) 550000；2.貴州大學(xué)，貴陽(yáng) 550000；3.中鐵城建集團(tuán)第一工程有限公司，長(zhǎng)沙 410205)

我國(guó)地域遼闊地質(zhì)復(fù)雜，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑配套的提升，將不可避免在復(fù)雜地基上修建建筑物。貴州作為全國(guó)碳酸鹽巖出露面積最廣的省份，其巖溶發(fā)育面積相當(dāng)廣泛[1]。近年來(lái)貴州山區(qū)在西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的帶動(dòng)下，工程建設(shè)頻繁，巖溶地質(zhì)發(fā)育地區(qū)中工程建設(shè)不可避免，給基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了極大的考驗(yàn)，巖溶地基穩(wěn)定性分析顯得極其的重要。

巖溶地基穩(wěn)定性理論分析可分為兩方面[2]: 一是從頂板的安全厚度來(lái)評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，主要根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》[3]或《巖土工程手冊(cè)》[4]中的經(jīng)驗(yàn)算式計(jì)算；二是從地基極限承載力的角度出發(fā)評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，主要依據(jù)傳統(tǒng)的求解地基承載力的計(jì)算方法。Wang等通過(guò)對(duì)條形基礎(chǔ)正下方存在圓形空洞問(wèn)題的研究，得出空洞隨著埋深的增大，其上覆巖體極限承載力提高[5]。王建秀等在分析巖溶塌陷的機(jī)制，提出了“蓋層土體-薄頂板無(wú)充填溶洞力學(xué)系統(tǒng)”，并通過(guò)頂板極限強(qiáng)度判斷巖溶的穩(wěn)定性[6]。程曄等對(duì)溶洞特征影響因素和頂板巖層影響因素進(jìn)行權(quán)值分配，根據(jù)最大隸屬度原則，對(duì)溶洞頂板穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]。文獻(xiàn)[8-10]從巖溶地質(zhì)特征和樁基礎(chǔ)相對(duì)位置，將巖溶地基類(lèi)型劃分成4類(lèi)，分別是豎向巖溶地基、隱伏豎向溶洞地基、隱伏橫向溶洞巖石地基及旁側(cè)溶槽巖石地基，其中隱伏橫向溶洞巖石地基對(duì)上覆建筑物穩(wěn)定性影響最大。在實(shí)際工程中由于巖溶發(fā)育的規(guī)模、圍巖性質(zhì)及建筑荷載等差異較大，以上方法的應(yīng)用難度較大，目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[11-17]大多結(jié)合工程實(shí)際，采用數(shù)值計(jì)算手段對(duì)巖溶地基穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，主要通過(guò)有限元軟件來(lái)模擬分析，其主要思路是將研究對(duì)象離散為較小的單元，分析單元的受力情況，從而計(jì)算結(jié)點(diǎn)等效荷載，最終化零為整得出整個(gè)研究對(duì)象的分析結(jié)果。在上述思路指導(dǎo)下，結(jié)合貴陽(yáng)南明區(qū)某高層建筑溶洞處理實(shí)例，通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法和數(shù)值方法分析巖溶地基的穩(wěn)定性，為類(lèi)似的基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 巖溶發(fā)育概況

某建筑位于貴陽(yáng)市南明區(qū)，據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖及現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，場(chǎng)地沒(méi)有規(guī)模較大的區(qū)域性斷層。場(chǎng)地基巖具單斜產(chǎn)狀，巖層傾向110°～130°，傾角8°～15°，綜合產(chǎn)狀120°∠12°。場(chǎng)地巖土單元從上至下主要由填土、三疊系安順組(T1)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等組成，其中灰?guī)r從上至下由強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r和中風(fēng)化灰?guī)r兩部分組成。

352個(gè)鉆探孔中，共有65個(gè)孔見(jiàn)溶洞(溶隙)，溶洞位于三疊系安順組(T1)灰?guī)r層，在空間上分布極不均勻，溶洞多數(shù)為全充填，少數(shù)為空洞，巖溶發(fā)育率為18.5%，溶洞發(fā)育高度最高達(dá)29.6 m，在研究區(qū)的中部多個(gè)溶洞在橫向上聯(lián)通，形成巨型隱伏橫向溶洞，該巖溶發(fā)育的高度約為10 m，向兩側(cè)逐漸降低，直至尖滅為止，傾斜長(zhǎng)度為32 m，在側(cè)向上，根據(jù)發(fā)育情況不同，溶洞剖面發(fā)育情況如圖1所示，由現(xiàn)場(chǎng)揭露和鉆孔資料可知：上覆雜填土厚度約為2 m，高風(fēng)化灰?guī)r厚度約為24 m，下部均為中風(fēng)化或低風(fēng)化灰?guī)r。洞內(nèi)底部沉積一定厚度的黏土層，在豐水期，可接受地表水的補(bǔ)給，溶洞有進(jìn)一步發(fā)育的空間，對(duì)建筑安全存在較大隱患。該類(lèi)型的溶洞體型較大，隨著上覆基礎(chǔ)荷載的提高，主要溶洞的頂部彎曲變形并發(fā)生塌落。

圖1 溶洞最大斷面尺寸 m

2 隱伏橫向溶洞穩(wěn)定性分析

2.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法

根據(jù)溶洞頂板的完整性和實(shí)際狀況，假定溶洞頂板為梁或板的受力狀況，按溶洞頂板抗彎厚度進(jìn)行驗(yàn)算所需的安全厚度。溶洞頂板為完整性較好的厚層狀時(shí)，可按四周嵌固的板驗(yàn)算頂板的穩(wěn)定性[8]。反算所需的頂板安全厚度z,可由式(1)確定:

(1)

式中:q為長(zhǎng)邊每延米均布荷載；L、b為洞的長(zhǎng)、短徑；σ為巖體的彎曲強(qiáng)度、對(duì)灰?guī)r取0.100～0.125的灰?guī)r抗壓強(qiáng)度。

頂板抗剪的安全厚度驗(yàn)算，由極限平衡條件求得頂板厚度z′，可由式(2)確定：

(2)

式中：F為上部荷載傳至頂板的豎向力；G為頂板巖體受到的重力；U為洞體平面的周長(zhǎng)；frv為頂板的巖體抗剪強(qiáng)度；對(duì)灰?guī)r取0.06～0.13的灰?guī)r抗壓強(qiáng)度。

圖1可視為結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析簡(jiǎn)圖，上部為多層建筑，以中厚層灰?guī)r作持力層，采用柱下條形基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)上部極限荷載為5 000 kN/m，巖層傾角12°，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為41.4 MPa，巖體較破碎，巖體完整性指數(shù)為0.385，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ類(lèi)，頂板巖體重度為25.8 kN/m3，頂板厚度為10 m，洞頂上部巖體受到的重力為127 kN/m，設(shè)計(jì)總荷載5 127 kN/m，通過(guò)實(shí)測(cè)可知：洞長(zhǎng)徑L約為34 m，短徑b約為5 m，取σ為4.14 MPa，在不考慮溶洞發(fā)育角度時(shí)，根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算，得z=11.82 m，z′=9.68 m，現(xiàn)場(chǎng)揭露上層雜填土和高風(fēng)化灰?guī)r后，其溶洞頂板厚度為5～8 m，頂板抗彎、抗剪安全厚度均不滿足要求。

計(jì)算假定溶洞頂板為梁或板，可簡(jiǎn)化復(fù)雜溶洞模型，通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法，按溶洞頂板抗彎厚度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算頂板所需的安全厚度，可快速計(jì)算溶洞頂板穩(wěn)定性，但實(shí)際工程中溶洞三維形態(tài)差異較大，難以精確得出溶洞的短邊和長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度，其次溶洞頂板的完整性較差，存在大量原生和次生裂隙，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法還需要進(jìn)一步考慮如何量化巖體完整性指數(shù)對(duì)計(jì)算模型的影響，再次由于該方法只能半定量分析巖溶頂板厚度是否滿足上覆載荷需求，無(wú)法滿足實(shí)際工程精度需求。

2.2 有限元模擬分析

2.2.1模型構(gòu)建、參數(shù)、邊界條件及荷載分布

模擬采用FLAC3D有限元軟件，模擬建筑載荷對(duì)洞室的影響，巖體材料采用摩爾-庫(kù)侖模型，該模型滿足巖體剪-拉破壞準(zhǔn)則，即當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力之比達(dá)到最大時(shí)，材料發(fā)生屈服于破壞。根據(jù)前人對(duì)地下洞室開(kāi)挖尺寸對(duì)圍巖影響范圍的研究經(jīng)驗(yàn)，可知圍巖的影響范圍為洞室的洞徑3～5倍。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溶洞規(guī)模測(cè)量數(shù)據(jù)，模擬模型長(zhǎng)、寬均為100 m，高度為50 m，巖層單個(gè)單元的大小為1 m×1 m×1 m，可滿足溶洞的塑性變形及監(jiān)測(cè)精度要求。圖2為溶洞三維模型圖，其中陰影部分為不規(guī)則溶洞。模擬地層從上到下主要可分為三部分，分別是部分雜填土、高風(fēng)化層灰?guī)r層和中風(fēng)化灰?guī)r層，溶洞部分分別使用碎石和細(xì)石混凝土填充，主要力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，其中雜填土、高風(fēng)化灰?guī)r及中風(fēng)化灰?guī)r物理力學(xué)指標(biāo)來(lái)源于該研究區(qū)的工程勘查報(bào)告，細(xì)石混凝土和碎石的指標(biāo)來(lái)源于土木工程實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。巖溶地質(zhì)模型具體邊界情況設(shè)置如下：模型的頂部為自由邊界，在模型四個(gè)側(cè)向邊界施加水平約束，在模型的下邊界施加豎向約束。

表1 材料模型參數(shù)

圖2 溶洞三維模型

巨型溶洞上方區(qū)域主要擬建設(shè)3棟高層建筑物，分別是A3、A4和A5棟，具體位置見(jiàn)圖3，上覆每棟建筑荷載值為85 MN，平均每個(gè)基樁上荷載約為2.9 MN，基樁橫面積為1.5 m×1.5 m，模擬時(shí)單樁豎向的作用力為1.3 MPa，模擬基樁位置為擬建建筑樁基的實(shí)際位置，通過(guò)在網(wǎng)格上方施加基樁荷載的形式達(dá)到模擬基樁的載荷狀況。

圖3 高層建筑及溶洞位置平面

為精確模擬地表及地下淺層巖層在建設(shè)階段的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化，在地表上，分別選取溶洞上方接近建筑物的監(jiān)控點(diǎn)，其編號(hào)為1～8，同時(shí)在地表下5，10，15 m等位置同時(shí)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)高層建筑部分基樁的豎向位移、側(cè)向水平位移及應(yīng)力變化情況。具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置、編號(hào)及樁基位置見(jiàn)圖4。

圖4 荷載分布及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置

2.2.2模擬結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

模擬的目的是為了研究大型溶洞對(duì)建筑安全的影響，通過(guò)改變填充材料及填充范圍等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在不同工況下，監(jiān)測(cè)地基及溶洞周?chē)鷩鷰r的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)變化，具體可分為以下四種工況：

工況1：溶洞區(qū)域不進(jìn)行任何充填，直接在上方建設(shè)建筑物；工況2：利用鉆機(jī)把細(xì)石混凝土灌入溶洞，并保證溶洞區(qū)域完全填充；工況3：通過(guò)溶洞的一端進(jìn)行碎石充填，并保證溶洞區(qū)域完全填充；工況4：利用鉆機(jī)把細(xì)石混凝土灌入地下溶洞，填充范圍為原溶洞體積的四分之三，填充部位為靠近建筑物的一端。

1)不同工況下應(yīng)變場(chǎng)分析。

圖5給出了4種工況下溶洞上方的豎向和水平位移云剖面。圖6為觀測(cè)點(diǎn)的豎向沉降。

a—豎向位移(工況1)；b—水平位移(工況1)；c—豎向位移(工況2)；d—水平位移(工況2)；e—豎向位移(工況3)；f—水平位移(工況3)；g—豎向位移(工況4)；h—水平位移(工況4)。

a—監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移(工況1)；b—監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移(工況2)；c—監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移(工況3)；d—監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移(工況4)。

在工況1條件下，溶洞區(qū)域不進(jìn)行任何充填，直接在上方建設(shè)建筑物，溶洞頂部發(fā)生大變形，變形量最大為5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地表處位移和地下15 m處的位移分別是0.45，0.47 m，變形量最下為8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地表位移和地下15 m處的位移分別是0.049，0.017 m，巖體越靠近建筑物下方，其豎向位移量越大，可判斷上覆巖層在該應(yīng)力條件下發(fā)生垮塌。無(wú)法滿足建筑施工的需求，需要進(jìn)行處理后才能施工。

工況2用細(xì)石混凝土完全充填溶洞，根據(jù)模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～8的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：地表豎向位移范圍為1.90～5.75 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在地下5，10，15 m處的豎向位移整體范圍在1.49～1.98 mm，豎向位移量隨巖層的埋深有變小的趨勢(shì)，說(shuō)明在埋深5 m以下的巖層達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，充填效果極好。

工況3用碎石完全充填溶洞，根據(jù)模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～8的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：地表豎向位移范圍為3.01～10.70 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在地下5，10，15 m處的豎向位移整體范圍在1.53～6.06 mm，豎向位移量隨巖層的埋深有變小的趨勢(shì)，上覆地層承載力滿足建設(shè)施工的要求，但從監(jiān)測(cè)點(diǎn)3～6可知：溶洞充填后的位移高于1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)和8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，說(shuō)明溶洞充填后仍然對(duì)溶洞上方巖層產(chǎn)生形變的影響，填充效果略差于工況2。

工況4用細(xì)石混凝土部分填充溶洞，填充范圍為原溶洞體積的3/4，并且填充部位為靠近建筑物的一端，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：地表的沉降范圍在2.99～16 mm，地下5，10，15 m處的豎向位移整體范圍在2.01～9.59 mm，豎向位移量隨巖層的埋深有變小的趨勢(shì)，豎向位移量高于工況1和工況2，對(duì)比工況1和工況2其充填效果差，未發(fā)生破壞，基本滿足建筑施工安全要求。

工程采用工況2處理方法，溶洞區(qū)域全部填充細(xì)石混凝土。建筑施工前至竣工后階段，對(duì)溶洞上方樁基處地面沉降值監(jiān)測(cè)，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)趨勢(shì)總體一致，模擬結(jié)果略大于實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，主要原因可能是模擬結(jié)果是最終沉降量，而實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集于建筑物建成后半年，其位移量可能并未達(dá)到最大值，見(jiàn)圖7。

圖7 模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)與實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移對(duì)比

從4種工況條件下的施工模擬結(jié)果可得到以下規(guī)律：1)溶洞充填后，上方巖層在地表至地下15 m深度處巖層發(fā)生整體位移，其位移量隨著巖層的埋深有增大的趨勢(shì)，表明溶洞上覆巖石發(fā)生大變形或產(chǎn)生坍塌破壞；2)溶洞充填后，巖層的豎向位移隨著埋深的增加有變小的趨勢(shì)，說(shuō)明溶洞上覆巖層處于穩(wěn)定狀態(tài)；3)可根據(jù)建筑物與溶洞的相對(duì)位置進(jìn)行局部充填，其充填范圍越大對(duì)建筑物上覆巖石的穩(wěn)定性越好，可按照實(shí)際建筑施工需求進(jìn)行選擇性充填。

2)不同工況下應(yīng)力場(chǎng)分析。

圖8給出了四種工況下溶洞不同填充材料及范圍下受力分布情況，工況1情況下，在建筑荷載下應(yīng)力主要集中是溶洞上方和溶洞周?chē)?，該范圍?nèi)巖石可能發(fā)生大變形和破碎；工況2情況下，細(xì)石混凝土完全充填溶洞，填充材料力學(xué)特性部分高于原巖，溶洞圍巖無(wú)應(yīng)力集中；在工況3條件下，用碎石完全充填溶洞，由于碎石膠結(jié)能力差，抗壓強(qiáng)度低，在溶洞填充碎石及溶洞周?chē)嬖趹?yīng)力集中，在建筑荷載下會(huì)發(fā)生整體沉降；在工況4條件下，采用細(xì)石混凝土填充靠近建筑的一側(cè)，考慮到安全需要，填充溶洞的3/4范圍，其應(yīng)力集中在溶洞未填充及填充的界面附近，為了建筑安全及經(jīng)濟(jì)等綜合考慮，可以選擇部分填充的方案。

a—水平應(yīng)力場(chǎng)(工況1)；b—豎向應(yīng)力場(chǎng)(工況1)；c—水平應(yīng)力場(chǎng)(工況2)；d—豎向應(yīng)力場(chǎng)(工況2)；e—水平應(yīng)力場(chǎng)(工況3)；f—豎向應(yīng)力場(chǎng)(工況3)；g—水平應(yīng)力場(chǎng)(工況4)；h—豎向應(yīng)力場(chǎng)(工況4)。

3)不同工況下塑性變形區(qū)分布。

4種工況下圍巖塑性區(qū)分布如圖9，工況1上覆圍巖完全破壞，工況2碎石壓實(shí)充填在地表及溶洞區(qū)域形成小范圍的塑性變形，工況3稀釋混凝土充填效果極好，只在地表形成小范圍塑性變形，工況4部分充填方案，在未填充溶洞上方曾形成塑性變形區(qū)，但已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，對(duì)上覆建筑物安全無(wú)影響。

a—工況1；b工況2；a—工況3；b—工況4。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)假定溶洞頂板為梁或板，簡(jiǎn)化了復(fù)雜溶洞模型，通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法，按溶洞頂板抗彎厚度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算頂板所需的安全厚度，可快速計(jì)算溶洞頂板穩(wěn)定性，但實(shí)際工程中溶洞三維形態(tài)差異較大，頂板破碎程度的差異，無(wú)法滿足實(shí)際工程精度的需求。

2)溶洞未充填時(shí)，溶洞上方巖層在地表至地下15 m深范圍發(fā)生整體位移，其位移量隨著靠近建筑物下方而增大，溶洞上覆巖石發(fā)生大變形或?qū)a(chǎn)生坍塌破壞；巖層豎向位移隨著埋深的增加有變小的趨勢(shì)。

3)充填溶洞后，對(duì)比細(xì)石混凝土和碎石兩種充填材料，細(xì)石混凝土填充后力學(xué)強(qiáng)度高，有利于地基的穩(wěn)定；模擬地面沉降和實(shí)際觀測(cè)沉降數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析方法在解決復(fù)雜溶洞地基處理的可行性。

4)對(duì)比研究區(qū)大型隱伏橫向溶洞的部分充填和全充填的效果，在滿足設(shè)計(jì)地基沉降的要求情況下，可對(duì)大型溶洞進(jìn)行部分填充，填充范圍可根據(jù)溶洞發(fā)育規(guī)模、埋深及圍巖力學(xué)特性等確定，為工程建設(shè)節(jié)省成本。