岩溶评价docx.docx

第二节    岩溶岩土工程评价
岩溶评价可分为场地评价与单体岩溶评价两部分。场地评价即在较大范围内，按岩溶发育强度划分出不同稳定性地段，作为建筑场地选择和建筑总平面布置的依据，而对地基稳定所涉及的单体岩溶形态的分析评价，则可分为定性和半定量两种方法。
一、岩溶地基类型
   由于岩溶发育，往往使可溶岩表面石芽、溶沟丛生，参差不齐；地下溶洞又破坏了岩体完整性。岩溶水动力条件变化，又会使其上部覆盖土层产生开裂、沉陷。这些都不同程度地影响着建筑物地基的稳定。
根据碳酸盐岩出露条件及其对地基稳定性的影响，可将岩溶地基划分为裸露型、覆盖型、掩埋型三种，而最为重要的是前两种。
1、裸露型
缺少植被和土层覆盖，碳酸盐岩裸露于地表或其上仅有很薄覆土。它又可分为石芽地基和溶洞地基两种。
(1)石芽地基：由大气降水和地表水沿裸露的碳酸盐岩节理、裂隙溶蚀扩展而形成。溶沟间残存的石芽高度一般不超过3m。如被土覆盖，称为埋藏石芽。石芽多数分布在山岭斜坡上、河流谷坡以及岩溶洼地的边坡上。芽面极陡，芽间的溶沟、溶槽有的可深达10余米，而且往往与下部溶洞和溶蚀裂隙相连。基岩面起伏极大。因此，会造成地基滑动及不均匀沉陷和施工上的困难。
(2)溶洞地基：浅层溶洞顶板的稳定性问题是该类地基安全的关键。溶洞顶板的稳定性与岩石性质、结构面的分布及其组合关系、顶板厚度、溶洞形态和大小、洞内充填情况和水文地质条件等有关。
2、覆盖型
碳酸盐岩之上覆盖层厚数米至数十米(一般小于30m)。这类土体可以是各种成因类型的松软土，如风成黄土、冲洪积砂卵石类土以及我国南方岩溶地区普遍发育的残坡积红粘土。覆盖型岩溶地基存在的主要岩土工程问题是地面塌陷，对这类地基稳定性的评价需要同时考虑上部建筑荷载与土洞的共同作用。
二、岩溶地基稳定性定性评价
属于经验比拟法，适用于初勘阶段选择建筑场地及一般工程的地基稳定性评价。这种方法虽简便，但往往有一定的随意性。实际运用中应根据影响稳定性评价的各项因素进行充分地综合分析，并在勘察和工程实践中不断总结经验。或根据当地相同条件的已有成功与失败工程实例进行比拟评价。
地基稳定性定性评价的核心，是查明岩溶发育和分布规律，对地基稳定有影响的个体岩溶形态特征，如溶洞大小、形状、顶板厚度、岩性、洞内充填和地下水活动情况等，上覆土层岩性、厚度及土洞发育情况，根据建筑物荷载特点，并结合已有经验，最终对地基稳定作出全面评价。根据岩溶地区已有的工程实践，下列若干成熟经验可供参考：
(1)当溶沟、溶槽、石芽、漏斗、洼地等密布发育，致使基岩面参差起伏，其上又有松软土层覆盖时，土层厚度不一，常可引起地基不均匀沉陷。
(2)当基础砌置于基岩上，其附近因岩溶发育可能存在临空面时，地基可能产生沿倾向临空面的软弱结构面的滑动破坏。
(3)在地基主要受压层范围内，存在溶洞或暗河且平面尺寸大于基础尺寸，溶洞顶板基岩厚度小于最大洞跨，顶板岩石破碎，且洞内无充填物或有水流时，在附加荷载或振动荷载作用下，易产生坍塌，导致地基突然下沉。
(4)当基础底板之下土层厚度大于地基压缩层厚度，并且土层中有不致形成土洞的条件时，若地下水动力条件变化不大，水力梯度小，可以不考虑基岩内洞穴对地基稳定的影响。
(5)基础底板之下土层厚度虽小于地基压缩层计算深度，但土洞或溶洞内有充填物且较密实，又无地下水冲刷溶蚀的可能性；或基础尺寸大于溶洞的平面尺寸，其洞顶基岩又有足够承载能力；或溶洞顶板厚度大于溶洞的最大跨度，且顶板岩石坚硬完整。皆可以不考虑土洞或溶洞对地基稳定的影响。
(6)对于非重大或安全等级属于二、三类的建筑物，属下列条件之一时，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响：
①基础置于微风化硬质岩石上，延伸虽长但宽度小于1m的竖向溶蚀裂隙和落水洞的近旁地段；
②溶洞已被充填密实，又无被水冲蚀的可能性；
③洞体较小，基础尺寸大于洞的平面尺寸；
④微风化硬质岩石中，洞体顶板厚度接近或大于洞跨。
岩溶地基稳定性的定性评价中，对裸露或浅埋的岩溶洞隙稳定评价至关重要。根据经验，可按洞穴的各项边界条件，对比表9－1所列影响其稳定的诸因素综合分析，作出评价。
表1 岩溶洞穴稳定性的定性评价
因素
对 稳 定 有 利
对 稳 定 不 利
岩性及层厚
厚层块状、强度高的灰岩
泥灰岩白去质灰岩，薄层状有互层，岩体软化，强度低
裂隙状况
无断裂，裂隙不发育或胶结好
有断层通过，裂隙发育，岩体被二组以上裂隙切割。裂缝张开，岩体呈干砌状
岩层产状
岩层走向与洞轴正交或斜交，倾角平缓
走向与洞轴平行，陡倾角
洞隙形态与埋藏条件
洞体小(与基础尺寸相比)呈竖向延伸的井状，单体分布，埋藏深，覆土厚
洞径大，呈扁平状，复体相连，埋藏浅，在基底附近
顶板情况
顶板岩层厚度与洞径比值大，顶板呈板状或拱状，可见钙质沉积
板岩层厚度与洞径比值小，有悬挂岩体，被裂隙切割且未胶结
充填情况
为密实沉积物填满且无被水冲蚀的可能
未充填或半充填，水流冲蚀
着充填物，洞底见有近期塌落物
地下水
无
有水流或间歇性水流，流速大，有承压性

三、岩溶地基稳定性半定量评价
   鉴于以下两个原因，目前岩溶地基稳定性的定量评价较难实现：一是受各种因素的制约，岩溶地基的边界条件相当复杂，受到探测技术的局限，岩溶洞穴和土洞往往很难查清；二是洞穴的受力状况和围岩应力场的演变十分复杂，要确定其变形破坏形式和取得符合实际的力学参数又很困难。因此，在工程实践中，大多采用半定量评价方法。因目前尚属探索阶段，有待积累资料不断提高。以下分别介绍裸露型溶洞地基和覆盖型岩溶地基的几种评价方法。
1、裸露型溶洞地基
实际上是评价浅部隐伏溶洞的稳定性问题。溶洞顶板稳定性与地层岩性、不连续面的空间分布及其组合特征、顶板厚度、溶洞形态和大小、洞内充填情况、地下水运动及建筑物荷载特点有关。由于实际问题的复杂性，目前还没有成熟可靠的方法。以下介绍几种常用的粗略方法。
(1)荷载传递交汇法：在剖面上从基础边缘按30°～45°扩散角向下作应力传递，若溶洞位于该传递所确定的应力扩散范围以外时，即认为洞体不会危及建筑物的安全。
(2)溶洞顶板坍塌堵塞法：
碳酸盐岩体浅部有隐伏溶洞发育时，溶洞顶板安全厚度可用此法确定。方法的基本原理是：溶洞顶板岩体塌落后体积发生松胀，当塌落向上发展到一定高度后，洞体可被松胀的坍塌体自行堵塞，此时可以认为溶洞顶板已稳定。此法的前提条件是溶洞内无地下水搬运。溶洞坍塌的高度Z计算式为：
Z=H0/(k-1)
式中：H０——溶洞的高度；K——岩石的松胀系数，灰岩可取1.2左右。若溶洞顶板的实际厚度大于Z值，则是安全的。
(3) 结构力学近拟计算法:
根据溶洞顶板岩体的实际状况，按假定的梁或板的受力条件，验算所需的安全厚度。可有弯矩和剪力两种概念计算。
①弯矩概念计算
当岩层近于水平成层，完整性较好，溶洞呈平卧状(跨度大于高度，如图9-16所示)时，可将溶洞顶板视为两端固定的梁板来验算其稳定性，其最大弯矩在固定端的中点处。经弯矩公式推导反算求得顶板安全厚度Z为：

式中：q——溶洞顶板长边每延米上的均布荷载；L、b——分别为溶洞的长度(跨度)和宽度；σ——岩体的允许弯曲应力，对灰岩可采用岩石允许抗压强度的0.10～0.125。

图1 弯矩概念示意图
②剪力概念计算
适用的边界条件同弯矩概念。根据溶洞顶板的极限平衡条件：
Ｆ＋Ｇ－Ｔ＝０
式中：F——上部荷载的重量；G——顶板岩体自重；T——梁板抵抗F、G的抗剪力。
Ｔ＝Ｚ·τ·U
式中：Z——溶洞顶板可能破坏的高度；τ——岩体的抗剪强度，一般采用岩石允许抗压强度的0.06～0.10；U——溶洞在水平面上的周长。由此可获得溶洞顶板所需的最小(安全)厚度。
(4) 塌落拱理论分析法:
   假定岩体为一均匀介质，溶洞顶板岩体自然塌落最后呈一平衡拱拱上部的岩体自重及外荷载由该平衡拱承担(图3)。塌落平衡拱的高度H计算公式为：

式中：b、H0——分别为溶洞跨度(宽度)和高度；φ——岩体的内摩擦角；f——岩土的坚实系数，可查有关表格或计算获得。
平衡拱高度加上上部荷载作用所需的岩体厚度，才是溶洞顶板的安全厚度。此法对竖直溶洞(高度大于宽度)较为合适。
除了上述各种方法外，还可采用现场试验、模拟试验和弹性力学有限单元分析法等方法，评价溶洞地基的稳定性。

图2 塌落拱理论分析示意图
2、覆盖型岩溶地基
对这类地基稳定性的评价，需要同时考虑上部建筑物和土洞的共同作用。对于特定的建筑物荷载，处于极限状态的上覆土层厚度Hk为图9－3)：
Ｈk＝h+z+D
式中：h——土洞的高度；D——基础砌置深度；z——基础底板以下建筑荷载 的有效影响深度
很显然，土层实际厚度H＞Ｈk时，即使有土洞发育，地基仍然稳定；Ｈ＜Ｈk时，地基不稳定。如果土洞已经形成，然后在其上进行建筑，土洞处于建筑物的有效影响深度范围内，这样将使处于平衡状态的土洞发生新的坍塌，从而影响地基稳定；若土洞形成于建筑物兴建之后，那么已经处于稳定的地基，在土洞的影响下，将激活地基沉降而使建筑物失去稳定。

图3 覆盖型岩溶地基稳定性计算模型
单元小结

                     第二节 岩溶岩土工程评价
   岩溶评价可分为场地评价与单体岩溶评价两部分。场地评价即在较大范围内，按岩溶发育强度划分出不同稳定性地段，作为建筑场地选择和建筑总平面布置的依据，而对地基稳定所涉及的单体岩溶形态的分析评价，则可分为定性和半定量两种方法。
   根据碳酸盐岩出露条件及其对地基稳定性的影响，可将岩溶地基划分为裸露型、覆盖型、掩埋型三种。裸露型可分为石芽地基和溶洞地基两种。
岩溶地基稳定性定性评价属于经验比拟法，适用于初勘阶段选择建筑场地及一般工程的地基稳定性评价。
   岩溶地基稳定性半定量评价尚属探索阶段。裸露型溶洞地基常用的粗略方法有荷载传递交汇法、溶洞顶板坍塌堵塞法、结构力学近拟计算法和塌落拱理论分析法，此外还可采用现场试验、模拟试验和弹性力学有限单元分析法等方法，评价溶洞地基的稳定性。覆盖型岩溶地基需要同时考虑上部建筑物和土洞的共同作用。