#岩溶区溶洞顶板稳定性评价研究现状

岩溶区溶洞顶板稳定性评价研究现状
溶洞顶板稳定性问题，是由国内科技人员在项目实践中提出的项目问题，目前对溶洞
顶板稳定性研究，主要集中在理论评价方法的研究上，有关顶板稳定性研究的室内物理模
型和现场项目研究不多，因此溶洞顶板稳定性研究还处于初步的阶段。

近年来稳定性评价
方法的研究取得较大进展[29一6，J，对岩溶溶稳定性的分析评价经历了从定性一半定量一定量的过程[66]。

定性评价方法[29一30]适用于一般项目或项目的初勘阶段的溶洞顶板稳定性的分析评价，
包括影响因素分析法、经验比拟法和专家系统评价法等。

影响因素分析法是根据洞隙的各
项边界条件，包括岩性、厚度、裂隙状况、岩层产状、洞穴形态及埋藏条件、地下水等条件。

经验比拟法根据评价对象的项目地质条件，与条件相似的已有成功或失败项目实例进
行类比评价。

专家打分法是利用己有的反映岩溶问题的项目实录，建立集岩溶项目地质评价、物探测试方法、不同岩性物理力学指标、地基稳定性评价和岩溶地基处理方法于一身
的智能专家系统，通过初步勘查、简单的测试参数，利用专家分析系统对岩溶项目地质及
地基稳定性做出快速定性评价。

排除法是在众多岩溶形态条件及其对项目不同影响群体
中，从既定的项目使用要求出发，划出一些经验公认的对项目属安全或不安全的两个极端
的若干范围与条件，以作为项目评价的依据。

而在这两个范围之外的情况，结合项目、洞
体的具体条件进行单独研究与评价砰51。

半定量的评价方法较为实用[29一，6]，并月.目前也在不断的探索和提高。

半定量法包括抗
弯验算、抗剪验算法、极限平衡法、以及利用顶板坍塌物填塞溶洞来估算溶洞完整顶板和
不完整顶板的安全厚度。

定量评价法是在取得详细的地质资料和岩土体准确的物理力学参数的情况下采用的
评价方法[37一39]。

因为勘查技术的进步和计算机数值仿真技术的进步，定量评价方法已在实
际项目中得到运用。

定量评价法因涉及岩土体力学参数和边界条件甚多且不易确定，故一
般先由假定条件建立相应的物理力学模型或数学模型，再进行分析计算，依据结果对溶洞
顶板稳定性做出评价和判断。

定量评价方法主要包括稳定系数法、普氏压力拱理论分析法、有限元数值分析法与应用统计等。

(l>稳定系数法:假定洞穴顶板岩土体为松散破碎，在其上部四周形成圆锥形破坏
面和柱状塌落体，由朗肯上压力理论，求得塌落岩土体整个高度范围的圆柱体侧表面摩擦
阻力。

K为抗塌力和致塌力之比，当K>1.5时，岩溶地基稳定:当K延1时，岩溶地基不稳定。

该方法主要考虑的因素有岩土体的容重、均布外荷载、土柱横截面直径、土柱高度。

(2>普氏压力拱理论分析法:适用于上覆岩土层厚度h>(2.0一 2.5>hl的深埋洞体，
在岩土体中可以形成自然平衡拱(压力拱、塌落拱>，压力拱高h，与洞跨度2b和洞高h0
以及土层内摩擦角及坚固系数f有关。

(3>模糊数学分析方法
岩溶顶板的稳定性影响因素众多，影响程度也不尽相同，相互之间又存在一定的关联，
因此溶洞顶板的稳定性评价是一项复杂的系统项目问题。

因为各影响因素具有一定的关联性，影响程度的描述也具有模糊性等，很难通过确定性的方法评价岩溶顶板的稳定性，因
此适合该特点的非确定性分析方法即模糊数学方法是溶洞顶板稳定性分析的有效方法。

袁腾方[65]等对高速公路路基岩溶顶板稳定性评价的特点，弓!进模糊数学理论，采用多
级模糊评判理论一与系统层次分析方法，建立了高速公路路基下伏岩溶顶板稳定性的二级模
糊综合评判模型，为高速公路岩溶区路基稳定性的评价开辟了新的途径。

赵明华，程哗，曹文贵[63]基于模糊集理论，结合湖南省某跨渠桥桩基项目地质勘察资
料，建立了桥梁基桩桩端溶洞顶板稳定性的模糊二级综合评判模型与模糊极限平衡分析模型，并分别解决了相应的模糊分析参数构造与评价方法问题，最后分别应用于某一实际工程，分析结论基本相同且与实际情况符合
(4>有限元分析法
有限元法是一种较为成熟的数值方法，它几乎适用于所有的计算领域，具有适用性强、
处理非均质、非线性、复杂边界问题方便等突出优点。

有限元法假定溶洞周围及顶板的岩
体为均匀连续介质，不考虑节理裂隙的影响。

目前，有限元法已广泛应用于地基基础项目、地下项目等领域，是分析岩土项目问题最有效的方法之一。

黎斌，范秋雁，秦凤荣[48]采用三维有限单元法对桩基础下的溶洞顶板进行应力分析计
算，并采用多元线性回归的方法求得桩底到溶洞顶部距离临界值与溶洞大小和单桩设计荷
载之间的关系式。

汪稳，孟庆山，石祥锋[49]等以某大桥桥基岩溶洞穴围岩项目地质条件为基础，在岩土
自重和桩基的外附荷载作用下，利用三维有限元定量计算手段，对桥墩所在位置的溶洞顶
板稳定性进行了综合评价。

丁春林[55]等对机场跑道下岩溶土洞的顶板稳定性，在飞机重力荷载下，采用弹塑性有
限元理论进行了分析。

廖春芳，彭衡和等[60]在深入分析岩溶及采空区岩层顶板安全厚度影响因素，及岩溶岩
层顶板安全厚度传统半定量分析方法存在缺陷的基础上，结合潭邵高速公路岩溶及采空区
路基稳定性的特点，提出利用三维非线性有限元分析手段和枚举优化理论确定岩溶及采空
区岩层顶板安全厚度的方法，并己经在项目实践中应用。

张林，杨志刚，钱庆强，唐绍辉[54]采用正交弹塑性三维有限元法评价了各因素对溶洞
顶板稳定性的影响程度(敏感度>，分析结果表明影响溶洞顶板稳定性的主要因素为顶板岩
层厚度、岩体力学特性和溶洞宽度。

但是，项目地质领域应用数值模拟手段还存在一些局限性，如材料本构关系尚不能完
全代表岩土体的真实力学特性、地质体大变形的描述理论仍待发展，计算模拟不够完善，
计算参数的随机性和不确定性等，这些还有待进一步努力加以完善和解决
可见，对溶洞顶板稳定性分析评价方法的研究，经过近些年逐步趋于成熟和完善，很
多评价方法业己成功的应用到项目实践中。

3.2溶洞稳定性评价方法
3.2.1定性评价方法
定性评价法适用于一般项目溶洞地基稳定性分析评价，包括影响因素分析法、经验比
拟法和专家系统评价法。

影响因素分析法根据洞隙各项边界条件，包括岩性及厚度、裂隙
状况、岩层产状、洞穴形态及埋藏条件、地下水等条件，对比《岩土项目手册》中所列的
诸因素进行综合分析并作出评价，如表3一2所示。

因为涉及岩溶问题的公路、铁路、桥梁、
隧道与民用建筑以及大型的水利水电枢纽坝基等项目实例较多，经验比拟法根据评价对象
的项目地质条件，与条件相似的己有成功或失败项目实例进行类比评价。

此外还有排除法
竺
半定量评价方法
目前己有一些对洞体稳定性分析评价的定量方法，但是因为洞体受力状况、围岩应力
场的演变十分复杂，要确定洞体破坏形式和取得符合实际的岩体力学参数又很困难，加之受到探测手段的局限，很难查清洞体与围岩的边界条件与性能指标。

因此，定量评价方法的应用在项目实践中受到很大限制，而半定量的评价方法较为实用，并月_目前也在不断的探索提高。

一、顶板厚跨比法
甘峻松[32]提出该法常用于稳定围岩。

根据近似的水平投影跨度L和顶部最薄处厚度h，
求出厚跨比h/L，作为安全厚度评价依据，不考虑顶板形态、荷载大小和性质。

因水平洞顶比拱形差，故取近似水平状态的h/L作为估算安全厚度的最小比值，由经验知h/L>0.5 是安全的，一般可取h/L>1.0作为安全界限。

我国公路路基设计规范对空洞顶板安全厚度规定[z8]，当溶洞顶板岩层未被节理裂隙切
割或虽被切割但胶结良好时，其溶洞顶板的安全厚度可按厚跨比法确定。

当顶板的厚度与路基跨越溶洞的长度之比大于0.8时，溶洞的顶板岩层可不作处理。

二、估算顶板安全厚度法[z9，33]
对稳定围岩，将溶洞围岩视为结构自承重体系，据洞体形态、完整程度、裂隙情况进
行内力分析，所得h再加适当安全系数，即为顶板安全厚度。

1.结构力学近似分析法
3·实验测试法[29]
(l>电阻应变片测试法
对己查明的浅层洞体，为验证在外荷载下洞顶板岩体的应力状态或己知裂隙面的变形
情况，可在洞顶施加载荷，沿纵横洞轴方向贴设电阻应变片及布置挠度量测，在加荷过程中追踪测量。

根据测得的最大应力与岩体抗剪强度对比，若后者大于前者的5一10倍则认为岩溶洞体的顶板是可靠的。

为了解顶板岩体中某些裂隙处是否存在应力集中及明显的变形，可在裂面上及其一侧分别贴电阻应变片量测，若二者无明显差别，则说明裂隙的存在并不影响顶板整体受力。

(2>载荷实验法
在有代表性的浅层洞体上，将顶板岩体修凿呈一梁状，有条件时在底面和侧面也可贴
设电阻应变片，并于其上分级加荷，观察其应力和变形。

通过实验可以了解在特定条件下洞体的变形特征、破坏形式和顺序。

此外，通过实验可以反求顶板岩体参数，建立它与岩样强度指标、岩体纵波速度等的相关性，借此评价其它洞体的稳定性。

(3>荷载传递线交汇法
对于完整的水平顶板参照桥梁设计规范，假定荷载按30。

一35。

扩散角向下传递，此传递线交于顶板与洞壁的交点以外时，即认为溶洞壁直接支承顶板上的外荷与自重，顶板是安全的。

3.2.3定量评价法
此法因涉及岩土体力学参数和边界条件甚多且不易确定，故一般先由假定条件建立相
应的物理力学模型或数学模型，再进行分析计算，据结果对岩溶空洞稳定性作出评价和判断。

1.稳定系数法[3v]
基底以下浅埋洞体稳定性评价取决于两类作用力的关系:(1>致塌力，包括洞顶岩土
自重，附加荷载，垂向和侧向渗流力，真空吸蚀力，振动力。

(2>抗塌力，主要是可能塌落岩土体周边摩阻力及颗粒联结粘聚力。

假定空洞顶板岩土体为松散破碎，在其上部四周形成圆锥形破坏面和柱状塌落体，由
朗金土压力理论求得塌落岩土体整个高度范围的圆柱体侧表面摩擦阻力F为。