岩溶地区地基处理及稳定性分析

《现代工程地质学》
读书报告
岩溶地区
地基处理及稳定性分析
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学号：********
班级：硕1508班
专业：地质资源与地质工程
指导老师：王连俊教授
岩溶地区地基处理及稳定性分析
岩溶地区的地质构成常常会引起地基的不均与沉降、承载力不足以及地基的塌陷或滑动等严重破坏。

而随着经济的发展，越来越多的建筑工程在岩溶地区展开，岩溶地基就成为了工程建设过程中最为突出、亟待解决的重要问题。

一、岩溶地区存在的工程地质问题
岩溶地区就是我们常说的喀斯特地貌，是硫酸盐岩、碳酸盐岩等可溶性的岩石在水的腐蚀和崩塌的作用下，产生的各种地质形态、作用和现象的统称。

在这样的地区进行工程建设，建筑物的基础很容易遇到土洞、溶洞等不良的地质问题。

这些天然的土洞和溶洞都是由能够溶于水的石灰岩组成的，由于石灰岩长期受到水的冲刷和溶蚀，石灰岩的结构出现变化，日积月累就会形成土洞和溶洞。

这些天然的土洞和溶洞不管是大小还是分布都会造成工程建筑在设计和施工方面的重大影响。

在岩溶地区进行工程建筑，地基处理是工程施工中的难点，更是重点。

以下是岩溶地区可能出现的工程地质问题。

（1）地基不稳及塌陷问题
由于地表的岩溶作用，石灰岩的表层会有溶沟发育，在这些发育的溶沟之间常常会残留尖棱状或者锥状的石芽，导致石灰岩地基出现高低不平的现象，从而形成石芽地基。

此外，石芽间的溶沟会被土填充，所以具有较低的强度和较高的压缩性，容易引起建筑地基的不均匀沉降，从而无法保证建筑的稳定性。

土洞地基和溶洞地基也容易在建筑物的荷重作用下产生塌陷，给建筑物造成严重的安全隐患。

（2）突水和渗漏问题
在岩溶地区，由于岩体中存在的缝隙、溶洞和管道，导致在地基基坑开挖或隧道开挖时，如果有承压水，那么很容易引起地下突水，从而导致地基基坑的排水困难，严重的还会把地基淹没。

影响岩溶地基稳定性的自身因素有：溶洞顶板的厚度和跨度，洞体完整程度和充填情况，岩体强度和产状分布，岩溶裂隙发育和。

外部因素有：荷载大小和作用时间长度等。

二、岩溶地区的地基处理
岩溶地基变形破坏主要形式有地基承载力不足、不均匀沉降、地基滑动、地表坍塌等。

岩溶地基处理方法视具体情况采取“不处理”、“绕避”、“处理”三类措施。

属于下列情况的，岩溶地基可不加处理：
➢岩溶在基础影响范围以外；
➢溶洞处于地基压缩层深度以下或垂直附加应力与洞顶地层自重应力之比≤10%时；
➢洞顶板无破碎现象，受力地基边缘无土洞、漏斗、落水洞地段；
➢基础位于微风化硬质岩表面且宽度小于1 m的竖向洞隙旁，洞隙被密实充填且无被水冲蚀可能地段；
➢洞体厚跨比大于1，围岩完整性好或洞体小于基础底面。

当遇到以下情况时，宜采取“绕避”措施：
（1）岩溶区
断裂、孔隙发育，宽度和密度较大，其底与溶洞、暗河相通的地段；
➢溶洞、暗河发育地区，溶洞的洞径大、顶板薄、裂隙发育、基岩破碎，暗河水流较大且洞内无或少充填物的地段；
➢岩溶水以表流和暗流交替出现，岩溶发育复杂无规律；
➢落水洞分布较密且漏水严重，塌陷时常发生的地段；
➢基岩起伏、流塑或可塑软土分布广且厚度变化大、地下水活动强烈地段；
➢地基处理费用太高的地段。

（2）土洞区
➢土层薄、裂隙发育且地表水入渗条件好，其下伏基岩有通道、暗河或呈负岩面的地段；
➢石芽或出露岩体与上覆土体交接处，岩体裂隙、通道发育为地表水集中入渗的地段；
➢地层下岩体两组结构面交汇或处于宽大裂隙带上的地段；
➢隐伏的深大岩溶洞、隙、沟、槽、漏斗等，其临近基岩面以上有软弱土层分布地段；
➢降雨漏斗的中心地段及地面低洼、地面水体近旁的地段。

当岩溶体地基的强度和稳定性不能满足工程要求，常据岩溶具体情况、工程要求、施工条件，按照安全性与经济性原则选择适当的地基处理方法。

总体来说，岩溶病害的处理主要有挖填、夯实、灌浆、控制抽排水强度、填石加混凝土、钢筋混凝土盖板和桥跨的方法进行治理。

（1）填垫法
该法可分为充填法、换填法、挖填法、垫褥法等几类。

充填法：裸露岩溶土洞，其上部附加荷载不大的情况。

最底部须用块石、片石作填料，中部用碎石，上层用土或混凝土填塞，以保持地下水的原始流通状况，使其形成自然的反滤层。

换填法：当已被充填的岩溶土洞，如充填物物理力学性质不好，可采用换填法。

须清除洞中充填物，再全部用块石、片石、砂、混凝土等材料进行换填。

挖填法：对浅埋的岩溶土洞，将其挖开或爆破揭顶，如洞内有塌陷松软土体，应将其挖除，再以块石、片石、砂等填入，然后覆盖粘性土并夯实，称挖填法。

此法适用于轻型建筑物，并且要估计到地下水活动再度掏空的可能性。

为提高土体强度和整体性，在填入块石、片石填料时，注入水泥浆液；对于重要工程基础下或较近的溶洞、土洞，除去洞中软土后，将钢筋或废钢打入洞体裂隙后再用混凝土填洞，对四周的岩石裂隙注入水泥浆液，以粘结成整体，并阻断地下水。

垫褥法：对岩溶洞、隙、沟、槽、石芽等岩溶突出物，可能引起地基沉降不均匀，将突出物凿去后做30～50cm砂土垫褥处理，称为垫褥法。

（2）加固法
该法通常包括灌浆法、顶柱法、强夯法、挤密法、浆砌法等。

灌浆法：对埋深较大的岩溶土洞，宜采用密钻灌浆法加固。

应视岩溶洞隙含水程度和处理目的来选择材料。

用于填塞时，可用粘土、砂石、混凝土、水泥砂浆等；用于防渗时，可用水泥浆和沥青作帷幕，灌浆顺序可先外围后中间，先地下水上游后下游；用于充填加固时，用快干材料或砂石等将洞隙先行填塞，开始时压力不宜过高，以免浆料大量流出加固范围。

顶柱法：当洞顶板较薄、裂隙较多、洞跨较大，顶板强度不足以承担上部荷载时，为保持地下水通畅，条件许可时采用附加支撑减少洞跨，称顶柱法。

一般在洞内做浆砌块石填补加固洞顶并砌筑支墩作附加支柱。

强夯法：在覆盖形岩溶区，处理大面积土洞和塌陷时，强夯法是一种省工省料、快速经济且能根治整个场地岩溶地基稳定性的有效方法。

一般夯击遍数1～8遍，夯点距3m。

如无地下水影响，两遍夯击间歇时间可不受限制，在夯击过程中，如果夯锤突然下陷，说明下部有隐伏土洞，此时可随夯随填土或砂砾土料处理。

挤密法：对岩洞土洞中软土较深地段，适宜于挤密法。

采用砂柱、石灰柱、松土桩、混凝土桩或者钢管等打入洞内，形成复合地基，提高地基稳定性和强度。

（3）跨越法
包括板跨法、梁跨法、拱跨法等。

板跨法：深度较大、洞径较小不便入内施工或洞径虽大、但因有水的溶洞，可据建筑物
性质和基底受力情况，用混凝土板或钢筋混凝土板封顶，称板跨法。

梁跨法：对埋藏较深但仍位于地基持力层内的规模较小的塌陷或土洞，可用弹性地基梁或钢筋混凝土梁跨越土洞或塌陷体。

拱跨法：在地下建筑工程的边墙、堑式挡墙、堤式坡脚挡墙及桥墩、桥台等地基下常见洞身较宽、深度又大、洞形复杂或有水流的岩溶地基，宜采用拱跨形式。

拱一般分为浆砌片石拱、混凝土拱、钢筋混凝土拱。

（4）桩基法
溶洞、塌陷漏斗较深较大或溶洞多层发育，可采用桩基础。

在基岩起伏处，其上覆土层性质较软弱、厚度又大、不易清除时，宜采用钻孔或冲孔灌注桩、爆扩桩，视工程需要作支承桩或摩擦桩，桩头锚入基岩内；采用打入桩时，桩尖应锚入基岩，采用人工挖孔桩时，多数情况开挖时宜设护壁。

三、岩溶地基稳定性分析方法
对稳定围岩，将洞体顶板视作结构自承重体系，可用结构力学分析法；对不稳定围岩，一般用散体理论分析法。

目前对岩溶洞体稳定性评价方法有定性、半定量和定量之分。

1、定性稳定性评价方法
定性岩溶地基稳定性分析评价是基于经验性质的分析方法。

是根据已经查明的工程地质条件，结合工程现场实际对岩溶地基的稳定性进行非定量的分析。

综合分析法和经验分析法在工程中采用的比较多，一般是在初步勘查阶段对岩溶地基的稳定性进行评价，见表1。

表1综合分析法评价表
另外，比拟法，排除法，专家系统评价法在岩溶地基评价中比较常用，比拟法是依据工程地质条件，与类似的已有的岩溶地基稳定性评价工程的工程实例进行类比分析；排除法是结合岩溶的形态条件，结合工程使用情况，对岩溶地基安全与不安全两个极端去确定范围与条件，作为岩溶地基稳定性评价的依据。

综合分析法和经验分析法没有采用某一确定的量对岩溶稳定性进行分析，使用中随意性较大，每个人根据自身经验进行评价。

这类方法如果能结合地质资料中的影响岩溶地基稳定性的各项因素进行综合分析，在工程实践中不断的进行修正与改进，还是可以得到客观性的评价。

2、半定量稳定性评价方法
半定量的岩溶地基稳定性分析方法主要是结合影响岩溶地基稳定性的各项因素，将岩溶问题简化成近似的力学模型进行计算分析，主要是对岩溶溶洞顶板的安全距离和溶洞距离路基的安全距离进行估算。

根据岩溶顶板的工程地质条件的不同有荷载传递线交汇法、厚跨比法、剪切估算法、梁板受力估算法、溶洞顶板坍塌堵塞估算法和破裂拱概念估算法。

本类方法简单，计算容易，但是只是考虑了影响岩溶地基稳定性的部分因素，在工程中，各种方法的适用性受到了限制，要根据不同的岩溶形态进行选择。

岩溶问题复杂多样，没有一种固定的模型可以将问题全部的解决。

实际上，岩溶地基的稳定性问题主要是对岩溶溶洞的顶板稳定性问题进行分析评价。

这里主要介绍顶板厚跨比法和结构力学近似分析法两种半定量评价分析方法。

（1）顶板厚跨比法
溶洞稳定性的影响因素较多。

一些建筑在建设的过程中，难免会出现将其建在溶洞之上的状况。

根据经验表明，溶洞顶板的完整性较好时，顶板厚度与跨越顶板的长度之比为h L⁄≥0.5时候，可以认为溶洞是安全的。

溶洞的稳定性由于受到其完整程度，形态样式，顶板的厚度和跨度的影响，在实际的判断其稳定性的过程中要考虑的因素较多一些。

厚跨比法是将溶洞与上部顶板看作是理想化了的模型的一种简单的稳定性判定方法，厚跨之间关系用一定的数据来表达，认为其是否安全。

本方法在稳定围岩的溶洞稳定性判定中，近似的将水平跨度L和顶部最薄处厚h进行厚跨比计算，如上所述，h L⁄≥0.5时认为溶洞是安全的，反之则不安全。

一般情况下如果厚跨比能达到h L⁄≥1.0则可以作为一个安全的界限。

完整顶板的情况下，可以将水平方向的溶洞顶板厚跨比作为判定顶板安全厚度的判别值，由工程经验可知:
h
L⁄≥0.5，处于安全状态
h
L⁄≤0.5，处于不安全状态
h
L⁄≥1.0，作为安全界限
也就说是当溶洞厚跨比大于1.0时，那么一般情况下，溶洞的稳定性可以得到保障。

（2）梁板抗弯估算安全厚度
岩溶溶洞内部没有完全填充或者溶洞下部洞体无填充物时，可以将其简化成力学模型进行稳定性计算分析，对顶板的安全厚度进行估算并与实际顶板进行比较，做出稳定性分析。

实际工程中，溶洞、上部路基和周边岩石可以看成一个整体结构，然后进行简化，形成可以进行力学计算的模型。

梁板抗弯估算法是针对厚跨比较小的溶洞进行安全顶板厚度估算。

在这中情况下，顶板弯矩所起的作用最明显，就要结合溶洞顶板厚跨比h L⁄<0.5，进行梁板抗弯简化模型计算。

具体计算步骤如下：
设L为路基底部溶洞的宽度，顶板上部荷载为q，主要是由自重和车载产生。

简化的梁板宽b，一般选择路基顶部宽度进行计算。

下面可进行抗弯验算。

6M bh2≤[α]→h≥√6M
b[α]
，其中，M=αqL2
[α]——允许抗弯强度，灰岩情况下取自身抗压强度1/8；
α——系数，取值标准如下：
顶板有裂缝时，两端岩石完整，按简支梁计算，α=1/2；
顶板其中的某一个支座处有裂缝，其他完整，简支梁来计算，α=1/8；
顶板完整时，按固定梁计算，α=1/2。

当h L⁄≤0.5，时，可以近似看作为圆拱进行计算。

首先进行内部受力分析，然后根据岩石的物理力学参数进行应力验算。

石灰岩可根据表2进行取值计算。

在当洞顶接近拱形时，不论h L⁄如何，均可按拱形进行计算。

（3）采用梁扳抗剪方式估算安全厚度
完整顶板情况下，岩层厚度大，强度高，洞跨较小，剪力控制溶洞变形的情况下采用这种方法。

安全厚度按受剪公式计算：
T=Q1+Q2
T=τ×H×L
H=K×Q1+Q2τ×L
τ——岩体的抗剪强度，石灰岩一般为其允许抗压强度的l/12
L——路基下溶洞的平面周长(m)，L=2(B+b)
H——溶洞顶板安全厚度(m)；
B——路堤底宽(m)；
b——溶洞宽度(m)；
K——安全系数。

取1.10～1.25(高速公路取大值)；
Q1——路基范围内的溶洞顶板自重(KN)；
Q2——附加荷载(包括填土和活载)(KN)．
（4）坍塌填塞法
松散介质力学平衡理论经过了简化处理，可以引用到岩溶地基中溶洞的安全顶板厚度的估算中来。

自然状况下的岩溶溶洞顶板呈现块状和碎块状。

岩体在进行坍塌后体积都会增加，膨胀后松散的填塞到溶洞内。

溶洞坍塌以后，体积扩大后会把洞体填满。

忽视了其他的因素用坍塌高度加上适当的安全系数，求得岩溶溶洞的顶板安全厚度。

这里假设溶洞自身体积为V0，坍塌体积为V，可以得出:
V×K=V0+V → V=
V0 K−1
其中，K——岩石的膨胀系数。

一般取1.2，黏性土取1.05．
假设岩溶溶洞的断面接近矩形，洞高度为H0，溶洞的最大坍塌安全厚度为h，溶洞的截面积为S，可得:
V0=SH0V=SH
可以简化为:
H=H0
K−1
当溶洞顶板的厚度大于估算的坍落安全厚度时，则溶洞是稳定的；反之，则不稳定。

（5）经验公式法
这种方法是基于隧道塌方归纳得出。

其认为在松散岩层的坍塌中，会形成空洞，引起围岩强度降低，围岩应力进行了重分布与空洞的应力得到了释放后，会在原顶板部位形成松弛带，具有平衡拱作用。

经验公式为:
h=0.45×26−S×W
其中，h——垂直荷载计算高度（m）；
S——围岩级别；
W——空洞宽度影响系数，W=1+i(B+5)；
B——洞体宽度；
i——系数；当B<1m时i=0.2，当B>5m时，i=0.1。

总的来说，顶板厚跨比法和结构力学方法的评价效果较好，坍塌法和经验法只对溶洞高度和宽度进行考虑，稳定性分析效果不理想。

用坍塌法和经验公式这两种方法的稳定性评价结果较一致，但是与顶板厚跨比法和结构力学方法有较大的差异，这主要是因为坍塌法只考虑了溶洞的高度，经验公式法只考虑了溶洞的宽度的因素。

采用定性和半定量方法分析岩溶地基稳定性过程中，要结合岩溶发育的形态特征，利用合适的方法进行分析，使用经验和计算相结合的方法进行评价。

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