Question

桂林岩溶区岩土工程勘察应注意的几个问题

Answer 1

岩土工程勘察是工程建设的一个重要过程，其成果质量将直接影响到建筑物地基基础设计，也关系着整个建筑物的工程安全和工程造价。因此，重视和提高岩土工程勘察成果质量，具有很重要的意义。以下是桂林岩溶区岩土工程勘察中应注意的几个问题。

1.5.1　抗剪强度剪切试验指标

土体的抗剪强度指标c、φ值的测试，是岩土工程勘察土工试验中重要的内容之一，在抗剪强度剪切试验中，由于试验方法和采用的固结排水条件不同，即使是同一土体，其抗剪强度c、φ值也可能相差很大，因此，在工程设计中，对地基土体c、φ值的选用尤为主要。

，在工程勘察中，为了尽可能模拟工程各种复杂的排水条件，在进行c、φ值剪切试验时，通常分为三种情况，即三轴剪切试验的不固结不排水剪，固结不排水剪和固结排水剪，（如用直接剪切仪，则为快剪，固结快剪和慢剪）。由于三轴剪切试验相对于直接剪切试验，更能模拟土体的实际受力状况以及更能严格控制排水条件，因此其c、φ值也更为可靠，但三轴剪切试验成本较高，受条件限制，要求所有的勘察单位提供三轴剪切试验结果，可能会有一定的困难。尽管如此，但很多规范都要求对一级建筑物必须要用三轴剪切试验结果，对二级建筑物也尽量用三轴试验，当条件不允许时，可用直剪试验结果代替。目前，桂林市的勘察单位也都大多提供直接剪切试验c、φ值结果。

除此之外，土体的应力历史和应力路径也是影响土体c、φ值的重要因素。

岩土体抗剪强度c、φ值是岩土工程设计中的一个很重要的力学指标。在岩土工程勘察中，地基承载力的理论计算，土体c、φ值是重要的参数；在深基坑支护设计中，深基坑土体侧向土压力是支护设计的依据，而基坑侧壁土体c、φ值又是侧向土压力计算中最关键的参数；在边坡工程、路基稳定等的定量评价中，滑坡带及路基土体的抗剪强度c、φ值也是评价计算中最重要的参数。

对各类岩土工程土体c、φ值试验方法的选择，一般的原则是：当地基土的透水性和排水条件不良，土体没有固结，施工速度又较快，土中的水来不及排出时，用不固结不排水剪（快剪）试验；而当地基土的透水性和排水条件较好时，且施工速度也较慢时，土体能够较充分地固结和排水，用固结排水（慢剪）试验结果；如果介于上述两者之间，可用固结不排水剪（固结快剪）结果。

1.5.2　标准贯入试验确定桂林红粘土地基承载力

目前，在桂林岩溶区工程勘察中，对于红粘土地基承载力的确定，大多是根据标准贯入试验结果，参照《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7—89）查表确定其承载力。

但在查表前，应按照《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7—89）进行修正，即：N＝μ－1.645σ。该修正公式的含义是：假定锤击数N 是随机变量，且服从正态分布，N 大于界限值（μ－1.645σ）的可能性为95％。一般来说，总体参数μ、σ是未知的，但可以用样本来进行统计。参数估计有点估计和区间估计两种方法，修正公式就是用样本均值来估计总体均值，用样本均方差s来估计总体均方差σ。这种点估计有一定的误差，要求抽样应具有随机性，样本容量n也应较大，点估计值才能较好的代表总体参数。该修正公式概念明确，是合理的，造成N 值偏小的原因不是公式本身造成的，而是由于统计样本数较少、参数离散性较大，导致标准差σ较大，正态曲线扁平，要达到95％的保证率，必然导致（μ－1.645σ）值较小，而较大程度地偏离总体均值μ。对于一般的单个工程项目，在同一土层的标贯击数一般大于6，但统计样本数有时不够多或者较离散，此时，利用该公式会带来误差。以《桂林高新七星区旅游商品批发城岩土工程勘察报告》的资料为例[14]，统计样本数为14个，锤击数平均值为7.57，而标准差则为1.55，修正后的锤击数仅为5.01，其所得承载力特征值145kPa。

根据《桂林高新七星区旅游商品批发城地基静力载荷试验报告》[15]，确定该场地红粘土地基承载力。根据有关规范规定，当试验实测值的极差不超过其平均值的30％时，取其平均值作为该层的地基承载力特征值fak，即fak =228kPa（表1.21，表1.22）。

表1.21 按载荷试验确定地基承载力特征值Table 1.21 Determination of Characteritic values of foundation bearing capacity by load test

表1.22 多种方法确定的地基承载力结果（kPa）Table 1.22 Result of subgrade bearing capacity determined by different methods（kPa）

以上分析可知，对于桂林高新七星区旅游商品批发城硬塑次生红粘土，由标准贯入试验确定的地基承载力。与其他各种方法包括载荷试验在内的结果比较，取值均偏低，在工程勘察实际中，应引起注意。

当按原位测试（如标准贯入试验锤击数）确定地基承载力时，由于桂林粘性土、砂土成因的多样化，导致标贯试验结果有时较离散，此时若仍按N＝μ－1.645σ修正结果查表求地基承载力，会得出与实际偏低的结果，因此，在工程实践运用时，需考虑分层的合理性、样本的数量、标准差等方面因素，使用时应慎重，并尽量增加标贯试验数量。

1.5.3　建筑物的地基变形计算

地基沉降计算或验算是岩土工程勘察报告提供结论与建议的前提基础。影响建筑物地基沉降的因素有很多，如地基土的分布、基础类型和刚度、荷载分布、上部结构的体系和刚度、地下水、周围环境及堆载等，都会对地基沉降产生影响，这方面的研究和报道国内也很多，在此不多加以叙述，这里只对地基沉降计算过程中的公式做一些讨论说明。

1.5.3.1　压缩模量E_s的取用

不论是《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002），还是《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）有关的地基沉降计算公式，地基土层的压缩模量E_s都与计算的沉降值成反比关系，即地基土的E_s增大多少倍，那么沉降值将缩小相同的倍数，可见E_s对沉降量的影响之大。

目前，在沉降计算中，一般是采用室内土工压缩试验得出的结果，但是很多岩土工程勘察报告只提供压应力为100～200kPa范围内的E。值。以100～200kPa压力范围内的E_s来计算沉降，对过去的中低层建筑也许合理，但是近几年来许多高层建筑甚至超高层建筑的出现，以及桩基下地基，其压力范围远不止100～200kPa，因此应该用其实际压力，规范对此也作了严格的规定，即应当取该层地基土在自重压力至自重压力加附加压力作用时的压缩模量，在实际计算时，可根据室内土工压缩试验结果e-p曲线计算：E _si=（1+e_li）/a_i; a_i=（e_1i-e_2i）/（p_2i-p_1i）。

用实际压力范围计算的E_s值与用100～200kPa压力范围的E_s有时相差较明显，对于一些对沉降要求较高的建筑物（如框架结构），由于E_s的误差，有时可以导致基础方案的选择，而这一点常常被工程设计人员所忽视。

1.5.3.2　沉降计算经验修正系数ψ_s或ψ

在《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）表5.3.5中，地基最终沉降量计算公式中的沉降计算经验修正系数ψ_s的变化范围从0.2～1.4，而在《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）表5.5.11，桩基沉降计算经验系数ψ的变化范围也从0.4～1.2，变化幅度范围较大，对地基最终沉降的影响很大。目前，各地对沉降计算经验修正系数的数值规定差别很大。如上海地基规范规定其值随附加压力P₀ 的增大可以从0.7 变化到1.3；天津地基规范的修正系数值为基础底面平均压力p与地基承载力设计值f之间的比值；深圳地基规范则又不同。因此，各地应该建立在沉降实测基础上的本地经验修正系数，不能完全照搬国标《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）中的规定。

1.5.4　地基稳定性分析评价

岩溶地区发育有大量对地基稳定性有着重要影响的溶洞、土洞等不良地质现象，溶洞、土洞在人为或自然因素的诱发下，易使地基产生塌陷失稳，影响建筑物的安全稳定，因此，场地稳定性正确分析评价，在岩溶地区显得尤为重要。

目前，在桂林市的岩土工程勘察实践中，对岩溶地基稳定性的评价，主要有以下3种方法：①对岩溶地基的影响因素作定性评价；②依据《工程地质手册》（第四版）或《岩土工程手册》中所推荐的经验公式，进行相关验算的评价方法；③依据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）或《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）中有关规定的评价方法。这些方法手段在工程实践中被广泛运用，但在运用过程中，应注意它们的适用性和使用条件，若不能够了解或把握，就不能很好地对岩溶地基稳定性作出客观正确的评价。

《工程地质手册》（第四版）或《岩土工程手册》中所推荐的经验公式主要有：①根据溶洞顶板坍塌自行填塞洞体所需厚度进行计算；②根据顶板裂隙分布情况，分别对其进行抗弯、抗剪验算；③根据极限平衡条件，按顶板能抵抗受荷载剪切的厚度计算；④根据普氏压力拱高度计算。它们都有具体的计算公式，方便简单，计算能得出明确的结果，因此在人们的印象中，可能会认为这些方法是定量评价方法。其实它们只能认为是半定量评价方法，其计算的结果有时与实际有较大的出入。首先它们都是一些经验性公式，计算公式在推导过程中，受力条件作了一些简化；其次，在这些计算公式中，要求有溶洞（土洞）的尺寸大小、埋藏深度等计算参数，但在工程实践中，就目前的技术条件和水平，要想很准确地获取这些参数数据，有一定的难度，一般还是依据工程地质剖面图（或工程地质柱状图）来推断溶洞（土洞）的尺寸、形状和位置，而工程地质剖面图中溶洞（土洞）的形状、尺寸，带有较大的人为主观推断因素，这将影响岩溶稳定性计算评价的结果。尽管目前已有地质雷达（CT）进行地下岩溶探测的技术，但受条件所限，在桂林市的场地岩土工程勘察中还用得不多，建议以后在岩土工程勘察中，多加强这方面的工作，尤其在重要工程、大型工程或岩溶强发育地段。

在《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）中或《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）中均规定，在岩溶地区，当基础底面以下的土层厚度大于3倍独立基础底宽，或大于6倍条形基础底宽，且在使用期间不具备形成土洞条件时，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响。此条规定简单明了，使用方便。但实际上，在《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）规定厚度以下的溶洞或土洞对地基稳定性还是有影响的，仅仅考虑基础底面以下的土层厚度是不够的，规范规定没有考虑以下几个影响因素：

（1）下伏溶洞或土洞的规模尺寸、形状。对于小规模跨度的溶洞或土洞，对地基稳定的影响不大，适用《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）中的规定。若溶洞或土洞的跨度较大，即使符合规定的土层厚度，也可能导致地基塌陷失稳，因此还需要辅以其他的方法进行稳定性判别。此外，溶洞或土洞的横断面形状对岩溶地基的稳定性也有影响，因不规则形状的溶洞或土洞周边易产生应力集中，一般来说，圆形或近圆形的溶洞或土洞较不规则形状的溶洞或土洞更稳定。

（2）地下水的存在及其水位。若存在地下水且地下水位在土洞所处位置的范围内上下波动，则不利于土洞的稳定，并有可能使规定厚度以下的土洞坍塌失稳，进而影响上部地基的稳定。对于由砂、粉土等组成的岩溶地基，如桂林漓江一级阶地，很多地基即使符合《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）中的厚度规定，也常发生地基塌陷，这主要是由于砂、粉土的黏聚力较低，若遇上久旱突降暴雨，地下水位迅速上升，则进一步降低了地基土的抗剪强度。

（3）土洞内的充填物。对于土洞地基而言，洞内是否有充填物，对于地基稳定性有着重要的影响，但对于溶洞地基的影响则相对较小。例如，桂林岩溶地区红粘土地基中发育的土洞，常常可以看到被软、流塑粘性土充填的情形，此时，可大大地增加土洞的稳定性，因此，地基的土层厚度即使达不到《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）中的规定厚度，土洞地基也可能处于稳定状态。

由于规范的权威性，因此人们往往容易忽略上述因素的影响，在工程设计中应引起重视。