Question

桂林岩溶地基稳定性分析评价常用方法

Answer 1

在桂林岩溶区的岩土工程实践中，岩溶地基稳定性评价分析的常用方法，主要采用以下定性评价和定量评价方法。

1.6.1　岩溶地基稳定性定性评价

影响含溶洞岩石地基稳定性的因素很多，有岩体的物理力学性质、构造发育情况（褶皱、断裂等）、结构面特征、地下水赋存状态、溶洞的几何形态、溶洞顶板承受的荷载（工程荷载及初始应力）、人为影响因素等，它们是地基稳定性分析评价的重要依据。

1.6.1.1　断裂构造

岩溶地基失稳的主要表现形式是岩溶塌陷，可溶性基岩中的断裂、裂隙的力学性质、构造岩的胶结特性、裂隙发育程度、规模及其与其他构造的组合关系等，在一定程度上控制了岩溶地基的稳定性。断裂构造的存在，总体来说对岩溶地基稳定性不利。断裂构造的力学性质、规模、构造岩的胶结特征、裂隙发育程度及与其他构造的组合关系，在一定的程度上决定了岩溶地基的稳定性。

张性或张扭性断裂的断裂面较粗糙，裂口较宽，构造岩多为角砾岩、碎裂岩等，且多呈棱角状，粒径相差大，胶结较差，结构较松散，孔隙较大，透水性强，对岩溶地基稳定性不利，如桂林市西城区许多岩溶地基的塌陷失稳，均分布在张性或张扭性断裂带上或其附近；而压性或压扭性断裂的裂面较平直、光滑、裂口闭合、胶结较好、结构较致密、透水性差，不利于地下水活动，对地基稳定性影响较小。

1.6.1.2　褶皱构造

在纵弯褶皱作用下，较易在褶皱转折端处形成空隙——虚脱现象，同时在褶皱核部易形成共轭剪节理及张节理，这些部位的空隙及裂面粗糙，胶结较差，地下水活动较频繁，对含溶洞岩石地基稳定性不利；而平缓的大型褶皱，对地基稳定性影响较小。

1.6.1.3　结构面

当含溶洞岩石地基中存在结构面，如节理等，对其稳定性不利。结构面的性质、成因发展、空间分布及组合形态，是影响稳定性的重要因素。一般来说，次生破坏夹层比原生软弱夹层的力学性质差得多，如再发生泥化作用，则性质更差。若溶洞周边处出现两组或两组以上倾向不同斜交的结构面，就极有可能产生坍落或滑动。例如，2002年8月，位于桂林理工大学（原桂林工学院）附近的屏风山，山体靠近建干路一侧，发育有一洞高约3 m 的溶洞，该溶洞顶部由于存在多组斜交的结构面，顶部突然坍落直径数米、重达数十吨的石灰岩块石。

1.6.1.4　岩石

当石灰岩呈厚层块状，质纯，强度高时，并且岩石的走向与溶洞轴线正交或斜交，角度平缓，对地基稳定性影响较小；反之，对地基稳定性不利。桂林市区中心的石灰岩为泥盆纪融县组灰岩多呈厚层块状，质纯，强度较高，市区北面和西面分别分布有少量石炭纪泥质灰岩和石炭纪硅质灰岩，这两类岩石较少岩溶发育。

1.6.1.5　溶洞洞体

当溶洞埋藏较深，覆盖层较厚，洞体较小（与基础尺寸比较），溶洞呈单体分布，且呈圆形时，对地基稳定性影响较小；反之，对地基稳定性不利。另外，当溶洞内有充填物时，也对地基稳定性有利。

1.6.1.6　地下水

地下水是影响含溶洞地基稳定性的重要因素，地下水的活动将降低岩体结构面的强度。当水位变化较大或有承压水时，也可改变地基溶洞周围的应力状态，从而影响地基的稳定性。桂林漓江水位的升降变化，是影响漓江两岸一级阶地岩溶塌陷最重要的影响因素。

1.6.1.7　其他因素

人工爆破、人为大幅度降水、交通工具加载或振动、地下工程施工及基坑开挖等产生临空面而改变溶洞周围应力状态、地震（水库诱发地震）等，都有可能引起溶洞地基的塌陷失稳。

1.6.2　岩溶地基稳定性定量评价

定量评价法是在取得详细的岩土工程勘察资料和岩土体分布情况、物理力学参数的情况下采用的评价方法，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作出评价和判断。

在工程实践中，目前常用的方法中，其一般力学机制，可认为是溶洞上部的岩土体整体往下塌陷，即为整体破坏型式。通过溶洞发育规律及溶洞塌陷体的形状分析还发现，其破坏机制除整体破坏型式以外还有溶洞洞壁内部破坏的型式。

假定溶洞岩石地基呈整体下塌失稳，稳定性评价计算，可按下面方法综合进行：

1.6.2.1　根据溶洞顶板坍塌自行填塞洞体所需厚度进行计算^[2]

洞体顶板被裂隙切割呈块状、碎块状，顶板塌落后体积松胀，当塌落向上发展到一定高度，洞体可被松胀物自行堵塞。在没有地下水搬运的情况下，可以认为洞体空间已被支撑而不再向上扩展了。设洞体空间体积为V₀，塌落体体积V，此时塌落高度H 可由下式确定：

V·m = V₀ +V 或 V₀ = V（m -1）

式中：m 为顶板岩石的松胀系数，对岩石取1.1～1.3，视坍落后块度定；对土取1.05～1.1。

设洞体顶板为中厚灰岩，洞体截面积为F，洞高H₀，假定塌落前后洞体均为圆柱形，则

V₀ =F·H₀,V =F·H

那么，自行堵塞洞体所需的溶洞顶板安全厚度为：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

如高度H 以上还有外荷载，则还应加以荷载所需的厚度，才是洞体顶板的安全厚度。

1.6.2.2　根据顶板裂隙分布情况，分别对其进行抗弯、抗剪验算^[2]

（1）当顶板跨中有裂缝，顶板两端支座处岩石坚固完整时，按悬臂梁计算：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

（2）若裂隙位于支座处，而顶板较完整时，按简支梁计算：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

（3）若支座和顶板岩层均较完整时，按两端固定梁计算：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

抗弯验算：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

抗剪验算：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

以上各式中：

M——弯距（kM ·m）;

p——顶板所受总荷重p=p₁+p₂+p₃;

p₁——顶板厚为H的岩体自重（kN/m）;

p₂——顶板上覆土层重量（kN/m）;

p₃——顶板上附加荷载（kN/m）；

l——溶—洞跨度（m）

σ——岩体的计算抗弯强度（石灰岩一般为允许抗压强度的1/8）（kPa）;

f_s——支座处的剪力（kN）;

S——岩体的计算抗剪强度（石灰岩一般为允许抗压强度的1/12）（kPa）;

b——梁—板的宽度（m）;

H——顶板岩层厚度（m）。

适用范围：顶板岩层比较完整，强度较高，层理厚，而且已知顶板厚度和裂隙切割情况。

1.6.2.3　根据极限平衡条件，按顶板能抵抗受荷载剪切的厚度计算^[2]

F+G = UH S

式中：F——上部荷载传至顶板的竖向力（kN）;

G——顶板岩土自重（kN）;

U——洞体平面的周长（m）;

S——顶板岩体的抗剪强度，对灰岩一般取抗压强度的1/12。

1.6.2.4　递线交会法

在剖面上从基础边缘按30°～45°扩散角向下作应力传递线，当洞体位于该线所确定的应力扩散范围之外时，可认为洞体不会危及基础的稳定。由定性评价中的洞体顶板厚跨比（H/L）可知，当集中荷载作用于洞体中轴线，H/L为0.5时，应力扩散线为顶板与洞壁交点的连线，它与水平面夹角相当于混凝土的应力扩散角450；当H/L为0.87时，相当于松散介质的应力扩散角300。

1.6.2.5　规范法

根据《建筑地基基础设计规范》（GBJ 50007—2002）的第6.5.2条和第6.5.4条规定进行判定。这也是当前岩土工程勘察中用得较多的方法之一。

该规范第6.5.2条规定：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的条件时，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响。

第6.5.4条规定：当溶洞顶板与基础底面之间的土层厚度小于本规范第6.5.2条规定的要求时，应根据洞体大小、顶板形状、岩体结构及强度、洞内充填情况以及岩溶水活动等因素进行洞体稳定性分析，当地质条件符合下列情况之一时，可不考虑溶洞对地基稳定性的影响。

（1）溶洞被密实的沉积物填满，其承载力超过150 kPa，且无被水冲蚀的可能性；

（2）洞体较小，基础尺寸大于洞的平面尺寸，并有足够的支承长度；

（3）微风化的硬质岩石中，洞体顶板厚度接近或大于洞跨。

1.6.2.6　含溶洞岩石地基局部破坏型式稳定性分析

上述岩溶地基的稳定性评价计算方法，都是假定含溶洞地基产生整体破坏为前提，且它们没有考虑溶洞断面形态、地下水等的影响。在工程实践中发现，许多含溶洞地基的破坏往往是由局部破坏进而发展到整体破坏，由溶洞内部破坏再发展到外部塌陷失稳。文献[16]利用弹性理论，推导了岩石地基中溶洞周围的应力状态，利用格里菲斯强度理论，对含溶洞岩石地基的稳定性进行了定量计算判别。并且发现基础底面尺寸、溶洞顶板厚度、溶洞跨度（直径）、溶洞的断面形状对地基稳定性的影响很大，而地下水产生的“真空吸蚀作用”对地基稳定性的影响很小，洞内充填物对地基稳定的作用不明显。