Question

岩溶地基稳定性评价应注意的几个问题

Answer 1

在岩溶地区，由于岩溶作用，建(构)筑物地基中广泛地分布有对地基基础稳定性有较大影响的溶洞和土洞，岩溶地基的稳定性分析评价是岩溶区工程建设的重要问题之一，它直接关系到工程建设的可行性，安全性及工程造价等。对岩溶地基稳定性的评价，目前主要是《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002 或《岩土工程勘察规范》GB50021—2001中有关规定的定性评价方法，以及依据经验公式进行相关验算的定量评价方法，如《工程地质手册》中所推荐的方法。这些定性、定量方法在工程实践中被广泛运用，但在运用过程中，许多工程技术人员对它们的适用性和使用条件不够了解或了解得不透彻，以至于不能很好地对岩溶地基稳定性作出客观的评价。以下对常用的几种岩溶地基稳定性评价方法，在使用过程中应注意的一些问题加以指出分析。

6.1 《规范》 评价方法

在《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002的第6.5.2条或《岩土工程勘察规范》GB50021—2001的第5.1.10条第一款，均规定：“在岩溶地区，当基础底面以下的土层厚度大于三倍独立基础底宽，或大于六倍条形基础底宽，且在使用期间不具形成土洞条件时，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响”。众所周知，由基础底面处的附加应力P₀，在地基中的扩散作用，越往地基以下，附加应力P₀产生的影响越小，当距基础底面的土层厚度为三倍独立基础宽度及六倍条形基础宽度时，基底附加应力P₀在上述位置处所产生的附加应力，算得分别只有0.052P₀和0.11P₀，再往下，基底附加应力所产生的影响则更小，从工程角度来说，可忽略不计。因此可以理解为，只要三倍独立基础底宽隐搏袭或六倍条形基础底宽深度范围内不存在溶洞土洞，地基则稳定安全，在此深度以下，即使存在溶洞或土洞，可不考虑其产生的不利影响，这应该是《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)第6.5.2条规定或《岩土工程勘察规范》GB50021—2001的第5.1.10条第一款的本意。

假定岩溶地基符合上述《规范》规定，但在规定的土层厚度深度以下存在溶洞或土洞，按《规范》规定可不考虑岩溶对地基稳定性的影响。实际上，规定厚度以下的溶洞或土洞对地基稳定性还是有影响的，仅仅考虑厚度是不够的，该方法没有考虑以下几个因素的影响：

6.1.1 下覆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，可以运用以上《规范》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，则也可能导致银模地基塌陷失稳，因此还需要辅于其他的方法进行稳定性判别。

6.1.2 地下水的存在及水位的高低

一般来说，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灶兄动，则不利于土洞的稳定，就有可能使规定厚度以下的土洞向上坍塌失稳，进而影响上部地基的稳定。

6.1.3 地基岩、土层的组成

对于由沙土、粉土等组成的岩溶地基，如广西桂林漓江一级阶地，很多地基即使符合《规范》中的厚度规定，也常发生地基塌陷，这主要是由于沙、粉土的内聚力较低，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。

6.1.4 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，对于溶洞地基的影响较小，但对于土洞地基影响则较大。例如，桂林岩溶地区硬塑红粘土地基中发育的土洞，常常可以看到被软、流塑黏性土充填的情况，此时，可大大地增加土洞的稳定性，因此，地基土层厚度即使达不到《规范》中的规定厚度，土洞地基也可能稳定。

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。

6.2 顶板塌陷堵塞法

该法是根据溶洞、土洞顶板坍塌自行填塞洞体所需厚度进行计算，顶板坍塌后塌落体体积松胀增大，当塌落向上发展到一定高度，洞体可被松胀物自行堵塞填满，无需考虑对地基的影响。所需塌落高度H按下式计算^[15]：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：H₀为洞体最大高度(m)；K为顶板岩石松散(胀余)系数，石灰岩K取1.2，粘土K取1.05。

它认为只要溶洞或土洞顶板以上岩土层的厚度大于临界高度H，则无需考虑对地基的影响。事实上，塌落充填物对地基还是有影响的，可分为两种情况进行讨论：

(1)当溶洞或土洞顶板以上岩土层的厚度刚好等于临界高度H，此时，洞体刚好被塌陷松胀物自行堵塞填满至地面。若是溶洞，那么原来的岩石则塌陷变成碎石，地基的承载力大大降低，碎石即使是处于密实状态，其承载力也只有700～900kPa，也远低于原来的岩石可达数千千帕的地基承载力，况且塌陷后的碎石往往呈松散状态，其承载力更低；若是土洞，原来的原状土则塌陷变成新近沉积土，其地基承载力的经验值仅为80～140kPa，压缩模量的经验值为2～7.5MPa，均远低于原状岩、土原来的数值，不利于地基基础的设计。

(2)当溶洞或土洞顶板以上岩土层的厚度大于H，原来的溶洞或土洞若塌陷则被充填满，此时塌落向上发展还没有到达地面，洞体就被填满，洞体内松散的岩、土塌陷体可认为是地基的软弱下卧层，在地基基础设计时，必须进行软弱下卧层的验算。

还有一点需注意的是，根据岩石和土层的松散(胀余)系数K一般取为1.2和1.05，即塌陷后岩石和土层的体积扩大为原来的1.2倍和1.05倍，岩石和土层的固体颗粒的体积不会发生改变，增大的只是岩石和土层的空隙体积部分，假设洞体顶板以上的岩石或土层的孔隙比分别为e₁和e₂，则可计算出在塌陷后，岩石或土层的孔隙比分别为(1.2e₁+0.2)和(1.05e₂+0.05)。

6.3 坍塌平衡法

土体内部形成空洞前，在垂直应力和水平应力作用下处于自然平衡状态。随着土洞的出现，上部土体失去支撑，应力状态发生变化，如图6-1所示。

目前，有关的参考书上所给出的计算公式，一般情况下，没有考虑土层的内聚力c的影响，有些也没有考虑土洞平面形状的影响，且不考虑地基土的分层对稳定性的影响。

(1)在3.2.1节的分析中可知，考虑土层的内聚力c以及土洞平面形状的影响，平面范围为长条形的土洞和平面范围为圆形土洞，条件相同的情况下，它们的稳定性是有区别的，而这一点常常容易被忽略。对比长条形和圆形土洞地基临界安全厚度H₀的式(3-4)和式(3-9)，可以发现：圆形土洞比长条形土洞的临界安全厚度要小，更有利于地基的稳定性。

(2)实际工程中，地基土往往是成层的。在岩溶地区，地基土层很多情况下是呈现上硬下软的分布特征，尤其是靠近基岩附近，常分布有软、流塑粘性土，此时，除了按照式(3-4)和式(3-9)的临界安全厚度H₀验算判别地基的整体稳定性外，还应由下往上逐层进行判别。

图6-1 土洞顶板稳定性示意图

Fig.6-1 Diagram for roof stability in cave

图6-2 层状土层中土洞顶板稳定性示意图

Fig.6-2 Diagram for roof stability in layer soil cave

如图6-2所示的两层土的土洞地基中，设土洞平面范围为长条形，若要使土洞地基稳定，除了要满足土洞顶板以上两侧面土体产生的抵抗力(2F₁+2F₂)大于土洞顶板上土体重量(G₁+G₂)外，还要把第二层土单独拿出来评价，要使第二层土也单独保持稳定，即(2F₂+2ac₂)＞G₂，这样整个地基才算稳定。因为有时候能使(2F₁+2F₂)＞(G₁+G₂)整体稳定成立，但不一定能使(2F₂+2ac₂)＞G₂成立，尤其是在上部土层好，抗剪强度指标较大，其抗塌力2F₁远大于土重G₁，而下部土层较差，抗剪强度指标较小，其抗塌力2F₂远小于土重G₂，即使加上第二层土顶面的凝聚力2ac₂，还是(2F₂+2ac₂)＜G₂，这就出现整个地基一起评价则稳定，但下面第二层土不能独自保持稳定的情况。这种情形往往被工程技术人员所忽略。

需注意的是，上述分析没有考虑建筑物荷载影响的情况。若将岩溶地层及其上覆有土洞存在作为地基考虑，则应考虑建筑物荷载引起的附加应力的影响，此时建筑物荷载引起的附加应力P₀与土洞顶板上土体重量(G₁+G₂)将构成地基向下的作用力，因此要满足(2F₁+2F₂)＞(G₁+G₂+P₀)的条件；对于上硬下软的成层土还要考虑应力扩散作用，即要满足(2F₂+2ac₂)＞(G₂+P_z)，其中P_z为第二层土顶面处的附加应力值，可按照《建筑地基基础设计规范》GBJ50007—2002中式(5.2.7—3)进行计算。

6.4 普氏压力拱法

用普氏压力拱法来评价岩溶地基的稳定性，方法简单明确。但对它的适用条件及推导过程，有关的手册如《工程地质手册》则介绍得较少，它最初是在地下工程或采矿工程中用来计算围岩压力，后来被引用来评价岩溶地基溶洞和土洞的稳定性。普氏压力拱的高度h₁表达式为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：h为洞体的高度(m)；a为空洞长度的一半(m)。

当溶洞或土洞洞体顶板以上岩土体的厚度大于普氏压力拱的高度h₁，则认为地基处于稳定。

在采用普氏压力拱法评价岩溶地基的稳定性时，有以下几点必须引起注意：

(1)普氏压力拱理论的计算式(6-2)，是在假设洞体上部岩土体为散粒体的情况下推导的，没有考虑岩土体的凝聚力作用，这不太合理。若考虑凝聚力作用，则式(6-2)中的分母tgφ应该用

代替，σ 为洞体底角处的垂向竖直压力。

(2)普氏压力拱理论原来是用来计算围岩压力的，考虑到地下工程或采矿工程的特点，为安全起见，在推导的时候，只采用了最大摩阻力的一半，并非处于极限平衡状态，才得到现在的式(6-2)表达式。实际上，处于极限平衡状态时的压力拱的高度只有式(6-2)中h₁的一半，因此，在工程实践中采用式(6-2)评价岩溶地基的稳定性，已经包含安全储备。有些教科书把压力拱以上一定范围内的土体称为破裂拱，把压力拱和破裂拱的总高度h₁′作为岩溶地基的最小稳定高度，即

，这样显得有些保守。

(3)对于特别软弱的土层如淤泥、饱和软粘土等，由于不能形成压力拱，因此不能运用压力拱理论来计算评价岩溶地基的稳定性。

6.5 结论

通过分析目前常用的几种岩溶地基稳定性评价方法，可知它们都是在一定的条件下得到的，具有其自身的特点和适用性，在地基基础设计中应注意。

(1)《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002或《岩土工程勘察规范》GB50021—2001所建议的方法，仅仅是根据基础底面以下土层厚度的大小来判别地基的稳定性，而没有考虑以下几个因素对岩溶地基稳定性的影响：下覆溶洞或土洞的规模尺寸及形状、地下水的存在及水位的高低、地基土层的组成、土洞内的充填物等。

(2)运用顶板塌陷堵塞法评价时，塌陷松胀物自行堵塞填满洞体后，将会构成地基的软弱下卧层，降低地基承载力。

(3)运用坍塌平衡法时，应考虑土洞平面形状的影响，分别采用不同的计算公式，同时土层的内聚力c不能被忽略。若地基是多层土组成，除了按照式(3-4)和式(3-9)中的临界安全厚度H₀验算判别地基的整体稳定性外，还应由下往上逐层进行判别其稳定性。

(4)《工程地质手册》等推荐的普氏压力拱高度计算公式，没有考虑岩土体的凝聚力作用，而且其计算的高度是极限平衡状态时的压力拱高度的两倍，有足够的安全储备。