巖溶地基的評(píng)價(jià)及處理方法研究

【摘 要】由于巖溶工程地質(zhì)問(wèn)題諸如巖溶地基的穩(wěn)定性、巖溶滲漏、巖溶塌陷等越來(lái)越受到人們的關(guān)注。因此，全面準(zhǔn)確的勘察巖溶區(qū)的工程地質(zhì)條件，應(yīng)用正確的巖溶處理方法就顯得非常重要。

【關(guān)鍵詞】巖溶;地基;勘察;處理措施

0.前言

巖溶不良地質(zhì)構(gòu)成的巖溶地基常常引起地基承載力不足、不均勻沉降、地基滑動(dòng)和塌陷等地基變形破壞。隨著越來(lái)越多的工程興建在巖溶地區(qū)，巖溶地基問(wèn)題就成為工程建設(shè)中的突出問(wèn)題，加強(qiáng)巖溶地基穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，采用合理、經(jīng)濟(jì)的地基處理措施，有著重大的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。

1.巖溶地基的評(píng)價(jià)

巖溶地基分析評(píng)價(jià)過(guò)程的一般步驟為:實(shí)際洞體-幾何模型-力學(xué)模型-數(shù)學(xué)模型-計(jì)算方法-結(jié)論。其核心內(nèi)容是力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法的研究。近年來(lái)在該領(lǐng)域內(nèi)的研究取得較大進(jìn)展，對(duì)巖溶空洞地基穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)經(jīng)歷了從定性-半定量-定量的過(guò)程。

定性評(píng)價(jià)法適用于初勘階段選擇場(chǎng)地及一般工程地基穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，包括綜合分析法、經(jīng)驗(yàn)比擬法。

半定量評(píng)價(jià)方法:

(1)荷載傳遞線交會(huì)法:在剖面上從基礎(chǔ)邊緣按30°~45°擴(kuò)散角向下作應(yīng)力傳遞線，當(dāng)洞體位于該線所確定的應(yīng)力擴(kuò)散范圍之外時(shí)，可認(rèn)為洞體不會(huì)危及基礎(chǔ)的穩(wěn)定。由定性評(píng)價(jià)中的洞體頂板厚跨比(Z/L)可知，當(dāng)集中荷載作用于洞體中軸線，Z/L為0.5時(shí)，應(yīng)力擴(kuò)散線為頂板與洞壁交點(diǎn)的連線，它與水平面夾角相當(dāng)于混凝土的應(yīng)力擴(kuò)散角45°;當(dāng)Z/L為0.87時(shí)，相當(dāng)于松散介質(zhì)的應(yīng)力擴(kuò)散角30°。

(2)洞體頂板坍塌自行堵塞估算法:洞體頂板為裂隙切割呈塊狀。碎塊狀，頂板塌落后體積松脹，當(dāng)塌落向上發(fā)展到一定高度，洞體可被松脹物自行堵塞。在沒(méi)有地下水搬運(yùn)的情況下，可以認(rèn)為洞體空間己被支撐而不再向上擴(kuò)展了。

(3)結(jié)構(gòu)力學(xué)近似分析法:1)技頂板抗彎厚度驗(yàn)算;2)按頂板抗剪的安全厚度驗(yàn)算。

(4)成拱分析法:當(dāng)頂板巖體被密集裂隙切割呈塊狀或碎塊狀時(shí)，可認(rèn)為頂板將成拱狀塌落，而其上荷載及巖體則由拱自身承擔(dān)，可求出此時(shí)破裂拱高;破裂拱高加上部荷載作用所需的巖體厚度才是洞頂板的安全厚度。若洞的頂板呈拱形，拱角以下巖體完整穩(wěn)定且無(wú)橫向擴(kuò)展的可能，也可近似地用石砌拱圈厚度加足夠安全儲(chǔ)備，類比確定拱頂?shù)陌踩穸取?/p>

(5)電阻應(yīng)變片測(cè)試法:對(duì)己查明的淺層洞體，為驗(yàn)證在外荷載下洞頂板巖體的應(yīng)力狀態(tài)或已知裂隙面的變形情況，可在洞頂加載荷，沿縱橫洞軸方向貼設(shè)電阻應(yīng)變片及布置撓度量測(cè)，在加荷過(guò)程中追蹤測(cè)量。根據(jù)測(cè)得的最大應(yīng)力與巖體抗剪強(qiáng)度對(duì)比，若后者大于前者5-10倍，則認(rèn)為巖溶洞體的頂板是可靠的。為了解頂板巖體中某些裂隙處是否存在應(yīng)力集中及明顯的變形，可在裂面上及其一側(cè)分別貼電阻應(yīng)變片量測(cè)，若二者無(wú)明顯差別，則說(shuō)明裂隙的存在并不影響頂板整體受力。

(6)載荷試驗(yàn)法:在有代表性的淺層洞體下，將頂板巖體修鑿呈一梁狀，有條件時(shí)底面或側(cè)面亦可貼設(shè)電阻應(yīng)變片，于其上分級(jí)加荷，觀察其應(yīng)力與變形。通過(guò)試驗(yàn)可以了解在特定條件下洞體的變形特征、破壞形式與順序。例如在貴陽(yáng)某工程試驗(yàn)中，隨荷載的增加，梁的受拉區(qū)逐次出現(xiàn)拱形脫落，最后在支座處剪切破損。此外，通過(guò)試驗(yàn)可以反求頂板巖體參數(shù)，建立它與巖樣強(qiáng)度指標(biāo)，巖體縱波速度等的相關(guān)性，借此評(píng)價(jià)其它洞體的穩(wěn)定性。

定量評(píng)價(jià)法目前尚屬摸索階段，有待發(fā)展和完善。

2.巖溶地基處理原則

地基評(píng)價(jià)不能滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，需要對(duì)地基進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼Ｒ话銓?duì)地基穩(wěn)定有影響的巖溶洞隙，應(yīng)根據(jù)其位置、大小、埋深、圍巖穩(wěn)定性和水文地質(zhì)條件綜合分析、因地制宜地采取下列處理措施:

(1)對(duì)洞口較小的洞隙，宜采用鑲補(bǔ)、嵌塞與跨蓋等方法處理。

(2)對(duì)洞口較大的洞隙，宜采用梁、板和拱等結(jié)構(gòu)跨越。跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)有可靠的支承面。梁式結(jié)構(gòu)在巖石上支承長(zhǎng)度應(yīng)大于梁高的1.5倍，也可采用漿砌塊石等堵塞措施。

(3)對(duì)于圍巖不穩(wěn)定、風(fēng)化裂隙破碎的巖體，可采用灌漿加固和清爆填塞等措施。

(4)對(duì)規(guī)模較大的間隙，可采用洞底支撐或調(diào)整柱距等方法處理。

一般對(duì)地基穩(wěn)定有影響的土洞，杜絕地表水滲入土層，使土洞停止發(fā)育和發(fā)展，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件許可時(shí)，盡量對(duì)地下水采取截流、改道等，以阻止土洞繼續(xù)發(fā)展。當(dāng)土洞埋深較淺時(shí)，采用挖填和梁板跨越;對(duì)直徑較小的深埋土洞，可不處理，僅在洞頂上部采用梁板跨越即可;對(duì)直徑較大的深埋土洞，可采用頂部鉆孔灌砂或灌碎石混凝土，以充填空間。當(dāng)對(duì)地下水不能采取截流、改道等方式以阻止土洞發(fā)育時(shí)，一般可采用樁基等措施。

3.實(shí)踐中巖溶地基的處理方法

3.1填墊法

3.1.1充填法

適用于裸露巖溶土洞，其上部附加荷載不大的情況。最底部須用塊石、片石作填料，中部用碎石，上部用土或混凝土填塞，以保持地下水的原始流通狀況，使其形成自然的反濾層。

3.1.2挖填法

對(duì)淺埋的巖溶土洞，將其挖開(kāi)或爆破揭頂，如洞內(nèi)有塌陷松軟土體，應(yīng)將其挖除，再以塊石、片石、砂等填入，然后覆蓋粘性土并夯實(shí)。此法適用于輕型建筑物，并且要估計(jì)到地下水活動(dòng)被再度掏空的可能性。為提高堵體強(qiáng)度和整體性，在填入塊石、片石填料時(shí)，注入水泥漿液;對(duì)于重要工程基礎(chǔ)下或較近的溶洞、土洞，除去洞中軟土后，將鋼筋或廢鋼材打入洞體裂隙后用混凝土填洞，對(duì)四周的巖石裂隙注入水泥漿液，使其粘結(jié)成整體，提高強(qiáng)度并阻斷地下水。

3.1.3墊褥法

對(duì)巖溶洞、隙、溝、槽、石芽等巖溶突出物，可能引起地基或路基沉降不均勻，將突出物鑿去后做30-50cm砂土墊褥處理。

3.2加固法

當(dāng)巖溶地基處于不穩(wěn)定狀態(tài)，基礎(chǔ)安全受到影響時(shí)，應(yīng)予以加固。

3.2.1灌漿法

對(duì)埋深較大的巖溶土洞，宜采用密鉆灌漿法加固。應(yīng)視巖溶洞隙含水程度和處理目的來(lái)選擇材料。用于填塞時(shí)，可用粘土、砂石、混凝土、水泥砂漿等;用于防滲時(shí)，可用水泥漿和瀝青作帷幕，灌漿順序可先外圍后中間，先地下水上游后下游;用于充填加固時(shí)，用快干材料或砂石等將洞隙先行填塞，開(kāi)始時(shí)壓力不宜過(guò)高，以免漿料大量流出加固范圍。運(yùn)用雙液化學(xué)硅化法可對(duì)復(fù)雜多層含水溶洞成功進(jìn)行加固。

3.2.2頂柱法

當(dāng)洞頂板較薄、裂隙較多、洞跨較大，頂板強(qiáng)度不足以承受上部荷載時(shí)，為保持地下水通暢，條件許可時(shí)采用附加支撐減少洞跨。一般在洞內(nèi)做漿砌塊石填補(bǔ)加固洞頂并砌筑支墩作附加支柱。

3.2.3強(qiáng)夯法

在覆蓋型巖溶區(qū)，處理大面積土洞和塌陷時(shí)，強(qiáng)夯法是一種省工省料、快速經(jīng)濟(jì)且能根治整個(gè)場(chǎng)地巖溶地基穩(wěn)定性的有效方法。它可使土體壓縮性降低，密實(shí)度加大，強(qiáng)度提高，減少或避免土洞及塌陷的形成，消除地基隱患。一般夯擊1~8遍，夯點(diǎn)距3m。如無(wú)地下水影響，2遍夯擊，間歇時(shí)間可不受限制。在夯擊過(guò)程中，如果夯錘突然下陷，說(shuō)明下部有隱伏土洞，此時(shí)可隨夯隨填土或砂礫土料處理。

3.2.4擠密法

對(duì)巖溶土洞中軟土較深地段，采用砂柱、石灰柱、松木樁、混凝土樁或者鋼管等打入洞內(nèi)，使樁端嵌入下伏密實(shí)土層，以擠密松散層，形成復(fù)合地基，提高地基穩(wěn)定性和強(qiáng)度。適于對(duì)淺層土洞或塌陷的處理。

3.2.5漿砌法

工程基礎(chǔ)邊緣及其影響范圍內(nèi)的巖溶洞、隙、溝、槽存在不穩(wěn)定因素時(shí)，用素混凝土或漿砌塊石加固。

3.3跨越法

巖溶洞體較深，挖填困難或不經(jīng)濟(jì)或淺埋洞體頂板厚度和完整程度難以確定時(shí)，可采用跨越法將跨越結(jié)構(gòu)置于巖溶地基基礎(chǔ)之上，據(jù)上部結(jié)構(gòu)性質(zhì)、荷載大小及跨度大小，分別采取板、梁、拱等方式跨越。在設(shè)置跨越結(jié)構(gòu)時(shí)，其支承面須有可靠基巖，梁式結(jié)構(gòu)支撐面須經(jīng)驗(yàn)算。該法優(yōu)點(diǎn)在于不管巖溶的具體形態(tài)，將比較復(fù)雜的地下工程改變?yōu)檩^易進(jìn)行的地面工程，而且不擔(dān)心地下水流重新帶走洞內(nèi)充填物。

3.3.1板跨法

在工程基礎(chǔ)挖基過(guò)程中遇到深度較大、洞徑較小不便入內(nèi)施工或洞徑雖大、但因有水的溶洞，可據(jù)建筑物性質(zhì)和基底受力情況，用硅板或鋼筋鹼板封頂。

3.3.2梁跨法

對(duì)埋藏較深但仍位于地基持力層內(nèi)規(guī)模較小的塌陷或土洞，可用鋼筋硅梁跨越土洞或塌陷體。

3.3.3拱跨法

在地下建筑工程的邊墻、塹式擋墻、堤式坡腳擋墻及橋墩、橋臺(tái)等地基下常見(jiàn)洞身較寬、深度又大、洞形復(fù)雜或有水流的巖溶地基，宜采用拱跨形式。拱分漿砌片石拱、鹼拱、鋼筋硅拱。為增強(qiáng)拱身強(qiáng)度，拱下可砌筑垂直支承柱，對(duì)建筑物本身而言，也可加設(shè)拉桿(或錨桿支撐)或其它預(yù)應(yīng)力鋼筋硅構(gòu)造。

3.3.4樁基法

溶洞、塌陷漏斗較深或巖溶多層發(fā)育，采用其它方法處理有困難或不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可采用樁基礎(chǔ)。在基巖起伏處，其上覆土層性質(zhì)較軟弱、厚度又大、不易清除時(shí)，宜采用鉆孔或沖孔灌注樁、爆擴(kuò)樁，視工程需要作支承樁或摩擦樁，樁頭錨入基巖內(nèi)，當(dāng)成孔遇有流塑軟土或水流時(shí)，應(yīng)加鋼套管，以免塌孔及混泥土流失;采用打入樁時(shí)，樁尖應(yīng)錨入基巖;采用人工挖孔樁時(shí)，多數(shù)情況開(kāi)挖時(shí)宜設(shè)護(hù)壁。

4.結(jié)語(yǔ)

由于目前在巖溶區(qū)的工程建設(shè)項(xiàng)目愈來(lái)愈多，且引發(fā)的巖溶工程地質(zhì)問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，因此，全面準(zhǔn)確的勘察巖溶區(qū)的工程地質(zhì)條件，應(yīng)用正確的巖溶處理方法就顯得非常重要。目前，在巖溶地區(qū)勘察和樁基施工領(lǐng)域，尚有許多理論和知識(shí)，需要自己去不斷鉆研，并在今后的學(xué)習(xí)工作中不斷消化和積累。