土洞穩定性判定及治理方法的探討

李廣明（福建省核工業295大隊,福建　龍巖　364000）

土洞穩定性判定及治理方法的探討

李廣明
（福建省核工業295大隊,福建龍巖364000）

摘要：龍巖地區土洞發育，多為頂板厚度小于15m的淺埋型，本文總結出對土洞穩定性評定公式，及對不穩定土洞治理方法，經工程實踐證明，治理后的土洞穩定性良好，經濟可行。

關鍵詞：土洞；地基；基礎；土洞治理

1　土洞分布與形成

龍巖市位于福建省西部，城區地面標高320-340m，上部為沖洪積粉質粘土、礫砂及卵石，下伏基巖為二疊系棲霞組灰巖，政和至大埔深大斷裂由南西向北東貫穿全區，受區域地質構造影響，城區地質運動頻繁，地下水波動較大，由于下伏灰巖巖溶發育，地下水的運移和潛蝕在上部土層中形成大小不一的土洞，據我院在龍巖地區三十多年的工作積累，龍巖市新羅區土洞主要分布在中城街道、西城街道、曹溪街道、東肖鎮、紅坊鎮，埋深一般在10-35m間，頂板厚度10-35m，多為軟流塑含角礫、碎石粉質粘土充填，直徑3.50-20m不等。近期隨著海峽西岸經濟區建設的加快，土洞地面塌陷對當地工程建設的危害越來越明顯，特別是由于龍巖城區土洞多為淺進而型，其發育在空間分布上具隱蔽性，發育過程具有延續性，塌陷具有突發性，危險性大，治理成本高，有些土洞有由處理不當，治理后建筑物存在較大陷患。

土洞的形成與下部灰巖中溶洞密不可分，但在平面和垂直方向上，往往并不會疊加，先是在灰巖破碎帶或灰巖與非可溶巖接觸部位形成溶洞，地下水的頻繁波動，將粘土中親水強的細粒土運移至他處，土體逐漸變的松散并崩解，層層剝離形成橢圓形土洞后，土洞的發展變的較前期緩慢，此時若無外力或人類工程活動影響，土洞基本上處于穩定狀態，但當人類工程活動如地下水的大量抽取、工程建設時，造成土洞頂板荷載加大、地下水的頻繁升降，則土洞頂板極有可能坍塌，形成地面塌陷，造成成極大損失，如有足夠的數據能證明土洞在完成工程建設后仍可處于穩定狀態，則可省去大量治理費用，所以在工程建設前，對已發現的土洞準確評價其穩定性是十分重要的。

2　土洞穩定性判定

土洞是否穩定主要取決于工程建成后附加土洞頂板的外部應力是否大于其自穩能力，作用于土洞頂板及四周的外部應力主要有建筑物附加荷載傳導至洞頂板的附加應力、洞頂板土的自重應力、地下水、地表水垂直運動的滲流力，洞內地下水下降對頂板的吸附力等，計算方法如下：

（1）作用于土洞頂板的建筑物荷載：建筑物荷載通過基礎傳遞至地基，我國現行規范及各類教科書中對外力在土體中的傳遞均是根據彈性理論推導出來的，基礎底面附加應力Pk的傳導特點是隨深度增加，上部應力以θ角度擴散，不同基礎受力后傳至地下Z米處的附加應力Pz的計算方法見《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）。

（2）洞頂土體自重壓應力：當土體覆蓋面積較大時（大于土洞平面投影面積的3倍以上），土體在自重作用下可不考慮側向變形和剪切變形，只作垂直變形，在地面以下深度Z米處（基礎底板至洞頂板厚度）單位面積的自重壓力Pc等于該處單位面積上的土柱重量，可按下式計算：

式中Pc:土洞頂板土體自重壓力(kPa)；

γ:第i層土重度(KN/m3),地下水位以下取有效重度；

h：第i層土厚度（m）。

（3）地下水自上而下滲流時，對土體單位體積內顆粒間產生的動水壓力或滲流力也是土洞所受的壞破力之一，據《水力學》計算公式，滲流力F計算公式為：

F=γw(hw1-hw2)

式中F:為滲流力，單位KN；

Hw1、hw2為洞頂以上土體頂面與底面水頭高度，單位為米；

γw:為水重度，單位KN/m3

（4）洞內地下水下降時，水面以上空氣形成負壓，對頂板產生吸引力F0，數值上等于水位差與水重度之積，計算公式如下：

F0=γwh’

F0：地下水下降對洞頂板產生吸引力，KN

γw為水重度，單位KN/m3

h’地下水降深，單位m。

以上為土洞所受的主要破壞力，除上述外機械振動、地震等引起的破壞力未計入，在分析土洞受力特征時，應將所受破壞力分項計算并相加，即為土洞頂板總的破壞力。

土洞在受到來自外部迫其變形的外力的同時，其本身也存在抗變形的作用力，即土洞抗力，這種作用力主要來自頂板以上受力土柱周圍摩阻力及粘土凝聚力，在空間上，可以把土柱視為一個“樁基”，“樁”周側阻力可參照《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008），由于“樁”為一個土柱，不同與鋼筋混凝土灌注樁，其各項參數均有所不同，其極限側阻力一般取規范值值的一半，據我院長期積累的工程實例及治理經驗，結合有關資料介紹，土洞抗力大小可按下式計算：

其中：F：土洞抗力，單位KN；

γi:第i層土重度，單位KN/m3；

L：第i層土柱高度，m；

b：土柱橫截面積直徑，為土洞最大平面投影值，m；

θ：土體內摩擦角，單位°。

π：K計算式中為弧度，180°，其它為常數3.14:

H:洞頂以上土層厚度，m。

理論上，當洞頂板受到的破壞力大于土洞抗力時，土洞頂板會塌陷；當二者相等時，處于極限平衡狀態；當小于土洞抗力時處于穩定狀態，由于以上計算并未計入人類活動、地震等外力，所以在評價時，應取2的安全系數，地面因素對土洞的影響隨深度的增加而減小，所以當土洞埋深大于25m時，安全系數取值可適當降低。

3　土洞的的處理

對于穩定的土洞，結合土洞分布位置及發展趨勢，若土洞處于穩定狀態，可不加處理，對于穩于極限平衡或不穩定的土洞，應采取相應的處理措施，根據我院多年的成功經驗，土洞的處理一般采取如下措施：

3.1換填法

當土洞埋深不大，且洞內為軟流塑粉質粘土充填，洞內地下水與外部地下水水力聯系密且，此時如采用注漿法，往往出現此處注漿，他處溢漿的現象，且注漿后，地下水徑流條件改變，易產生新的不穩定因素，在查明土洞周邊水文地質條件后，可采取換填處理，此時不應對洞內地下水進行抽排，可采用級配良好的礫砂等加以充填。

3.2注漿加固

對于洞內地下水與外部地下水水力聯系不大，且埋藏較深的土洞可采用注漿加固處理方法，處理時在洞體上部可預鉆二至三個鉆孔，其中一孔由洞底開始注漿，另二孔可作為排水孔，注漿至排水孔內出現返漿時為止，等水泥漿初凝后，再次鉆孔重復注漿，直至土洞全充填為止。

3.3梁、板跨越法

此方法適用于上述二者示適用的場地，采用厚、長、寬度合適的筏板、橫梁跨越土洞，將建筑物荷載轉至土洞外部堅實的地基持力層中，板的厚度及配筋應根據計算確定。

3.4樁基礎

對于高層建筑或當對土洞處理后，地基承載力仍不能滿足設計要求時，可采用沖鉆孔灌注樁基礎，將上部荷載傳至下部穩定的基巖持力層中，上部土洞無需專項治理，可在成樁過程加以沖充，需要說明的是，在成樁過程極易因施工影響產生塌落，所以施工前應做好預防措施，如在孔口鋪設鋼板或加長橫梁，

4　結論

在灰巖地區，當土洞較發育時，首選取要查明土洞發育特征、水文地質條件，判定土洞的穩定性，對不穩定的土洞采取換填、注漿、梁板跨越或樁基礎進行處理；以上結論僅對我院所處地區進行了總結，對其它地區有待進一驗證，不足之處請指正。

參考文獻：

[1]陳希哲.土力學地基基礎[M].

[2]《地下水動力學》（西安地質學院、成都地質學院）

作者簡介：李廣明(1962-)，男，大專，山東東平人，工程師，主要從事工程地質技術工作。