基于巖土物理學(xué)參數(shù)對施工場地巖溶危害的評價(jià)

馬 琳，劉昌偉，劉懿瑩

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

基于巖土物理學(xué)參數(shù)對施工場地巖溶危害的評價(jià)

馬 琳，劉昌偉，劉懿瑩

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

基于基礎(chǔ)地質(zhì)資料以及3種不同層位巖石的巖土物理學(xué)參數(shù)，對包括巖溶、紅粘土膨脹性等有可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的因素進(jìn)行分析。最終認(rèn)為巖溶在水位變化以及施工荷載的情況下有塌陷的危險(xiǎn)，而紅粘土的膨脹性會(huì)導(dǎo)致地面不均勻沉降，從而引起建筑裂縫。并根據(jù)以上地質(zhì)災(zāi)害給出合理的施工建議預(yù)防措施。

巖溶；塌陷；紅粘土膨脹性；巖土參數(shù)

伴隨著社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)的完善，我國城市化進(jìn)程的速度也逐漸加快，來自施工場地的地質(zhì)安全問題愈發(fā)突出[1]。尤其是在云南省東部地區(qū)，巖溶與軟弱紅層的發(fā)育使得工程地質(zhì)環(huán)境變得較為復(fù)雜。而巖溶塌陷對城市建筑，道路交通以及水壩壩體都有嚴(yán)重影響，對普通民眾的生命財(cái)產(chǎn)造成威脅，甚至引發(fā)重大安全事故[2]。云南省對預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害投入大量人力物力，但每年還是因地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生了數(shù)十億的經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此對施工區(qū)域工程地質(zhì)穩(wěn)定性分析變得必要。本文以師宗縣核桃產(chǎn)業(yè)化加工廠建設(shè)項(xiàng)目為例，根據(jù)巖土物理學(xué)參數(shù)對施工場地中以巖溶為主的不良工程地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行危害評價(jià)。

1 概 況

評估區(qū)位于師宗縣彩云鎮(zhèn)紅土村，地貌類型屬侵蝕、剝蝕、溶蝕盆地地貌類型，擬建場地地勢東高西低，屬中等復(fù)雜場地，分布高程1 884.91～1 888.19 m，相對高差3.28 m，場地平緩坡度小于5(°)。

1.1 地理環(huán)境

師宗縣地貌分為4個(gè)地貌區(qū)，即東部剝蝕溶蝕地貌，南部深切河谷地貌，中部巖溶盆地地貌，北部巖溶高原地貌。境內(nèi)地勢西北高、東南低，從西北向東南呈階梯狀遞降，最高海拔菌子山2 409 m，最低海拔壩尼河入南盤江口737 m，相對高差1 672 m。

1.2 地層巖性

評估區(qū)分布的地層主要有：第四系耕植土(Qpd)；第四殘積紅粘土(Qel)層；下覆基底為三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組白云巖、灰?guī)r上段(T2gc)。根據(jù)地基土的成因、巖性及其物理力學(xué)性能等因素，將擬建場地內(nèi)各地層巖性特征分述如下。

1) 第四系耕植土(Qpd)層

耕植土：灰褐、深灰色，主要由粉質(zhì)粘土組成，含少量碎石，結(jié)構(gòu)松散，干燥。欠固結(jié)，層厚0.6～1.2 m，平均厚0.88 m，整個(gè)場地均有分布。

2) 第四系殘積(Qel)層

紅粘土：棕紅、褐黃色，稍濕，可塑狀態(tài)。土層呈花斑狀，刀切面光滑，干強(qiáng)度及韌性中等，該土層厚度變化大，分布穩(wěn)定，層厚1.70～11.70 m，平均厚3.33 m，整個(gè)場地均有分布。

3) 中三疊統(tǒng)個(gè)舊組(T2g)

按巖性物征，可劃分為上、中、下3段。上段(T2gc)：上部灰色厚層塊狀白云巖及肉紅色角礫狀白云巖，厚度約311.7 m；中部灰、深灰色薄層狀白云巖，厚481.5m；下部中—厚狀白云巖和灰質(zhì)白云巖，厚513.5 m，總厚1 307 m。中部薄層狀白云巖，以發(fā)育細(xì)微延續(xù)性差的閉合型節(jié)理為特征，具侵蝕流水地貌景觀，賦水性差，無泉水出露，構(gòu)成碳酸鹽巖溶水的相對隔水邊界。下部巖石堅(jiān)硬、致密，巖溶較發(fā)育，富水性較強(qiáng)，但不均一。

1.3 巖土物理學(xué)參數(shù)

根據(jù)評估區(qū)內(nèi)地層及其巖性組合特征、力學(xué)性質(zhì)的差異，將評估區(qū)巖土體工程地質(zhì)類型劃分見表(表1～2)。

表1 評估區(qū)巖土體類型劃分及工程地質(zhì)特征

2 評估區(qū)不良地質(zhì)作用

評估區(qū)由于地處盆地地帶，并受沉積環(huán)境及物質(zhì)成份的影響，地基土呈典型的殘―坡積沉積韻律，造成地基土在巖性、厚度、空間展布及物理力學(xué)性質(zhì)方面存在一定差異；另下伏基底巖石層面波狀起伏，土體均勻性較差，土層厚度變化大，力學(xué)性狀變化也較大，因此將施工場地定為不均勻地基。

地表廣泛分布耕植土層，厚度約 1 m，工程特性差，對挖方坑壁穩(wěn)定等有不利影響；區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育；耕植土下部為紅粘土層，該土層厚度變化大，分布穩(wěn)定，平均厚 3.33 m，屬膨脹土，對建筑物基礎(chǔ)有一定影響；下伏基巖為白云質(zhì)灰?guī)r，屬碳酸鹽巖層，根據(jù)巖土勘查報(bào)告得知，溶蝕裂隙發(fā)育，但根據(jù)區(qū)域地質(zhì)報(bào)告，整個(gè)師宗盆地巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，但區(qū)域巖溶發(fā)育不均勻。評估區(qū)巖溶強(qiáng)發(fā)育，土石分界地帶灰?guī)r較為破碎，中下部灰?guī)r較完整，所有勘察鉆孔中均未出現(xiàn)土洞、溶洞，評估區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖溶地面塌陷問題。但勘察點(diǎn)間距較大無法精確覆蓋整個(gè)施工場地，存在遺漏問題。因此：地下巖溶、溶洞可能會(huì)造成建筑物建好后產(chǎn)生局部塌陷，拉裂建筑物地基，地面不均勻沉降，對建筑安全將產(chǎn)生影響[4]。

施工及運(yùn)營過程中，評估區(qū)及周邊抽取地下水造成地下水位下降，可能引發(fā)廠區(qū)及生活區(qū)地面沉降，造成危害。綜上所述，由于紅粘土膨脹性和巖溶問題，可能對建筑物造成較大的不利影響。對巖溶以及紅粘土根據(jù)巖土物理學(xué)參數(shù)以及地質(zhì)特征分析如下。

2.1 巖溶

經(jīng)過對評估區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合勘察鉆探工作成果，評估區(qū)下覆地層為三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組白云巖、灰?guī)r上段(T2gc)。地層中溶蝕裂隙發(fā)育，特別是土巖結(jié)合面，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，完整性差。評估區(qū)地表無基巖出露。在所有勘察鉆孔中均未出現(xiàn)土洞、溶洞，未發(fā)現(xiàn)巖溶地面塌陷問題。但結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，區(qū)域上巖溶強(qiáng)發(fā)育，但發(fā)育不均勻，巖溶主要特征呈表層垂直方向發(fā)育為主、深部以水平方向發(fā)育為主的規(guī)律。場地開展了巖土工程勘察，未發(fā)現(xiàn)土洞、溶洞。但由于工程區(qū)所在區(qū)域巖溶為強(qiáng)烈發(fā)育，且發(fā)育不均勻，但單依據(jù)數(shù)量有限的鉆孔不能完全確定場內(nèi)土洞、溶洞。此外，由于上覆土層厚度在2.30～12.90 m之間，受地下水水位變化影響可能產(chǎn)生土洞塌陷等問題，造成地面塌陷，危害建筑安全。建筑荷載加載后也可能造成隱覆溶洞的坍塌，危害建筑安全[5]。因此，巖溶對擬建工程存在較大的不利影響。

2.2 紅粘土

評估區(qū)內(nèi)土層除地表耕植土外，下部土層均為紅粘土層。紅粘土膨脹性分析：場地上部地基土紅粘土通過實(shí)驗(yàn)分析，土層自由膨脹率δef=13.0%～51.40%，平均35.70%。50 kPa壓力下的膨脹率δep=(-1.02)～(-4.01)，平均-2.12。收縮系數(shù)λs=0.2%～0.3%，平均0.25%，膨脹力Pp=6.10%～13.3%，平均10.0%，屬膨脹土。廠區(qū)內(nèi)紅粘土層厚度變化大，根據(jù)巖土工程勘察資料，建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)持力層建議選擇紅粘土層，而該層與下覆基巖接觸帶巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，破碎，完整性差；由于該土層厚度變化大，且具有膨脹性，建(構(gòu))筑物可能產(chǎn)生地基不均勻沉降問題[6]。生活區(qū)住宅樓情況與廠區(qū)情況相同，宿舍樓也有地基不均勻沉降的可能性。因此場地內(nèi)的紅粘土屬弱膨脹潛勢[7]。擬建工程位于曲靖南部師宗縣地區(qū)，年平均氣溫13.8℃，土的濕度系數(shù)為0.60，大氣影響深度5.0 m，大氣影響急劇深度為2.3 m，埋深處于大氣影響深度范圍內(nèi)。紅粘土整個(gè)廠區(qū)均有分布，且厚度分布不均，可能產(chǎn)生不均勻沉降，造成天然地基上建筑物產(chǎn)生裂縫，危害工廠。

3 措施與建議

1) 場地表層為耕植土層，結(jié)構(gòu)松散，欠固結(jié)，易產(chǎn)生沉降變形，不能作為基礎(chǔ)持力層，應(yīng)清除。工程施工，淺基礎(chǔ)開挖，避開雨季施工，應(yīng)注意對場地內(nèi)、外排水設(shè)施的布置，施工單位應(yīng)充分做好施工組織設(shè)計(jì)，做好對周圍環(huán)境的監(jiān)測工作。

2) 場地地基土層紅粘土屬膨脹土，應(yīng)加強(qiáng)對擬建場地四周地表水的疏排水設(shè)置，加寬地面散水寬度，防止雨季地表水下滲，同時(shí)進(jìn)行硬化場地，減輕表層土體內(nèi)含水量的大幅度變化；避免在鄰近建(構(gòu))筑物地段種植蒸騰量大的灌木。

3) 評估區(qū)地基持力層不一，且厚度變化大，各地區(qū)力學(xué)強(qiáng)度差異較大，地基均勻性差，同一建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)置于兩種地基土之上時(shí)或基礎(chǔ)置于同一地基土不同厚度上時(shí)，可能產(chǎn)生地基不均勻沉降。所以施工過程中，樁基若置于薄層紅粘土上建議將紅粘土挖除，樁基若置于較厚或厚層紅粘土上建議采取相應(yīng)的工程措施進(jìn)行處理。

4 結(jié) 論

評估區(qū)屬侵蝕、剝蝕、溶蝕盆地地貌類型，地勢東高西低，場地平緩坡度較小，地形簡單；評估區(qū)位于彌勒—師宗斷裂附近，該斷裂走向北東，評估區(qū)屬區(qū)域地殼次穩(wěn)定區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造中等復(fù)雜；地形不利于地表水的排泄，地下水類型以巖溶水為主，地下含水層主要為白云質(zhì)灰?guī)r層，含水層透水性中等，水文地質(zhì)條件復(fù)雜；評估區(qū)劃分為3個(gè)巖組，分別為耕植土單層土體、紅粘土單層土體和較硬中厚層狀強(qiáng)巖溶化白云質(zhì)石灰?guī)r組；后兩個(gè)巖組分布于整個(gè)評估區(qū)，不良地質(zhì)現(xiàn)象分別為膨脹性土紅粘土和巖溶問題；且均為對工程不利巖組，工程擾動(dòng)易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，評估區(qū)工程地質(zhì)條件為復(fù)雜。

[1] 郭盛. 幾種常見的濕陷性黃土地基處理方式的比較[J]. 山西建筑, 2014, 40(6): 73-74.

[2] 王蘭生等. 地殼淺表圈層與人類工程[M]. 地質(zhì)出版社, 2004.

[3] 耿弘, 梁永寧, 任堅(jiān). 云南地質(zhì)災(zāi)害及災(zāi)害防治[J]. 云南地質(zhì), 2002, 21(3): 221-229.

[4] 程星, 黃潤秋. 巖溶塌陷的地質(zhì)概化模型[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2002, 29(6): 30-34.

[5] 王濱, 賀可強(qiáng). 巖溶塌陷臨界土洞的極限平衡高度公式[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(3): 458-462.

[6] 武鵬. 紅粘土的工程地質(zhì)性質(zhì)與滑坡形成機(jī)理[D]. 西安：長安大學(xué), 2015.

[7] 鄒志悝. 南水北調(diào)中線工程總干渠潞王墳試驗(yàn)段膨脹巖工程地質(zhì)特性研究[J]. 長江科學(xué)院院報(bào), 2009, 26(11): 85-88.

An Evaluation of Karst Hazard in Construction Site Based on Predicts Soil Physics Parameter

MA Lin, LIU Changwei, LIU Yiying

(SchoolofLandandResourcesEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650093,China)

There are a large number of karst landforms in the construction land of walnut industrialization processing plant in Shizong county. Based on basic geology, we have made an analysis of geophysical parameters of the rock in three different horizons. The factors which may lead to geological disasters are also analyzed. At last, it is concluded that the collapse of soil under the condition of water level change and construction load will lead to the collapse of red clay. According to the above geological disasters, the author gives reasonable suggestions for the construction of preventive measures.

Karst; Collapse; Red clay expand; Geophysical Parameter

2017-05-01

馬琳(1993-)，女，黑龍江人，在讀碩士研究生，研究方向：巖土工程，手機(jī)：13078727095，E-mail：790182987@qq.com.

TU478

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.054