信豐巖溶場地地基穩定性評價

符 勛，彭來明，朱 博

（1.贛南地質調查大隊，江西 贛州 341000；2.寧波市巖土工程有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

江西省信豐縣普遍分布有碳酸鹽巖，且巖溶較為發育，近年來，該區域內的工程建設項目越來越多，由巖溶引發的巖溶地基的穩定性問題也越來越受到人們的關注。因此，分析和總結巖溶的形成機理及發育特征，評價巖溶地基的穩定性，分析其對工程建設的影響，提出合理的地基處理措施及基礎選型方案，對工程建設有著重要的意義。本文以工程實例對巖溶的發育規律進行了分析，對場地地基穩定性進行分析研究。

1 研究區巖溶發育規律

據本地區工作資料，研究區巖溶總體發育程度屬中～強烈發育，但由于地層組合、斷裂構造以及裂隙的發育程度、地形切割程度等的差異，使得巖溶分布各處不盡相同，主要表現在地表及地下巖溶分布的不均勻特性。

1.1 地表巖溶發育特征

研究區為覆蓋型巖溶盆地，上覆地層為粉質黏土，區內的地表巖溶并不發育。

1.2 地下巖溶發育特征

研究區西北側地下巖溶較發育，表現形式有溶孔、溶縫、溶洞等。溶縫、溶孔等微觀溶蝕現象在場區常見，孔徑一般2～5 cm。溶洞在場區不同部位形態有所差異。研究區內發育的溶洞主要表現為地下的隱伏溶洞，分布規模較大，數量較多。據勘探鉆孔資料顯示，研究區內施工的178個鉆孔中揭露有溶洞的鉆孔有117個，揭露溶洞183個，見洞率為63.9%，其中發育有2個及以上溶洞的鉆孔個數為48個，占見溶洞鉆孔數量的41.0%（見表1）。

表1 部分鉆孔溶洞統計Table 1 Statistics of karst caves in some boreholes

在所揭露的溶洞中，洞高最小的 0.2 m，最大的20.3 m。其中洞高0.2～1.0 m的溶洞52個，占總數28.4%；洞高1.0～2.0 m的31個，占16.9%；洞高 2.0～5.0 m的 58個，占 31.7%；洞高 5.0～10.0 m的21個，占11.5%；洞高大于10 m的21個，占11.5%。溶洞頂板為灰巖，大部分溶洞發育在基巖面附近的位置，頂板埋深與基巖埋深相距不大。

2 巖溶地基穩定性評價

巖溶對地基穩定性的影響主要包括地基發生不均勻沉降、地基巖層沿傾向臨空面的軟弱結構面滑動、由較復雜的水文地質條件導致新的工程地質問題等[1]。因此，在巖溶區進行巖土工程活動需要事先進行巖溶地基的穩定性評價[2]。

巖溶地基穩定性評價由場地評價與單體評價 2部分組成[3]。前者按照巖溶的發育強度，在場地范圍內劃分出不同穩定性的地段，從整體上分析場地的適宜性和穩定性；后者分析單體巖溶的形態和特征，確定局部的穩定性，有定性與半定量2種方法。

2.1 場地評價

根據區域資料及地質勘察資料可知，研究區的巖性特征和地下水特征均非常有利于巖溶的發育，區內發育的巖溶屬于亞熱帶巖溶，巖溶的總體發育程度屬中～強烈發育。研究區地基屬于覆蓋型巖溶地基，進行穩定性評價時需同時考慮上部建筑荷載與土洞的共同作用[4]。

研究區內的地表巖溶并不發育，而地下巖溶卻十分發育，在勘察深度48.08 m內，未發現規模較大的呈水平層狀發育的隱伏溶洞。溶洞大部分為全填充，充填物主要為可塑狀黏土，含少量砂、礫石及灰巖碎塊。研究區場地地基整體穩定性較差，局部差。

2.2 單體評價

通過場地評價，研究區場地地基整體穩定性較差，需進行地基處理并采取適宜的基礎型式才可進行擬建工程的建設。由于巖溶在研究區的地下分布各處不盡相同，因此，對于研究區巖溶的單體評價十分重要。這里選取3個典型地質剖面（見圖1～3）共 15個的鉆孔信息以及水文地質勘察信息來進行場地的地基穩定性評價。

圖1 地質剖面2-2?圖Fig.1 Geological profile map 2-2?

圖2 地質剖面10-10?圖Fig.2 Geological profile map 10-10?

圖3 地質剖面14-14?圖Fig.3 Geological profile map 14-14?

（1）定性評價

定性評價適用于初勘階段選擇場地及一般工程地基穩定性的分析評價，評價方法主要有綜合分析法和經驗比擬法。

1）評價方法

（A）綜合分析法。根據巖溶洞隙各項邊界條件，如溶洞大小、形狀，頂板厚度及巖性，裂隙狀況、巖層產狀、洞穴形態及埋藏條件、地下水、上覆土層情況等條件，對比《巖土工程手冊》[5]中所列的諸因素進行綜合分析并作出評價。

（B）經驗比擬法。由于涉及巖溶問題的公路、鐵路、橋梁、隧道與民用建筑以及大型的水利水電樞紐壩基等工程實例較多，經驗比擬法是根據評價對象的工程地質條件，與條件相似的已有成功或失敗工程實例進行類比評價[6]。

根據上述方法，對3個典型地質剖面進行巖溶地基穩定性評價。3個地質剖面巖溶地基穩定性的定性評價見表2。

2）評價結果

從表2中可以看出，場地的巖性及厚度、溶洞的充填情況均對地基的穩定性有利，而裂隙狀況、洞穴形態及埋藏條件及地下水條件均對地基的穩定性不利。在所有的7項指標中，剖面2-2?有4個不利因素，剖面10-10?有5個不利因素，剖面14-14?有3個不利因素。因此，定性評價的角度看，剖面14-14?的相對穩定性最好，剖面 2-2?次之，剖面10-10?最差。

表2 3個地質剖面巖溶地基穩定性的定性評價Table 2 Qualitative evaluation of stability of karst foundation in three geological sections

（2）半定量評價

1）評價方法

（A）溶洞頂板坍塌堵塞法

該方法適用于碳酸鹽巖體淺部有隱伏溶洞的地基[7]。其基本原理是坍塌后溶洞頂板巖體的體積會發生松脹，當坍塌向上發展至一定高度時，洞體可被坍落的巖體堵塞，此時便可認為溶洞頂板已穩定。溶洞坍塌的高度Z的計算式為：

式中：H0為溶洞高度；K為巖石的松脹系數（灰巖取 1.2）。

當計算出的Z小于洞頂板實際厚度時，可認為地基是穩定的。

（B）覆蓋型巖溶地基計算模型

對于覆蓋型巖溶地基穩定性的評價，不僅需要考慮土洞本身，還需要考慮上部建筑物荷載，用它們的共同作用來評價[8]。其計算模型如圖4所示。

圖4 覆蓋型巖溶地基穩定性計算模型圖（σcz為自重應力，σz為附加應力）Fig.4 Calculation model diagram of stability of covered karst foundation

對于特定的建筑物荷載，處于極限狀態的上覆土層厚度Hk為：

式中：h為土洞的高度；z為基礎底板以下建筑物荷載的有效影響深度；D為基礎砌置深度。

對于上述計算模型可作如下3種情況的討論：

A）當H＞Hk時，說明上覆土層較厚，雖然在上部有建筑物荷載的作用，下部也有土洞的影響，但此時地基是穩定的。

B）當H＜Hk時，地基是不穩定的。此時又可分為2種情況。

a）土洞在建筑物興建之前就已形成時，若土洞處于待建建筑物荷載的有效影響深度z的范圍內，其極限平衡狀態將被打破，土洞會發生坍塌，對地基穩定性不利。

b）土洞在建筑物興建之后才形成時，相對穩定的地基將在土洞的影響下降低其原有的穩定性，如果發生地基沉降，則會影響上部建筑和地基的穩定性。

C）當H＜h時，即上覆土層較薄時，僅土洞的發展就可破壞地基的穩定性，導致地面塌陷。此時已建工程需搬遷，擬建工程須繞避。

2）評價過程

（A）本次勘察過程探明了每個溶洞的高度及頂板厚度情況，因此根據溶洞頂板坍塌堵塞法，按照所給公式進行分析，結合3個地質剖面溶洞高度溶洞頂板厚度進行巖溶地基穩定性評價，并根據計算結果評價其相對穩定性大小。3個地質剖面巖溶地基穩定性半定量評價情況見表3。

表3 3個地質剖面巖溶地基穩定性半定量評價Table 3 Semi-quantitative stability evaluation of karst foundation in three geological sections

（B）因研究區地基類型為覆蓋型巖溶地基，因此也可用覆蓋型巖溶地基計算模型的方法直接進行評價。由于3個剖面的鉆孔均未揭露到土洞的發育，而在場區進行水文地質勘察時，鉆孔ZK1及ZK2揭露了土洞（見表4）。因此，覆蓋型巖溶地基計算模型法以鉆孔ZK1及ZK2的信息進行評價。

表4 鉆孔ZK1及ZK2信息表Table 4 Information of borehole ZK1 and ZK2

3）評價結果

（A）溶洞頂板坍塌堵塞法的評價結果

根據溶洞頂板坍塌堵塞法計算每個鉆孔溶洞的Z值，再將Z值與各溶洞的頂板高度進行比較，判斷每個溶洞的穩定性。并計算溶洞坍塌的平均高度Z，與頂板的平均厚度作比較，判斷每個計算剖面巖溶地基的相對穩定性大小。計算結果如表5所示。

由表5可以看出，除鉆孔ZK57的第2個鉆孔的Z值小于頂板厚度，處于穩定狀態外，其余溶洞均處于不穩定狀態；各剖面的溶洞坍塌平均高度Z也均比頂板平均厚度大，因此，各剖面也都處于不穩定狀態。

表5 溶洞穩定性計算結果Table 5 Stability results of karst cave

若以Z與頂板平均厚度的比值作為判斷相對穩定性的依據，可以看出剖面14-14?的相對穩定性最好（比值為 4.13），剖面 10-10?次之（比值為 12.12），剖面2-2?由于鉆孔ZK39揭露的溶洞非常大，因此其比值最大，為 36.22，故其相對穩定性最差。這與定性評價的結果略有不同。

（B）覆蓋型巖溶地基計算模型的評價結果

A）鉆孔ZK1

由表4可以看出，鉆孔 ZK1的上覆土層厚度H=14.20 m，土洞高度h=1.90 m。根據公式，當鉆孔上部的基礎砌置深度 D與基礎底板以下建筑物荷載的有效影響深度 z之和小于土洞的埋置深度（即H-h）時，可認為該條件下的巖溶地基是穩定的，即當鉆孔ZK1上的D+z＜12.30 m時，地基是穩定的。

B）鉆孔ZK2

由表4可以看出，鉆孔 ZK2的上覆土層厚度H=13.40 m，土洞高度h=1.80 m。根據公式，當鉆孔上部的基礎砌置深度 D與基礎底板以下建筑物荷載的有效影響深度 z之和小于土洞的埋置深度（即H-h）時，可認為該條件下的巖溶地基是穩定的，即當鉆孔ZK2上的D+z＜11.60 m時，地基是穩定的。

3 結 語

信豐巖溶地基穩定性評價包括場地評價和單體評價2種，即整體評價和局部評價。整體評價通常采用定性評價方法為主，從巖溶分布的總體規律和特征對場地穩定性進行分析評價，通過相關資料分析結果，研究區的場地為不均勻地基，穩定性較差。結合各單位分布和發育特征，可采用定性和半定量2種方式對穩定性進行評價。從定性評價的角度，可以建立由巖性及厚度、裂隙狀況、巖層產狀、洞穴形態及埋藏條件、頂板情況、充填情況及地下水條件等7項指標組成的評價體系對巖溶地基穩定性進行初步的評價；而從半定量角度看，可按照溶洞頂板坍塌堵塞法對巖溶地基穩定性進行初步的評價。為更有利于指導工程建設，通常采用2種方法結合的方式對單體穩定進行評價。通過整體評價和局部評價可以對巖溶地基穩定性進行初步的評價和認識，對工程建設能夠起到一定的指導作用，為后續結合物探、有限元數值分析法等方法準確評價巖溶地基穩定性提供了方向和資料基礎。