貴陽某隱伏橫向溶洞地基處理穩定性分析

　　摘要 巖溶地基的穩定性是地面建筑安全的重要保證。以貴州南明區某高層建筑的巨型溶洞處理為例，采用結構力學近似法和有限元分析法分析建筑荷載下溶洞頂板穩定性。通過數值模擬軟件 FLAC3 D 建立不同填充材料及填充范圍工況的計算模型，計算在建筑荷載下，不同填充材料和填充范圍下溶洞頂板及地面的應變場和應力場特征。溶洞的填充材料分別是細石混凝土和碎石，填充范圍包括全區域填充和建筑一側的部分填充。對比分析了 4 種工況情況下，溶洞上覆地基變形的特征。與試測結果的對比表明：數值計算分析與現場監測數據吻合，在處理復雜溶洞及樁基應力條件下的地基穩定性效果較好，細石混凝土的填充效果比碎石材料效果更佳，在保證建筑安全的基礎上，部分填充的方案能為工程節省更多的成本，對我國西南地區巖溶地質處理的工程設計和施工有一定的借鑒意義。

　　關鍵詞 巖溶處理;地基;穩定性;數值分析

　　張貝貝; 伍廷亮; 王玉松; 晉明超， 工業建筑 發表時間：2021-11-05

　　我國地域遼闊地質復雜，隨著經濟的發展和建筑配套的提升，將不可避免在復雜地基上修建建筑物。貴州作為全國碳酸鹽巖出露面積最廣的省份，其巖溶發育面積相當廣泛[1]。近年來貴州山區在西部大開發戰略的帶動下，工程建設頻繁，巖溶地質發育地區中工程建設不可避免，給基礎工程的設計和施工帶來了極大的考驗，巖溶地基穩定性分析顯得極其的重要。

　　巖溶地基穩定性理論分析可分為兩方面[2]: 一是從頂板的安全厚度來評價其穩定性，主要根據《工程地質手冊》[3]或《巖土工程手冊》[4]中的經驗算式計算;二是從地基極限承載力的角度出發評價其穩定性，其主要依據傳統的求解地基承載力的計算方法。Wang 等針對條形基礎正下方存在圓形空洞的問題研究，得出空洞隨著埋深的增大，其上覆巖體極限承載力提高[5]。王建秀等在分析巖溶塌陷的機制，提出了“蓋層土體—薄頂板無充填溶洞力學系統”，并通過頂板極限強度判斷巖溶的穩定性[6]。程曄等對溶洞特征影響因素和頂板巖層影響因素進行權值分配，根據最大隸屬度原則，對溶洞頂板穩定性進行評價[7]。文獻[8-10]從巖溶地質特征和樁基礎相對位置，將巖溶地基類型劃分成 4 類，分別是豎向巖溶地基、隱伏豎向溶洞地基、隱伏橫向溶洞巖石地基及旁側溶槽巖石地基，其中隱伏橫向溶洞巖石地基對上覆建筑物穩定性影響最大。在實際工程中由于巖溶發育的規模、圍巖性質及建筑荷載差等異較大，以上的方法應用難度大，目前國內外許多學者[11-17]大多結合工程實際，采用數值計算手段對巖溶地基穩定性進行分析研究，主要通過有限元軟件來模擬分析，其主要思路是將研究對象離散化為較小的單元，分析單元的受力情況，從而計算結點等效荷載，最終化零為整得出整個研究對象的分析結果。在上述思路指導下，本研究結合貴陽南明區某高層建筑溶洞處理實例，通過結構力學近似分析法和數值方法分析巖溶地基的穩定性，為類似的基礎工程設計和施工提供理論依據。

　　1 巖溶發育概況

　　研究的高層建筑位于貴陽市南明區，據區域地質圖及現場勘測，場地沒有規模較大的區域性斷層。場地基巖具單斜產狀，巖層傾向 110°~130º，傾角 8°~15º，綜合產狀 120°∠12°。場地巖土單元從上至下主要由填土、三疊系安順組(T1)灰巖、白云質灰巖等組成，其中灰巖從上之下可分為兩部分組成，分別是強風化灰巖和中風化灰巖。

　　352 個鉆探孔中，共有 65 個孔見溶洞(溶隙)，溶洞位于三疊系安順組(T1)灰巖層，在空間上分布極不均勻，溶洞多數為全充填，少數為空洞，巖溶發育率為 18.5%，溶洞發育高度最高達 29.6 m，在研究區的中部多個溶洞在橫向上聯通，形成巨型隱伏橫向溶洞，該巖溶發育的高度約為 10 m，向兩側逐漸降低，直至尖滅為止，傾斜長度為 32 m，在側向上根據發育情況不同，溶洞剖面發育情況如下圖 1 所示，溶洞斷面尺寸如圖 2 所示，現場揭露和鉆孔資料可知上覆雜填土厚度約為 2 m，高風化灰巖厚度約為 24 m，下部均為中風化或地風化灰巖。洞內底部沉積一定厚度的黏土層，在豐水期，可接受地表水的補給，溶洞有進一步發育的空間，對建筑安全存在較大隱患。該類型的溶洞體型較大，隨著上覆基礎的載荷提高，主要溶洞的頂部彎曲變形并發生垮落。

　　2 隱伏橫向溶洞穩定性分析

　　2.1 結構力學近似分析法

　　根據溶洞頂板的完整性和實際狀況，假定溶洞頂板為梁或板的受力狀況，按溶洞頂板抗彎厚度進行驗算所需的安全厚度。溶洞頂板為完整性較好的厚層狀時，可按四周嵌固的板驗算頂板的穩定性[8]。反算所需的頂板安全厚度 z,可由式(1)確定: (1)式中:q 為長邊每延米均布荷載;L、b 為洞的長、短徑;σ 為巖體的彎曲強度,對灰巖取抗壓強度的 0.1~0.125 倍。

　　頂板抗剪的安全厚度驗算，由極限平衡條件求得頂板厚度 z?，可由式(2)確定：(2)式中：F 為上部荷載傳至頂板的豎向力;G 為頂板巖體受到的重力;U 為洞體平面的周長;frv 為頂板的巖體抗剪強度;對灰巖取其抗壓強度的 0.06~0.13 倍。

　　圖 2 可視為結構力學近似分析簡圖，上部為多層建筑，以中厚層灰巖作持力層，采用柱下條形基礎和樁基礎，設計上部極限荷載為 5 000 kN/m，巖層傾角 12°，巖石飽和單軸抗壓強度 41.4 MPa，巖體較破碎，巖體完整性指數為 0. 385，巖體基本質量等級為Ⅳ類，頂板巖體重度 25.8 k N/m3 ，頂板厚度 10 m，洞頂上部巖體受到的重力為 127 kN/m，設計總荷載 5 127 kN/m，通過實測可知，洞長徑 L 約為 34 m，短徑 b 約為 5 m，取 σ 為 4.14 MPa，在不考慮溶洞發育角度時，根據式( 1) 和式( 2) 計算，得 z=11.82m，z'=9.68m，現場揭露上層雜填土和高風化灰巖后，其溶洞頂板厚度為 5~8m，頂板抗彎、抗剪安全厚度均不滿足要求。

　　計算假定溶洞頂板為梁或板，可簡化復雜溶洞模型，通過結構力學近似分析法，按溶洞頂板抗彎厚度和抗剪強度進行驗算頂板所需的安全厚度，可快速計算溶洞頂板穩定性，但實際工程中溶洞三維形態差異較大，難以精確得出溶洞的短邊和長邊的長度，其次溶洞頂板的完整性較差，存在大量原生和次生裂隙，運用結構力學近似分析法還需要進一步考慮如何量化巖體完整性指數對計算模型的影響，再次由于該方法只能半定量分析巖溶頂板厚度是否滿足上覆載荷需求，無法滿足實際工程精度需求。

　　2.2 有限元模擬分析

　　2.2.1 模型構建、參數、邊界條件及荷載分布

　　模擬采用 FLAC3D 有限元軟件，模擬建筑載荷對硐室的影響，本次巖體破壞模型為摩爾-庫侖模型，該本構關系滿足巖體剪-拉破壞準則，即當剪切面上的剪應力與正應力之比達到最大時，材料發生屈服于破壞。根據前人對地下洞室開挖尺寸對圍巖影響范圍的研究經驗，可知圍巖的影響范圍為洞室的洞徑 3~5 倍。根據現場溶洞規模測量數據，模擬模型長、寬均為 100 m，高度為 50 m，巖層單個單元的大小為 1 m×1 m×1 m，可滿足溶洞的塑性變形及監測精度要求。圖 3 為溶洞三維模型圖，其中陰影部分為不規則溶洞。模擬地層從上到下主要可分為三部分組成，分別是部分雜填土、高風化層灰巖層和中風化灰巖層，溶洞部分分別使用碎石和細石混凝土填充，主要力學參數見表 1，其中雜填土、高風化灰巖及中風化灰巖物理力學參數來源于該研究區的工程勘查報告，細石混凝土和碎石的參數來源于土木工程實驗室測試。巖溶地質模型具體邊界情況設置如下：模型的頂部為自由邊界，在模型四個側向邊界施加水平約束，在模型的下邊界施加豎向約束。

　　巨型溶洞上方區域主要擬建設 3 棟高層建筑物，分別是 A3、A4 和 A5 棟，具體位置見圖 4，上覆每棟建筑荷載值為 85 MN，平均每個樁基上荷載約為 2.9 MN，樁基橫面積為 1.5 m×1.5 m，模擬時單樁豎向的作用力為 1.3 MPa，模擬樁基位置為擬建建筑樁基的實際位置，通過在網格上方施加樁基載荷的形式達到模擬樁基的載荷條件。

　　為精確模擬地表及地下淺層巖層在建設階段的位移場和應力場變化，在地表上，分別選取溶洞上方接近建筑物的監控點，其編號為 1~8，同時在地表下 5，10，15 m 等位置同時設置監測點。監測高層建筑部分樁基在的豎向位移、側向水平位移及應力變化情況。具體監測點位置、編號及樁基位置見圖 5。

　　2.2.2 模擬結果和監測結果分析

　　模擬的目的是研究大型溶洞對建筑安全的影響，通過改變填充材料及填充范圍等參數等方式，實現在不同工況下，監測地基及溶洞周圍圍巖的應力場和位移場變化，其具體可分為以下四種工況：

　　工況 1：溶洞區域不進行任何充填，直接在上方建設建筑物;工況 2：利用鉆機把細石混凝土灌入溶洞，并保證溶洞區域完全填充;工況 3：通過溶洞的一端進行碎石充填，并保證溶洞區域完全填充;工況 4：利用鉆機把細石混凝土灌入地下溶洞，填充范圍為原溶洞體積的四分之三，填充部位為靠近建筑物的一端。

　　1)不同工況下應變場分析。

　　圖 6 給出了 4 種工況下溶洞上方的豎向和水平位移云圖剖面。圖 7 為觀測點的豎向沉降。

　　在工況 1 條件下，溶洞區域不進行任何充填，直接在上方建設建筑物，溶洞頂部發生大變形，變形量最大為 5 號監測點，其地表處位移和地下 15 m 處的位移分別是 0.45，0.47 m，變形量最下為 8 號監測點，其地表位移和地下 15 m 處的位移分別是 0.049，0.017 m，巖體越靠近建筑物下方，其豎向位移量越大，可判斷上覆巖層在該建筑應力條件下發生垮落。無法滿足建筑施工的需求，需要進行處理后才能施工。

　　工況 2 用細石混凝土完全充填溶洞，根據模型監測點 1~8 的監測數據可知：地表豎向位移范圍為 1.90~5.75 mm，監測點在地下 5，10，15 m 處的豎向位移整體范圍在 1.49~1.98 mm，豎向位移量隨巖層的埋深有變小的趨勢，說明在埋深 5 m 以下的巖層達到穩定狀態，充填效果極好。

　　工況 3 用碎石完全充填溶洞，根據模型監測點 1~8 的監測數據可知：地表豎向位移范圍為 3.01~10.70 mm，監測點在地下 5，10，15 m 處的豎向位移整體范圍在 1.53~6.06 mm，豎向位移量隨巖層的埋深有變小的趨勢，上覆地層承載力滿足建設施工的要求，但從監測點 3~6 可知溶洞充填后的位移高于 1 號、2 號、7 號和 8 號監測點，說明溶洞充填后仍然對溶洞上方巖層產生形變的影響，填充效果略差于工況 2。

　　工況 4 用細石混凝土部分填充溶洞，填充范圍為原溶洞體積的 3/4，并且填充部位為靠近建筑物的一端，根據監測數據可知：地表的沉降范圍在 2.99~16 mm，地下 5，10，15 m 處的豎向位移整體范圍在 2.01~9.59 mm，豎向位移量隨巖層的埋深有變小的趨勢，豎向位移量高于工況 1 和工況 2，對比工況 1 和工況 2 其充填效果差，未發生破壞，基本滿足建筑施工安全要求。

　　工程采用工況 2 處理方法，溶洞區域全部填充細石混凝土。建筑施工前至竣工后階段，對溶洞上方樁基處地面沉降值監測，實際監測數據與模擬數據趨勢總體一致，模擬結果略大于實際測量數據，主要原因可能是模擬結果是最終沉降量，而實際監測數據采集于建筑物建成后半年，其位移量可能并未達到最大值，見圖 8。

　　從 4 種工況條件下的施工模擬結果可得以下規律：1)溶洞充填后，上方巖層在地表至地下 15 m 深處巖層發生整體位移，其位移量隨著巖層的埋深有增大的趨勢，表明溶洞上覆巖石發生大變形或產生坍塌破壞;2)溶洞充填后，巖層的豎向位移和隨著埋深的增加有變小的趨勢，說明溶洞上覆巖層處于穩定狀態;3)可根據建筑物和溶洞的相對位置進行局部充填，其充填范圍越大對建筑物上覆巖石的穩定性越好，可按照實際建筑施工需求進行選擇性充填。

　　2)不同工況下應力場分析。

　　9 給出了四種工況下溶洞不同填充材料級范圍下受力分布情況，工況 1 情況下，在建筑荷載下應力主要集中是溶洞上方和溶洞周圍，該范圍內巖石可能發生大變形和破碎;工況 2 情況下，細石混凝土完全充填溶洞，填充材料力學特性部分高于原巖，溶洞圍巖無應力集中;在工況 3 條件下，用碎石完全充填溶洞，由于碎石膠結能力差，抗壓強度低，在溶洞填充碎石及溶洞周圍存在應力集中，在建筑荷載下會發生整體沉降;在工況 4 條件下，采用細石混凝土填充靠近建筑的一側，本次考慮到安全需要，填充溶洞的 3/4 范圍，其應力集中在溶洞未填充及填充的界面附近，為了建筑安全及經濟等綜合考慮，可以選擇部分填充的方案。

　　3)不同工況下塑性變形區分布。

　　4 種工況下圍巖塑性區分布如圖 10，工況 1 上覆圍巖完全破壞，工況 2 碎石壓實充填在地表及溶洞區域形成小范圍的塑性變形，工況 3 稀釋混凝土充填效果極好，只在地表形成小范圍塑性變形，工況 4 部分充填方案，在未填充溶洞上方曾形成塑性變形區，但已經達到穩定，對上覆建筑物安全無影響。

　　3 結束語

　　1)假定溶洞頂板為梁或板，簡化了復雜溶洞模型，通過結構力學近似分析法，按溶洞頂板抗彎厚度和抗剪強度進行驗算頂板所需的安全厚度，可快速計算溶洞頂板穩定性，但實際工程中溶洞三維形態差異較大，頂板破碎程度的差異，無法滿足實際工程精度的需求。

　　2)溶洞充填后，上方巖層在地表至地下 15m 深處發生整體位移，其位移量隨著巖層的埋深有增大的趨勢，表明溶洞上覆巖石發生大變形或產生坍塌破壞;上方巖層豎向位移隨著埋深的增加有變小的趨勢，說明溶洞上覆巖層處于穩定狀態。

　　3)對比細石混凝土和碎石兩種充填材料，細石混凝土填充后力學強度高，有利于地基的穩定;模擬地面沉降和實際觀測沉降數據變化趨勢一致，驗證了數值模擬分析方法在解決復雜溶洞地基處理的可行性。

　　4)對比研究區大型隱伏橫向溶洞的部分充填和全充填的效果，在滿足設計地基沉降的要求情況下，可對大型溶洞進行部分填充，填充范圍可根據溶洞發育規模、埋深及圍巖力學特性等確定，為工程建設節省成本。