贵阳某隐伏横向溶洞地基处理稳定性分析

　　摘要 岩溶地基的稳定性是地面建筑安全的重要保证。以贵州南明区某高层建筑的巨型溶洞处理为例，采用结构力学近似法和有限元分析法分析建筑荷载下溶洞顶板稳定性。通过数值模拟软件 FLAC3 D 建立不同填充材料及填充范围工况的计算模型，计算在建筑荷载下，不同填充材料和填充范围下溶洞顶板及地面的应变场和应力场特征。溶洞的填充材料分别是细石混凝土和碎石，填充范围包括全区域填充和建筑一侧的部分填充。对比分析了 4 种工况情况下，溶洞上覆地基变形的特征。与试测结果的对比表明：数值计算分析与现场监测数据吻合，在处理复杂溶洞及桩基应力条件下的地基稳定性效果较好，细石混凝土的填充效果比碎石材料效果更佳，在保证建筑安全的基础上，部分填充的方案能为工程节省更多的成本，对我国西南地区岩溶地质处理的工程设计和施工有一定的借鉴意义。

　　关键词 岩溶处理;地基;稳定性;数值分析

　　张贝贝; 伍廷亮; 王玉松; 晋明超， 工业建筑 发表时间：2021-11-05

　　我国地域辽阔地质复杂，随着经济的发展和建筑配套的提升，将不可避免在复杂地基上修建建筑物。贵州作为全国碳酸盐岩出露面积最广的省份，其岩溶发育面积相当广泛[1]。近年来贵州山区在西部大开发战略的带动下，工程建设频繁，岩溶地质发育地区中工程建设不可避免，给基础工程的设计和施工带来了极大的考验，岩溶地基稳定性分析显得极其的重要。

　　岩溶地基稳定性理论分析可分为两方面[2]: 一是从顶板的安全厚度来评价其稳定性，主要根据《工程地质手册》[3]或《岩土工程手册》[4]中的经验算式计算;二是从地基极限承载力的角度出发评价其稳定性，其主要依据传统的求解地基承载力的计算方法。Wang 等针对条形基础正下方存在圆形空洞的问题研究，得出空洞随着埋深的增大，其上覆岩体极限承载力提高[5]。王建秀等在分析岩溶塌陷的机制，提出了“盖层土体—薄顶板无充填溶洞力学系统”，并通过顶板极限强度判断岩溶的稳定性[6]。程晔等对溶洞特征影响因素和顶板岩层影响因素进行权值分配，根据最大隶属度原则，对溶洞顶板稳定性进行评价[7]。文献[8-10]从岩溶地质特征和桩基础相对位置，将岩溶地基类型划分成 4 类，分别是竖向岩溶地基、隐伏竖向溶洞地基、隐伏横向溶洞岩石地基及旁侧溶槽岩石地基，其中隐伏横向溶洞岩石地基对上覆建筑物稳定性影响最大。在实际工程中由于岩溶发育的规模、围岩性质及建筑荷载差等异较大，以上的方法应用难度大，目前国内外许多学者[11-17]大多结合工程实际，采用数值计算手段对岩溶地基稳定性进行分析研究，主要通过有限元软件来模拟分析，其主要思路是将研究对象离散化为较小的单元，分析单元的受力情况，从而计算结点等效荷载，最终化零为整得出整个研究对象的分析结果。在上述思路指导下，本研究结合贵阳南明区某高层建筑溶洞处理实例，通过结构力学近似分析法和数值方法分析岩溶地基的稳定性，为类似的基础工程设计和施工提供理论依据。

　　1 岩溶发育概况

　　研究的高层建筑位于贵阳市南明区，据区域地质图及现场勘测，场地没有规模较大的区域性断层。场地基岩具单斜产状，岩层倾向 110°~130º，倾角 8°~15º，综合产状 120°∠12°。场地岩土单元从上至下主要由填土、三叠系安顺组(T1)灰岩、白云质灰岩等组成，其中灰岩从上之下可分为两部分组成，分别是强风化灰岩和中风化灰岩。

　　352 个钻探孔中，共有 65 个孔见溶洞(溶隙)，溶洞位于三叠系安顺组(T1)灰岩层，在空间上分布极不均匀，溶洞多数为全充填，少数为空洞，岩溶发育率为 18.5%，溶洞发育高度最高达 29.6 m，在研究区的中部多个溶洞在横向上联通，形成巨型隐伏横向溶洞，该岩溶发育的高度约为 10 m，向两侧逐渐降低，直至尖灭为止，倾斜长度为 32 m，在侧向上根据发育情况不同，溶洞剖面发育情况如下图 1 所示，溶洞断面尺寸如图 2 所示，现场揭露和钻孔资料可知上覆杂填土厚度约为 2 m，高风化灰岩厚度约为 24 m，下部均为中风化或地风化灰岩。洞内底部沉积一定厚度的黏土层，在丰水期，可接受地表水的补给，溶洞有进一步发育的空间，对建筑安全存在较大隐患。该类型的溶洞体型较大，随着上覆基础的载荷提高，主要溶洞的顶部弯曲变形并发生垮落。

　　2 隐伏横向溶洞稳定性分析

　　2.1 结构力学近似分析法

　　根据溶洞顶板的完整性和实际状况，假定溶洞顶板为梁或板的受力状况，按溶洞顶板抗弯厚度进行验算所需的安全厚度。溶洞顶板为完整性较好的厚层状时，可按四周嵌固的板验算顶板的稳定性[8]。反算所需的顶板安全厚度 z,可由式(1)确定: (1)式中:q 为长边每延米均布荷载;L、b 为洞的长、短径;σ 为岩体的弯曲强度,对灰岩取抗压强度的 0.1~0.125 倍。

　　顶板抗剪的安全厚度验算，由极限平衡条件求得顶板厚度 z，可由式(2)确定：(2)式中：F 为上部荷载传至顶板的竖向力;G 为顶板岩体受到的重力;U 为洞体平面的周长;frv 为顶板的岩体抗剪强度;对灰岩取其抗压强度的 0.06~0.13 倍。

　　图 2 可视为结构力学近似分析简图，上部为多层建筑，以中厚层灰岩作持力层，采用柱下条形基础和桩基础，设计上部极限荷载为 5 000 kN/m，岩层倾角 12°，岩石饱和单轴抗压强度 41.4 MPa，岩体较破碎，岩体完整性指数为 0. 385，岩体基本质量等级为Ⅳ类，顶板岩体重度 25.8 k N/m3 ，顶板厚度 10 m，洞顶上部岩体受到的重力为 127 kN/m，设计总荷载 5 127 kN/m，通过实测可知，洞长径 L 约为 34 m，短径 b 约为 5 m，取 σ 为 4.14 MPa，在不考虑溶洞发育角度时，根据式( 1) 和式( 2) 计算，得 z=11.82m，z'=9.68m，现场揭露上层杂填土和高风化灰岩后，其溶洞顶板厚度为 5~8m，顶板抗弯、抗剪安全厚度均不满足要求。

　　计算假定溶洞顶板为梁或板，可简化复杂溶洞模型，通过结构力学近似分析法，按溶洞顶板抗弯厚度和抗剪强度进行验算顶板所需的安全厚度，可快速计算溶洞顶板稳定性，但实际工程中溶洞三维形态差异较大，难以精确得出溶洞的短边和长边的长度，其次溶洞顶板的完整性较差，存在大量原生和次生裂隙，运用结构力学近似分析法还需要进一步考虑如何量化岩体完整性指数对计算模型的影响，再次由于该方法只能半定量分析岩溶顶板厚度是否满足上覆载荷需求，无法满足实际工程精度需求。

　　2.2 有限元模拟分析

　　2.2.1 模型构建、参数、边界条件及荷载分布

　　模拟采用 FLAC3D 有限元软件，模拟建筑载荷对硐室的影响，本次岩体破坏模型为摩尔-库仑模型，该本构关系满足岩体剪-拉破坏准则，即当剪切面上的剪应力与正应力之比达到最大时，材料发生屈服于破坏。根据前人对地下洞室开挖尺寸对围岩影响范围的研究经验，可知围岩的影响范围为洞室的洞径 3~5 倍。根据现场溶洞规模测量数据，模拟模型长、宽均为 100 m，高度为 50 m，岩层单个单元的大小为 1 m×1 m×1 m，可满足溶洞的塑性变形及监测精度要求。图 3 为溶洞三维模型图，其中阴影部分为不规则溶洞。模拟地层从上到下主要可分为三部分组成，分别是部分杂填土、高风化层灰岩层和中风化灰岩层，溶洞部分分别使用碎石和细石混凝土填充，主要力学参数见表 1，其中杂填土、高风化灰岩及中风化灰岩物理力学参数来源于该研究区的工程勘查报告，细石混凝土和碎石的参数来源于土木工程实验室测试。岩溶地质模型具体边界情况设置如下：模型的顶部为自由边界，在模型四个侧向边界施加水平约束，在模型的下边界施加竖向约束。

　　巨型溶洞上方区域主要拟建设 3 栋高层建筑物，分别是 A3、A4 和 A5 栋，具体位置见图 4，上覆每栋建筑荷载值为 85 MN，平均每个桩基上荷载约为 2.9 MN，桩基横面积为 1.5 m×1.5 m，模拟时单桩竖向的作用力为 1.3 MPa，模拟桩基位置为拟建建筑桩基的实际位置，通过在网格上方施加桩基载荷的形式达到模拟桩基的载荷条件。

　　为精确模拟地表及地下浅层岩层在建设阶段的位移场和应力场变化，在地表上，分别选取溶洞上方接近建筑物的监控点，其编号为 1~8，同时在地表下 5，10，15 m 等位置同时设置监测点。监测高层建筑部分桩基在的竖向位移、侧向水平位移及应力变化情况。具体监测点位置、编号及桩基位置见图 5。

　　2.2.2 模拟结果和监测结果分析

　　模拟的目的是研究大型溶洞对建筑安全的影响，通过改变填充材料及填充范围等参数等方式，实现在不同工况下，监测地基及溶洞周围围岩的应力场和位移场变化，其具体可分为以下四种工况：

　　工况 1：溶洞区域不进行任何充填，直接在上方建设建筑物;工况 2：利用钻机把细石混凝土灌入溶洞，并保证溶洞区域完全填充;工况 3：通过溶洞的一端进行碎石充填，并保证溶洞区域完全填充;工况 4：利用钻机把细石混凝土灌入地下溶洞，填充范围为原溶洞体积的四分之三，填充部位为靠近建筑物的一端。

　　1)不同工况下应变场分析。

　　图 6 给出了 4 种工况下溶洞上方的竖向和水平位移云图剖面。图 7 为观测点的竖向沉降。

　　在工况 1 条件下，溶洞区域不进行任何充填，直接在上方建设建筑物，溶洞顶部发生大变形，变形量最大为 5 号监测点，其地表处位移和地下 15 m 处的位移分别是 0.45，0.47 m，变形量最下为 8 号监测点，其地表位移和地下 15 m 处的位移分别是 0.049，0.017 m，岩体越靠近建筑物下方，其竖向位移量越大，可判断上覆岩层在该建筑应力条件下发生垮落。无法满足建筑施工的需求，需要进行处理后才能施工。

　　工况 2 用细石混凝土完全充填溶洞，根据模型监测点 1~8 的监测数据可知：地表竖向位移范围为 1.90~5.75 mm，监测点在地下 5，10，15 m 处的竖向位移整体范围在 1.49~1.98 mm，竖向位移量随岩层的埋深有变小的趋势，说明在埋深 5 m 以下的岩层达到稳定状态，充填效果极好。

　　工况 3 用碎石完全充填溶洞，根据模型监测点 1~8 的监测数据可知：地表竖向位移范围为 3.01~10.70 mm，监测点在地下 5，10，15 m 处的竖向位移整体范围在 1.53~6.06 mm，竖向位移量随岩层的埋深有变小的趋势，上覆地层承载力满足建设施工的要求，但从监测点 3~6 可知溶洞充填后的位移高于 1 号、2 号、7 号和 8 号监测点，说明溶洞充填后仍然对溶洞上方岩层产生形变的影响，填充效果略差于工况 2。

　　工况 4 用细石混凝土部分填充溶洞，填充范围为原溶洞体积的 3/4，并且填充部位为靠近建筑物的一端，根据监测数据可知：地表的沉降范围在 2.99~16 mm，地下 5，10，15 m 处的竖向位移整体范围在 2.01~9.59 mm，竖向位移量随岩层的埋深有变小的趋势，竖向位移量高于工况 1 和工况 2，对比工况 1 和工况 2 其充填效果差，未发生破坏，基本满足建筑施工安全要求。

　　工程采用工况 2 处理方法，溶洞区域全部填充细石混凝土。建筑施工前至竣工后阶段，对溶洞上方桩基处地面沉降值监测，实际监测数据与模拟数据趋势总体一致，模拟结果略大于实际测量数据，主要原因可能是模拟结果是最终沉降量，而实际监测数据采集于建筑物建成后半年，其位移量可能并未达到最大值，见图 8。

　　从 4 种工况条件下的施工模拟结果可得以下规律：1)溶洞充填后，上方岩层在地表至地下 15 m 深处岩层发生整体位移，其位移量随着岩层的埋深有增大的趋势，表明溶洞上覆岩石发生大变形或产生坍塌破坏;2)溶洞充填后，岩层的竖向位移和随着埋深的增加有变小的趋势，说明溶洞上覆岩层处于稳定状态;3)可根据建筑物和溶洞的相对位置进行局部充填，其充填范围越大对建筑物上覆岩石的稳定性越好，可按照实际建筑施工需求进行选择性充填。

　　2)不同工况下应力场分析。

　　9 给出了四种工况下溶洞不同填充材料级范围下受力分布情况，工况 1 情况下，在建筑荷载下应力主要集中是溶洞上方和溶洞周围，该范围内岩石可能发生大变形和破碎;工况 2 情况下，细石混凝土完全充填溶洞，填充材料力学特性部分高于原岩，溶洞围岩无应力集中;在工况 3 条件下，用碎石完全充填溶洞，由于碎石胶结能力差，抗压强度低，在溶洞填充碎石及溶洞周围存在应力集中，在建筑荷载下会发生整体沉降;在工况 4 条件下，采用细石混凝土填充靠近建筑的一侧，本次考虑到安全需要，填充溶洞的 3/4 范围，其应力集中在溶洞未填充及填充的界面附近，为了建筑安全及经济等综合考虑，可以选择部分填充的方案。

　　3)不同工况下塑性变形区分布。

　　4 种工况下围岩塑性区分布如图 10，工况 1 上覆围岩完全破坏，工况 2 碎石压实充填在地表及溶洞区域形成小范围的塑性变形，工况 3 稀释混凝土充填效果极好，只在地表形成小范围塑性变形，工况 4 部分充填方案，在未填充溶洞上方曾形成塑性变形区，但已经达到稳定，对上覆建筑物安全无影响。

　　3 结束语

　　1)假定溶洞顶板为梁或板，简化了复杂溶洞模型，通过结构力学近似分析法，按溶洞顶板抗弯厚度和抗剪强度进行验算顶板所需的安全厚度，可快速计算溶洞顶板稳定性，但实际工程中溶洞三维形态差异较大，顶板破碎程度的差异，无法满足实际工程精度的需求。

　　2)溶洞充填后，上方岩层在地表至地下 15m 深处发生整体位移，其位移量随着岩层的埋深有增大的趋势，表明溶洞上覆岩石发生大变形或产生坍塌破坏;上方岩层竖向位移随着埋深的增加有变小的趋势，说明溶洞上覆岩层处于稳定状态。

　　3)对比细石混凝土和碎石两种充填材料，细石混凝土填充后力学强度高，有利于地基的稳定;模拟地面沉降和实际观测沉降数据变化趋势一致，验证了数值模拟分析方法在解决复杂溶洞地基处理的可行性。

　　4)对比研究区大型隐伏横向溶洞的部分充填和全充填的效果，在满足设计地基沉降的要求情况下，可对大型溶洞进行部分填充，填充范围可根据溶洞发育规模、埋深及围岩力学特性等确定，为工程建设节省成本。