岩溶地基土洞塌陷评价及地基处理实例[]

发布网友 发布时间：2022-04-22 00:01

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热心网友 时间：2023-10-03 23:10

3.3.1　工程概况

桂林市兴进实业有限责任公司电线电缆厂小区兴建7号商品住宅楼。为11～12层，全框架结构，设一层地下停车场。在钻探过程中，发现场地内94^＃钻孔发育有一土洞，土洞位于地表以下深度5.00～8.50 m 处，该土洞顶面厚度5.00 m，洞高3.50 m。94^＃钻孔地层组成为：0.00～27.00 m 为硬塑含卵石粉质粘土，其中13.00～15.00 m 为硬塑粘土夹层，27.00 m 遇石灰岩，硬塑含卵石粉质粘土重度γ＝19.5 kN/m ³，黏聚力为c=46kPa，内摩擦角为φ＝20.6°，拟采用筏形基础。

以94^＃钻孔位置为中心，半径为3.0 m 的周围范围内均匀补充布置4个钻孔，未发现有土洞，说明该土洞只是存在于局部地段，规模不大，可认为土洞的直径近似为3.50 m。

3.3.2　土洞成因分析

场地内广泛分布的含卵石粉质粘土，为黄褐色—褐*，硬塑状态，由粉质粘土和卵石组成的混合土，卵石成分主要为风化状砂岩，粒径一般在30～70 mm，最大达110 mm；含量约为10％～30％，局部达40％，局部有增减，卵石分布不均匀。场地内地下水稳定水位埋深为2.00～14.40 m，相当于标高158.84～147.90 m，有少数钻孔未见地下水，由此可知该场地的地下水位差异较大。该地下水类型为赋存于粘土和含卵石粉质粘土层中的局部上层滞水。主要靠大气降水以及局部生活用水的渗透补给，据当地区域水文资料：该地下水水位年变幅为1～3 m。该区土洞的形成与发展主要受以下几种因素影响：

3.3.2.1　地下水（地表水）产生的渗透潜蚀作用

潜蚀是在地表水或地下水的渗透作用下，土体中的细颗粒在孔隙通道中移动并被携出的现象。岩溶区地下水位的下降，使地下水的水力梯度和流速增大，动水压力增强，从而对岩溶洞隙通道中的松散充填物和覆盖层产生侧向潜蚀、冲刷，土洞不断向上扩展而导致塌陷。

在岩溶区的土层中，渗透水的水力梯度加大，水力流速加快，动水压力增强，且水力坡度达到某一临界值J_k时，土中细粒被渗流带走迁移，产生土洞甚至塌陷。太沙基（1933）根据单位体积的土体在水中的浮重和作用于该体积的渗透水相平衡原理，得到土体产生潜蚀作用的临界水力梯度J_k的表达式，与式（1.43）相同。

当土层中地下水渗流的水力梯度大于临界水力梯度J_k时，土层就有可能产生潜蚀破坏。根据在含卵石粉质粘土所采取的23 件土样分析结果显示，其土颗粒相对密度为2.68～2.77，孔隙度n为35.6％～52.4％，则其产生潜蚀的临界水力梯度为0.80～1.14，当地下水位急剧变化时，其水力坡度就有可能超过临界水力坡度，土体将产生潜蚀破坏。

此外，地表水下渗也会产生潜蚀作用。桂林属*带气候，降水量丰富，年均降水量为1926 mm，且具有降水相对集中的特点，夏季4～7月份降水约占全年的62％。高强度地表水的迅速流动，形成相对较高的水力梯度，下渗进入地基土体中，当土层中地下水渗流的水力梯度大于临界水力梯度时，土体中的细颗粒在孔隙通道中移动并被携出，土层产生潜蚀破坏并形成土洞或塌陷。

3.3.2.2　真空吸蚀作用

在2004年11月18日测量的94^＃钻孔地下水位埋深为5.10 m，而土洞位于地表以下深度5.00～8.50 m 处，地下水位正好在土洞范围内变化，具备产生真空吸蚀作用的条件，从而导致土洞进一步发展扩大，甚至塌陷。

3.3.2.3　地下水位波动的崩解作用

一般来说，红粘土（次生红粘土）含有较多的亲水矿物，它们的结构联结力较弱，易于水化，遇水易产生崩解。当土层出现干湿交替变化，土层的含水量或饱和度产生较大变化时，土层更容易崩解。据当地区域水文资料：该地下水水位年变幅为1～3 m，有利于土层产生崩解作用。不同水质的水体对土体崩解的影响存在明显差别，其中，酸性水体的作用更具有突发性。该区地下水的pH =6.0，呈弱酸性，也有利于土体的崩解。

3.3.2.4　地下水的溶（侵）蚀作用

该区域的地层由红黏土或次生红黏土等类型组成，土颗粒之间多被铁、钙质胶结，据该场地内地下水水质分析结果表明，地下水的pH =6.0，呈弱酸性，地下水可使土体中的可溶性组分被溶解淋滤，土体结构受到削弱，尤其是对于铁、钙质胶结的红粘土地基，土体强度降低，并加剧了入渗水流的潜蚀作用，形成土洞，导致盖层失稳塌陷。

图3.1 土洞顶板稳定性示意图Fig.3.1 Diagram for roof stability in soil cave

3.3.3　土洞地基稳定性评价

3.3.3.1　极限平衡法

土体内部形成空洞前，在垂直应力和水平应力作用下处于自然平衡状态。随着土洞的出现，上部土体失去支撑，应力状态发生变化，如图3.1所示。

假若土洞平面范围为长条形，作用在土洞顶板上的压力为p₀，那么p₀主要由以下作用力组成：

p₀= G -2F 　　　　　　　　（3.1）

式中：p₀——土洞单位长度顶板上所受的压力（kN/m）;

G——土洞单位长度顶板上土层的总重量（kN/m）,G=2aγH;

a——土洞长度的一半（m）;

γ——土的重度（kN/m ³）;

H—— 地表至土洞间土层厚度（m）;

F——土洞单位长度侧壁的摩阻力（kN/m）。

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

式中：N 为楔形体在侧壁上的土压力（可取为土的静止土压力），N=K₀·γH。

因此式（3.1）可变为：

p₀=2aγH－γH²·K₀·ta nφ－2cH 　　　　（3.3）

由式（3.3）可以看出，当p₀=0时，亦即H 增大到一定厚度时，顶板上方土体恰好处于基线平衡状态，若将这时的H 称为临界厚度H₀，有

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

当H <H₀时，可认为顶板不稳定。

若基底存在附加压力p（如建筑物基底附加应力），则式（3.1）变为：

p₀= G -2F +2ap =2aγH－γH²·K₀·tanφ－2cH +2ap （3.5）

令p₀=0时，化简式（3.5）得到临界厚度H ₀为：

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当土洞平面范围为圆形时，且地基上有建筑物基底附加压力p，作用在土洞顶板上的压力p_O为：

p₀= G -F ＋πa²·p 　　　　　　　（3.7）

式中：G＝πa²γH。

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

当土洞处于极限平衡状态时，土洞顶板的压力p₀=0，式（3.7）变为：

πa²γH－（πaγH ²·K₀·tanφ＋2πa·cH）＋πa²·p =0 （3.8）

化简式（3.8）得到临界厚度H₀为：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

将计算参数代入式（3.9），其中a=1.75 m；γ＝19.5 kN/m ³，φ＝20.6°，c =46kPa，基础地面到土洞顶面距离H =4.0 m，建筑物基底压力p=200kPa，侧压力系数K₀取0.6，得到土洞地基临界安全厚度H₀=4.50 m,H =4.0 m<H₀=4.50 m，土洞地基不稳定。

3.3.3.2　压力拱分析法

发育于松散土层中的土洞，可认为顶板将成拱形塌落，而其上荷载及土体重量将由拱自身承担。用普氏压力拱法来评价岩溶地基的稳定性，方法简单明确。它最初是在地下工程或采矿工程中用来计算围岩压力，后来被引用来评价岩溶地基溶洞和土洞的稳定性。普氏压力拱的高度h₁表达式为：

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式中：h——洞体的高度（m）;

a——空洞长度的一半（m）。

当溶洞或土洞洞体顶板以上岩土体的厚度大于普氏压力拱的高度h₁，则认为地基处于稳定。将计算参数a=1.75 m,h=1.75 m，φ＝20.6°代入式（3.10），得到土洞地基临界安全厚度H_o=6.83 m,H=4.0 m<H₀=6.83 m，土洞地基不稳定。

因此，若想采用筏形基础，须采取地基处理措施。

3.3.4　土洞塌陷地基的处理

对于场地内94^＃钻孔中的土洞用砼充填满，再采用压力灌浆方法，将水泥浆液充填到土洞和土洞周围土层的孔隙中，以防止土洞的进一步发展，确保地基稳定和建筑物安全，使地基承载力特征值达到180kPa的设计要求。

3.3.4.1　工作量布置

本次地基加固的范围是根据场地勘察资料结果确定的范围，同时考虑了不良地质作用的分布范围、发展方向以及基础应力的影响深度，施工中进一步确定了软弱下卧层分布范围。

钻孔布置原则：沿土洞分布范围及基础方向在软弱下卧层范围内布置灌浆（或填砼）钻孔，灌浆（或填砼）钻孔间距为0.75～1.20 m。根据场地土洞规模，本次地基处理布置9个压力灌浆钻孔及8个填砼钻孔，填砼钻孔与压力灌浆钻孔交错布置。处理深度达到土洞地层的底面，采用32.5 MPa级普通硅酸盐水泥。

3.3.4.2　施工步骤

确定施工孔位→钻机就位→钻机成孔→安放灌浆管（花管）→拌浆→灌浆→封孔→移位。

3.3.4.3　施工方法

（1）先以GY-50-1型钻机以Φ110 mm 钻具钻至土洞底面（硬塑含卵石粉质粘土），对土洞用砂或碎石砼充填，然后放入灌浆花管，（根据现场情况也可直接用钻机将灌浆花管打入到灌浆底部），然后用H BW 50/1.5型水泥砂浆灌注泵进行水泥压力灌浆。

（2）采用自下而上分段灌浆，灌浆段为1.0～1.5 m。灌浆水泥用32.5强度等级普通硅酸盐水泥。

（3）灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，浆液配置以先稀后浓为原则。灌浆压力一般为0.15～0.30 MPa，并根据吸浆量情况现场适当调整。

3.3.4.4　终灌条件

（1）灌浆过程中，当灌浆压力达到0.25～0.30 MPa并持续20～30 min不吸浆或吸浆量很少时即终灌。

（2）当灌浆过程中产生地面冒浆，且将冒浆部位堵塞后再灌，如此重复2～3次，再冒浆时即终灌。

（3）对于吸浆量很大的孔，则采用间歇6～12 h后再灌，以控制灌浆压力及控制水泥浆液的流失。

3.3.4.5　质量检验

本次土洞地基处理于2005年4月29日施工结束，施工结束3天后对地基处理质量采用重型圆锥动力触探试验进行检测。检测结果表明，土洞已被混凝土及水泥浆填满，在土洞发育段5.00～8.50 m 范围内的地基承载力特征f_ak值在180kPa以上，满足设计要求。

3.3.5　结论

土洞是岩溶地基常见的不良地质现象之一，地下水（地表水）产生的渗透潜蚀作用、崩解作用等是土洞形成和发展扩大的重要原因。采用极限平衡法和压力拱分析法，对场地中发育的土洞进行稳定性判别，判别结果为不稳定，若想采用筏形基础，需对地基进行处理。在土洞中充填砼，再采用压力灌浆，灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，灌浆压力一般为0.15～0.30 MPa。经检验地基处理效果好，达到设计要求。