岩溶区地基岩体溶洞顶板稳定性评价.docx

文章编号 :1004 5716 (2002) 增刊 (001) 119 03中图分类号 : p642125文献标识码 :a岩溶区地基岩体溶洞顶板稳定性评价牟春梅(桂林工学院资源与环境工程系 ,广西 桂林 541004)摘 要 :以桂林市新解放桥桥基为例 ,分析了桂林市新解放桥桥基岩体溶洞顶板稳定性的影响因素 ,采用结构力学分析方法 ,研究了各影响因素对溶洞顶板稳定性的影响及变化规律 ,得出了各墩台溶洞顶板在岩土自重及外荷载作用下的 稳定情况 。关键词 :溶洞顶板 ;稳定性 ;桥基岩体 ;新解放桥 ;桂林市岩溶洞穴 ,包括基岩中岩溶洞穴及第四系松散覆盖层中洞穴 (本文只讨论基岩中的岩溶洞穴) , 其顶板常因失去稳定而坍 塌 。顶板坍塌突然 ,时间短暂 。因为是隐蔽的 ,事先几乎无任何直观信息 ,一旦发生 ,造成的后果是相当严重的 。此类顶板坍塌对桥梁基础的安全可构成严重危害 , 而其发 生的时间和空间很难预测 。因此如何评价顶板稳定性问题是工 程建设中急待解决的问题 。若干年来 ,我们国家在处理基岩洞穴 的实践中 ,在顶板的安全厚度的评价方面曾作过一些探索 ,如 1成都理工学院的博士生导师黄润秋教授曾对重庆市浅埋地下洞室的安全顶板厚度作过研究 , 得出了一个能综合考虑各影响因 素的安全顶板厚度的预测模型 ,但主要的岩性是砂岩 。我们现在 研究的是在岩溶强烈发育的灰岩层 , 二者的地质条件又有很大的不同 。前苏联 . m 沙湖年慈提出的坍塌理论计算顶板厚度 ,必须收集洞穴的较多数据 ,其中一些数据较难获得 ,且方法过于 理论化 ,计算繁琐 ,不宜推广使用 。另前苏联 m . m 普洛特尼可 夫提出的压力拱计算法 ,可引用松散介质的人工洞穴顶板厚度 评价 ,用于基岩洞穴则不适合 。根据我国在岩溶地区工程建设中处理基岩洞穴顶板的实践经验认为 ,评价洞穴稳定性必须分析两个因素 :一是内在因素 ,包括洞穴顶板的厚度 、跨度及形态 、岩层产状 、节理裂隙状况 ,以及 岩石的物理力学指标等 。二是外在因素 ,包括受载状况 ( 时间长短 、荷载大小 、动载或静载) ,岩石含水量及温度变化影响 ,以及洞内水流搬运的机械破坏作用 。此外 ,洞穴的坍塌有一个发展变化 的过程 。以水平顶板为例 ,开始顶板在静载作用下 ,产生初始应 力 ,处于变形阶段 ;变形过大 ,顶板拉裂 ,处于松动阶段 ;继而逐步 坍塌 ,处于塌落阶段 ;塌落成拱形后 ,顶板可以自承其上的压力 ,而趋于稳定 ,是成拱阶段 。因此 ,评价洞穴稳定问题是一个复杂的问题 。为此 ,只能把以上诸因素加以概化 ,提出近似的方法 。1 研究区工程地质条件及溶洞顶板稳定性影响因素概述研究区位 于 桂 东 的 南 北 向 构 造 带 的 桂 林 弧 形 构 造 弧 顶 北 侧 ,基底岩系为元古界板溪群至下古生界地层 ,盖层为碳酸岩为主的上古生界沉积 。桂林弧形构造定型于海西运动 ,在地史上 , 虽经燕山运动和喜山运动 ,但未对弧形构造造成大的破坏 。根据 本次钻探结果表明 ,场地内地层分布连续 ,无断裂及新构造活动 迹象 。根据区域资料和本次钻探揭露 ,场区石灰岩地层产状与周边基本吻合 ,为走向 nn e ,倾向 se ,倾角 1220(西部略大) 。施工是否能达到这个目标 ,设计要求在施工中必须进行沉降观测 ,以获得软基加固的完整资料 。观测点的设置及周期均按上海 市有关执行 。由施工单位提供的观测资料显示 ,在结构三层顶施工完毕时的最大沉降为 20mm 。2 小结(1) 实践证明 ,深层混凝土搅拌法加固技术不仅适用于多层 建筑物条基加固 ,也适用于框架结构柱基的加固 。它在技术上和经济上都具有一定优越性 ,特别是当软粘土层厚度很大时尤为明显 。保证水泥搅拌桩质量的关键 ,除设计计算的正确外 ,主要在 于施工中的均匀注浆和充分搅拌 。(2) 由于各种原因 ,工程桩在施工前没有进行室内配合比试 验及单桩静载试验 。为确保地基加固一次成功 ,采取一些防范措施 (如 :原定水泥掺入量 12 %提高到 14 % ,并确定每台机 24 h 取一试块进行抗压强度试验 。) 是必要的 。(3) 根据有关资料及地基加固规范中规定 ,一般把三个月龄 期时的强度定为水泥土的标准强度 ,这与工程施工进度矛盾较大 。本工程没有进行载荷试验也正是基于这个因素 。(4) 桩身的变形模量采用了经验数值 。桩身的变形模量值 较难取得 ,有些工程中采用单桩载荷试验 ,并利用弹性力学公式求桩体的变形模量 ,这与公式推导时的边界条件相差较大 。如按 经济数值计算所得到的 e0 值比按置换率加权平均计算得到复合地基的压缩模量大 ,而导致加固部分的沉降估算值可能偏小 。(5) 对于水泥桩质量的检测 ,目前还缺乏一套公认完整的方 法 。比较可行的是严格控制施工质量 ,并辅以桩身取样 、少量荷 载试验的方法 。本工程前两项得到贯彻 ,荷载试验未能进行 ,实属遗憾 ,没有获得水泥搅拌桩加固软基的第一手资料 。(6) 目前在桩基检测中 ,桩的动力测试工作按测试目的可分 为检测桩身质量及预估单桩承载力 。动测法由于操作省时省力 ,在许多工程中得以推广 。本工程采用动测法 ,桩的容许载力和桩 在工作状态时都处于弹性变形阶段 ,避开与塑性变形有关的极限 承载力 ,直接在实测的弹性特征值与容许承载力之间建立经验的或半经验的对应关系 。may 2002增刊 (001)西 部 探矿 工 程120此外 ,整个桥址区均有构造裂隙发育 ,其中 ,裂隙按倾角划分有三类 :其一是陡倾裂隙 ,倾角多 70,此组发育程度较高 ,整个场地 均有 ;其二是中等倾角裂隙 ,倾角 4055,此组裂隙大致有 1 . 52 . 0m 的间距 ;其三是缓倾结构面 (包括岩层面和缝合线) ,倾角 一般 820,此组所见不多 。地震基本烈度 度 。重建的解放桥为 5 跨连拱桥 ,跨径组合为 41 . 54m + 61m +72m + 61m + 41 . 54m ,桥全宽为 45m ,分成三幅桥 ,非机动车道桥 宽 9m ,机动车道桥宽 23m ,桥梁全长 277 . 08m 。该桥设两个桥台本文采用 定 量 的 近 似 的 结 构 力 学 分 析 方 法 包 括 抗 弯 验算 、抗剪验算法 、极限平衡法 、厚跨比法以及利用顶板坍塌物填塞 溶洞来估算完整顶板和不完整顶板的安全厚度 , 以此来评价桥基的稳定性 ,若这几种方法中 ,其中任意一种方法计算出的溶洞 顶板的安全厚度 (安全系数为 1 . 5) 小于实际的溶洞顶板厚度 ,即认为该溶洞顶板稳定 ,否则不稳定 。2 . 2 . 1 条件概况溶洞顶板取平均厚度 ,顶板上覆土层亦取平均厚度计算 ,溶 洞 顶 板 的 重 度 取 26 . 5 knm3 , 顶 板 上 覆 土 层 的 重 度 取2和四个桥墩 (a0 、a5 为桥台 ; p1 、p2 、p3 、p4 为桥墩) 。场地处于桂林市区的中心部位 ,横跨漓江河道 ,属峰林平原浅覆盖型岩溶 区 ,第四系覆盖土层一般厚 1528m ,从上到下大致由人工填土320 . 0 knm 。岩体的抗弯强度和抗剪强度按前述的岩石的力学指 标 提 供 的 值 计 算 。单 桩 荷 载 按 设 计 院 提 供 的 值 取416000 knm 。2 . 2 . 2 计算公式2 . 2 . 2 . 1 利用顶板坍塌物填塞溶洞估算顶板安全厚度 该法认为溶洞顶板坍塌后 ,塌落体体积会增大 ,当塌落到一定高度 h 时 ,洞体就自行填满 ,无需再考虑其对地基的影响 ,塌落高度再加适当的安全系数便为顶板的安全厚度 。此种方法适 用于顶板岩层风化严重 、裂隙发育 、有坍塌的可能性 。设溶洞体积为 v ,发生的塌落体体积为 v0 ,岩石的胀余系数(即塌落体的膨胀系数) 为 k(石灰岩一般为 1 . 2) , 5 按上述假定 可得 :层 ( qml ) , 全 新 统 冲 积 ( qal ) 砂 、卵 石 层 , 中 上 更 新 统 冲 洪 积44( qal - pl ) 含粉质粘土卵石和含砾卵石粉质粘土构成 ; 基岩为上泥2 - 3盆统融县组 ( q3r ) 石灰岩 ,灰浅灰色 ,主要矿物成份为方解石 ,微晶细晶结构 ,中厚层厚层状构造 ,硬质岩 ,质硬性脆 ,该层 岩面起伏变化大 ,溶沟 、溶槽 、溶蚀裂隙及鹰嘴岩等岩溶现象极为 发育 ,岩体中发育有落水洞 、溶洞 ,其间充填有软塑流塑状态的 含卵石粉质粘土 ,局部呈半充填或空洞 。物理力学指标分别为 : 较破碎 灰 岩 : 内 摩 擦 角 为 54 . 1 59 . 1; 内 聚 力 c 为 2036 5787k pa ;抗折强度 ( 湿) rb 为 2203 5523 k pa ; 单 轴 饱 和 抗 压 强度标准值 rc 为 25 . 1778 . 899m pa 。较完整灰岩 :内摩擦角为4564 . 6; 内 聚 力 c 为 1339 7000 k pa ; 抗 折 强 度 ( 湿 ) rb 为2027 8017 k pa ; 单 轴 饱 和 抗 压 强 度 标 准 值 rc 为 38 . 397 99 . 20m pa 。 v0 v =vk = v + v0k - 1 h0 则可得顶板塌落高度为 : h = k - 12 . 2 . 2 . 2 按梁板受力情况估算顶板安全厚度 5当溶洞顶板和支座岩层比较完整 ,层理又较厚 ,强度较高 ,洞 跨较大 ,弯矩是主要控制条件时 ,可按梁板受力情况计算 h ,所得h 再加适当的安全系数即为顶板的安全厚度 。(1) 抗弯验算根据前人的研究成果 1,影响岩溶洞穴顶板稳定的主要 因素有四个 :顶板的完整程度 、洞顶板的形状 (水平或拱形) 、顶板厚度及建筑物跨过溶洞的长度 。其中又以水平洞顶板受力条件最 为不利 ,因此 ,本次计算考虑最危险的情况即水平洞顶板受力 。2 桥基溶洞顶板稳定性分析2 . 1 定性分析6m k6 km即 h b h2b根据钻探揭露洞隙的各项边界条件 3体稳定性作出定性分析如表 1 。,对各桥墩 (台) 溶洞洞(2) 抗剪验算4q4qh2 即 h 式中 : 岩体的允许抗弯强度 (石灰岩一般为其允许抗压强度的 18) ,k pa ;m 弯矩 ,knm ;当顶板跨中有裂隙 ,两支座处岩石坚固时 ,按悬臂梁计算端 部所受弯矩m = 12 pl2当顶板较完整 ,但两端支座处岩层有裂隙与洞壁不成整体 ,可按简支梁计算弯矩m = 18 pl2当顶板和洞壁岩层均较完整是一体 , 可按两端固定梁计算 弯矩表 1 溶洞稳定性分析对稳定 是否有利因素场地石灰岩层溶洞 ( 隙) 发育情况近水平发育 有 1 8 层 溶 洞 , 洞 体 较 大 , 连 通 性 好 ,洞径大于桥墩基础尺寸 ,扁平状延伸 ,埋藏较 浅 。石灰岩 ,较坚硬 ,强度较高 。裂隙发育 ,岩体被两组以上裂隙切割 。两桥台和 p1 墩的岩层走向与洞轴近平行 , 倾向 se ,倾角 1020; 其余三个桥墩走向 nn e , 倾 向 sw ,倾角 1820。顶板裂隙发育 ,两桥台和 p1 墩顶板厚度较小 ,一 般均小于洞高 ;其余三个桥墩 55 %溶洞顶板厚度 大于洞高 。只有个别溶洞被水充填 ,其余全被含卵石的粉质 粘土充填 。有水流 ,有承压性 。洞体形态与 埋藏条件岩性及厚度 裂隙状况不利有利不利岩层产状不利顶板情况不利m = 1 pl2充填情况不利12式中 : p 顶板所受总荷重 , p = p1 + p2 + p3 ;p1 、p2 、p3 分别为顶板厚为 h 的岩体自重 、顶板上覆土 层的重量 、顶板上附加荷载 ,knm ;地下水不利2 . 2 定量分析2002 年增刊 (001)牟春梅 :岩溶区地基岩体溶洞顶板稳定性评价121l 按悬臂梁计算时为支座至跨中裂隙间的距离 ,按简支梁及两端固定梁计算时为两端支座间的距离 (跨度) ,m ; q 支座处的剪力 ,q = 12 pl ;岩体的计算抗剪强度 ( 石灰岩一般为其允许抗压强度 的 112) ,k pa ;b 梁板宽度 ,取 1 . 0m 。2 . 2 . 2 . 3 利用剪切概念估算顶板安全厚度 当溶洞顶板岩层完整 ,层理较厚 ,强度较高 ,但溶洞跨度较小 ,剪力是主要控制条件时 ,可按受剪力计算 h ,所得 h 再加适 当的安全系数即为顶板的安全厚度 。根据极限平衡条件计算公 式 :t p顶板在岩土自重及桩的外加荷载作用下溶洞顶板失稳 。p1 墩及处在水中的 p2 墩所需的安全顶板的厚度最大 ,溶洞的高度和跨 度都很大 ,说明该处的岩溶发育非常强烈 。4 小结以上选取的溶洞是经过概化的溶洞 , 在场区内有一定的代 表性 ,且初步判断危险性相对较大 。通过计算分析可知 ,各墩台 所在处的溶洞顶板在岩土自重和一根桩的外荷载作用下 , 溶洞 顶板失稳 。因每一桥墩是由 18 根桩构成 、每一桥台是由 15 根桩 构成的 ,若再加上这些外荷载 ,溶洞顶板都是失稳的 。因此 ,每一 根桩的桩端标高必须选在强岩溶发育带以下的稳定岩层上 。计算所基于的假定条件为 : 溶洞顶板的岩体为均匀连续介 质 ,且不考虑节理裂隙的影响 ,而对于岩体来讲 ,岩体的结构对岩 体的力学行为特性具有控制作用 。因此 ,若岩体中有较大的结构 面 ,其计算结果将有明显变化 。实际存在的问题是 ,因为溶洞岩 体的特殊赋存环境 ,取得有关岩体结构的信息十分困难 ,有些信 息 (参数) 甚至是不可能取得的 ,因为实际工作之中不可能剥离上 部岩土体进行研究 。选用其它勘察方法如声波探测 、地下透视雷 达将有所帮助 ,但溶洞岩体的埋藏较深 ,有时范围较小 ,方法的分 辨率又成了一个限制因素 。准确的定性和定量描述均较困难 ,给稳定性分析计算带来一定困难 。总之 ,覆盖型岩溶溶洞岩体的稳定性分析具有特殊性 ,岩溶 场地勘察水平已成为实际的制约因素 。现有的勘察水平所能得 到的有关覆盖型岩溶溶洞的信息还是比较少 , 获取计算参数更 为困难 。在此情况下 ,若抛开前述假定条件 ,得出一个合理 、可行 的评价结果 ,仍需要进行更深入的研究和大量的实际工作 。h pt =hll式中 : t 桥基范围内的顶板抗剪力 ,kn ;l 溶洞的平面周长 ,l = 2 ( h0 + l) ,m 。2 . 2 . 2 . 4 厚跨比法当顶板较完整时 ,则可将水平洞顶板的厚度 h 与跨长 l 之比( hl) 为最小者 ,作为评价完整顶板安全厚度的判别值 。2 . 2 . 3 溶洞顶板稳定性验算 通过对该场地的地质条件分析可知 , 5m 的大洞 共 计 33个 ,且这些大洞在本次勘探控制深度范围内仍未见减弱趋势 。由 于这些大洞的存在 ,对桥基的稳定性有威胁 ,利用以上公式通过 visual - basic 编程 ,对每一个墩 (台) 的溶洞顶板稳定性进行计算 (不考虑洞内土对顶板的支撑) ,岩石重度为 26 . 5 knm3 ,顶板上 覆盖土层的重度取 20 . 0 knm3 ,按简支梁计算 ,各墩台溶洞顶板 的参数值详见表 2 ,计算结果见表 3 。参考文献1黄润秋 ,陈尚桥等. 重庆市浅埋地下洞室安全顶板厚度研究 j . 工表 2 各墩( 台) 溶洞顶板参数值统计表程地质学报 ,1998 ,2 .墩台 洞顶板土层 洞顶板岩层 岩体抗压强度 rc ( k pa) 溶洞深度溶洞跨度2牟春梅. 浅谈桂林市新解放桥工程地质勘察及桥基处理 j . 广西地平均厚度平均厚度h0 ( m)6 . 9412 . 212 . 810 . 1511 . 9l ( m)15 . 7538 . 2531 . 56 . 7522 . 5编号 ( m) ( m) 较破碎灰岩较完整灰岩质 ,2001 ,4 .a0p1p2p3p431 . 9027 . 0616 . 3724 . 1223 . 911 . 0972 . 0903 . 8765 . 5422 . 033454144470940150499694102169080711976548664450720423桂林市解放桥重建工程岩土工程初步勘察报告 r . 由中国地质科学院桂林工程勘察院 ,广西地矿桂林水文工程地质勘察院和建材桂林地质工程勘察院共同承担.4桂林市解放桥重建工程岩土工程详细勘察报告 r . 由冶金工业部武汉勘察研究院承担. a5 19 . 20 1 . 144 41811 68536 15 . 3 13 . 5 5工程地质手册编写委员会. 工程地质手册 ( 第三版) m . 中国建工出版社 ,1992表 3 各墩( 台) 溶洞顶板稳定性计算结果统计表a eval uateing on the sta bil ity of cavess roof in karst area smu chun2mei( gui li n i nst i t ute of tech nology , en gi neeri n g depa rt ment of resou rce a n d en v i ron ment , gui li n gua n g x i 541004 , chi na)塌落高度 验算极限平衡 验算厚跨比 验算顶板 岩层 最大 厚度( m)抗弯验算抗剪验算墩 台 编 号综合 判定安全 厚度( m)安全安全安全 厚度( m)安全 厚度( m)判 定判判 定判 定判 定厚度厚度定( m)( m)a0p1p2p3p4a55. 6 52 . 05 失稳 62. 92 失稳 31. 71 失稳6. 9 91 . 05 失稳 175. 65 失稳 56. 8 失稳19 . 7 96. 1 失稳 146. 58 失稳 52. 23 失稳15 . 8