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岩溶地区桩基础稳定性研究 摘要 岩溶地区的基岩表面起伏较大，溶洞的形状大小各异，使基岩的承载力学行为不同 于半无限介质的情况，承载力大幅度降低，因而需要研究其稳定性。本文通过对资料进 行整理、分析和研究，总结出适用于岩溶地区岩土工程勘察的方法。并利用三维有限单 元法对桩基础作用下的溶洞顶板的稳定性进行计算机模拟，求得桩底到溶洞顶部距离的 临界值与溶洞大小、上覆土层厚度和单桩设计荷载之间的关系式。然后用所求得的关系 式及以往的分析方法分别对1 5 个工程实例中的1 4 9 根桩基础进行了验算和比较，以便 验证所求得的回归方程的可靠性。得出计算结果与实际情况相吻合的结论。 关键词：岩溶桩基础溶洞勘察方法稳定性分析 三维有限单元法计算机模拟 r e s b 6 o ns t a 既yo f7 皿p 蛐f 烈) n i ) 蜘1 0 n a b s t r a c t t h eb e d r o c ks l l r f 如es l o p e ss t e e p l yi nk a r s ta r e a s ，a n dt h ef o ma n ds i z eo fk a r s tc a v e s a r ed i 舵r e n t t h e s em a l 【et 1 1 eb e 捌n gm e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h eb e d r o c kb ed i 丘i e r e n t 矗d m 也a to ft h eh a l fi i i l i t er r l e d i 啪，a r l di t sb e a r i n gc a p a t i c yd e c r e a s e sg r e a t l y ，s oi ti sn e c e s s a r y t 0s t u d yi t ss t a b i l i 姐i nt 1 1 i sp a p e r ，t l l em e 如o d sa p p l i e dt oe n 西n e e r i n gg e o l o g i c a le x p l o r a t i o n a r es l l r m n 晡z e db ym e a n so fa r r a l l g m g ，a n a l y z i r 培a n d 咖d y i n gm ed a t a t h ec o n l 州e r s i m u l 撕o ni nt h er o o fo fk a r s tc a v ei sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e db yt h r c e d i m e n s i o n a jf i n i t e e l e m e mm e l h o ds oa st os t i l d yi t ss 协b i u 劬b a s e do n 谢c hi sm e m i o n e da b o v e ，t h er e l a t i o n c a nb eg o tb ym e a n so fm u i t i v a r i a t ei i n e rr e | 班s s i o nm e m o d ，w t l i c hi sb e 铆e e nt l l ec r i t i c a i v a l u eo ft 1 1 ed i m m c e 疗o mp i l ef b o tt ok a r s tc a v et o pa 1 1 dt 1 1 ek a r s tc a v es i z e sa z l dd e s i 印e d l o a do fs i n m ep i l e a c c o r d i n gt om er e l a t i o n ，s o c k e t e dc 打t i c a ld e p t ho ft 1 1 ep i l ef o u n d a t i o n m a yb e0 b t a i n e d t h e n ，州f i c a t i o na 工l dc o m p 撕s o ni sd o n et o l5e n 西n e e 血ge x a m p l e s s 印娥l t e l ya n d1 4 9p i l ef o u n d a t i o nb yt h er e g r e s s i o ne q u a t i o na _ b o v e - m e n t i o n e da n do t h e r a i l a l y s i sm e m o d si m r o d u c e db e f o r e ，i no r d e rt 0v e r i 旬t b er e l i a b i l i 哪o f t i l er e g r e s s i o ne q u a t i o n nm a yd r a wac o n c l 璐i o nt l l a tt 1 1 er c s l 】1 t sc o i n c i d e 谢恤t 1 1 et 九l 廿1 1 【e yw o r d s ：k a r s t ；p i l ef b u n d a t i o n ；k a r s tc a v e e n g i n e e r i n ge ) ( p l o r a t i o n ；s t a b i l i 移a n a l y s i s ； s t a b i i i 够a n a l y s i s ； t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e mm e m o d ； c d m p u t e rs i m u l a t i o n 广西大学硕士学位论文 岩溶地区桩基础稳定性研究 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 岩溶又名喀斯特，是可溶性岩层( 石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等) 以被水溶解为 主要的化学溶蚀作用，并伴随以机械作用而形成沟槽、裂隙、洞穴等一系列现象和作用 的总和。我国的岩溶地区分布十分广泛，以广西、四川、云南、贵州最为发育，其余如 湖南、广东、浙江、江苏、山东等地均存在规模大小不同的岩溶地区。据有关资料统计， 在我国辽阔的疆土内，分布着大片硅酸盐地层，占国土面积的l 3 。由于地表水和地 下水的溶蚀作用，发育着各种类型的岩溶地貌和岩溶形态，破坏了岩石的完整性，大幅 度降低了岩石的强度和稳定性，从而影响着建筑物的安全。另外，岩溶的发育给工程建 设带来了一定的复杂性。岩溶问题与许多工程有关，诸如水利水电工程、地质灾害的防 治与环境保护工程、旅游资源的开发工程等等。因此，在岩溶地区首先掌握岩溶的形态 特征、发育规律及分布状况，从而认识不同岩溶作用的特点，以便充分利用有利条件， 对不利因素采取相应的措施，确保建筑物的基础可靠地建立在岩溶体上，这是一项非常 有意义的工作。 桩基础是一种具有悠久历史的古老基础型式，也是最常用的一种深基础。当地基浅 层土质不良，采用浅基础无法满足结构物对地基强度、变形及稳定性方面的要求，且又 不适宜采取地基处理措施时，往往需考虑桩基础。它能适应各种地质条件、各种类型的 工程条件和荷载情况，被水利、桥梁、建筑工程广泛采用。“。由于岩溶地区的地质情 况非常复杂，桩基础因其独特的特点在岩溶区被广泛使用，但是随着桩基在岩溶地区的 大量使用，许多桩基础稳定性的问题也越来越突出。由于岩溶发育的不均一性，基岩表 面溶槽溶沟起伏不平，形成许多临空面，岩体内溶洞发育，岩溶地下水下向基坑及桩孔 内大量涌水突泥，造成场地及周围地面塌陷，使在岩溶地区采用桩基础时，从工程地质 勘察、设计到施工过程中，都存在一些特殊的尚未解决好的技术问题，导致基础不牢固， 给建筑物产生不安全因素，或者设计过于保守，造成各方面的巨大浪费。实践证明，仅 以少量钻孔岩芯的抗压强度作为地基承载力的评价依据可能导致严重的工程失误。真正 影响地基强度和稳定性的因素是埋藏的古岩溶面形成的各种临空面，岩体中的溶洞、溶 隙、溶蚀带以及基坑开挖过程中抽排水可能引起的突水涌泥、地面塌陷的环境效应。因 此，在考虑桩基在岩溶地区的稳定性问题时，一定要将各个因素综合考虑，在勘察、设 广西大学硕士学位论文岩溶地区桩基础稳定性研究 计和施工方面综合运用。 广西是全国主要岩溶分布区之一，随着我国基础设施建设规模的不断加大，特别是 西部大开发以来，在广西岩溶地区使用桩基础越来越广泛，桩基的稳定性问题也越来越 突出，广西合山电厂扩建工程、田东电厂扩建工程和贵港电厂工程建设中都遇到了岩溶 桩基的稳定性问题，且桩基造价都在两千万元以上。由于现有的地基基础设计规范及桩 基规范都未给出岩溶地区桩基的定量设计计算方法，所以给岩溶地区桩基的勘察和设计 带来了很大的盲目性：当设计不能确保桩端持力层的承载力时，将给工程安全带来很大 的隐患；当设计过于保守时，将给工程造成巨大浪费“3 。因此，加强对这一技术问题的 勘察。设计和施工方面的研究，使岩溶地区的桩基设计更合理，施工更快，同时也确保 工程安全，节省工程造价，对整个广西乃至全国的岩溶地区桩基设计与施工都有重要的 指导意义。 1 2 国内外研究现状及分析 根据岩溶发育的形态及与桩的相互关系，岩溶地区桩基础的稳定性问题可分为两大 类：一类是桩端下部存在有各种形态的溶洞，这时桩基的稳定性问题实质为桩端下溶洞 顶板的稳定问题( 见图1 1 ) ：另一类是桩端底落在溶沟、溶槽、石芽等形成的陡峭的岩 壁上，这时桩基的稳定问题实质为覆盖岩溶临空面的稳定问题( 见图1 2 ) 。 霪蓁霪 可n o k n _ j l 吖且r l 芸牡= k 毫篇 “ v i i 图1 1 溶洞顶板稳定性分析示意图 f i g1 1 s k e t c ho f a 酗j y s i s 仙r o o f s t a b 蹦睁o f j a 体t v e s 广西大学硕士学位论文 岩溶地区桩基础稳定性研究 图1 2 覆盖岩溶临空面的稳定性分析示意图 f j g1 2 s k e t c ho f a 肋l y s i s 仰r f s t a b m t yo f o v e r b u r d 佃l 【a r s t i cf i e e 1 2 1 溶洞顶板的稳定性问题 溶洞是地下水在流动过程中，对岩石以溶蚀作用为主，问有冲蚀、潜蚀和塌陷作用 而形成的地下洞穴。由于影响岩溶发育的因素比较复杂，溶洞的大小相差太大，形状各 异，且它多分布在裂隙密集交叉地带和可溶性的石灰岩地区的断层带，因此，溶洞的存 在使基岩的承载力学行为不同于半无限介质的情况，基岩的完整性受到破坏，使基岩的 承载力大大降低。在桩荷载作用下，可能会导致溶洞顶板坍塌，从而使建筑物遭到破坏。 所以溶洞顶板上桩基础的稳定性问题实质上归结为溶洞顶板的稳定性问题，为了能做到 既经济合理，又稳妥可靠，需要对桩基附加应力影响范围内的溶洞进行顶板的稳定性分 析。溶洞顶板的稳定性分析可以分为定性分析与定量分析两种方法。 定性分析方法主要以国内的相关规范为依据。在建筑地基基础设计规范 ( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 第6 5 2 条指出：在岩溶地区，当基础底面以下的土层厚度大于三倍 独立基础底宽，或大于六倍条形基础底宽，且在使用期间不具备形成土洞的条件时，可 不考虑岩溶对地基稳定性的影响；第6 5 4 条指出：当溶洞顶板与基础底面之间的土层 厚度小于本规范第6 5 2 条规定的要求时，应根据洞体大小、顶板形状、岩体结构及强 度、洞内充填情况以及岩溶水活动等因素进行洞体稳定性分析。当地质条件符合下列情 况之一时，可不考虑溶洞对地基稳定性的影响： 溶洞被密实的沉积物填满，其承载力超过1 5 0 k p a ，且无被水冲蚀的可能性； 洞体较小，基础尺寸大于洞的平面尺寸，并有足够的支承长度； 广西大学硕士学位论文岩溶地区桩基础稳定性研究 微风化的硬质岩石中，洞体顶板厚度接近或大于洞跨。， 以上条文规定是针对浅基础而言的，对于桩基础建筑地基基础设计规范 ( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中第8 5 5 条指出：嵌岩灌注桩桩端以下三倍桩径范围内无软弱夹层、 断裂带、洞隙分布。建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 中第3 2 3 5 条指出：当存在软 弱下卧层，桩基以下硬持力层厚度不宜小于四倍桩径。 岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 卜2 0 0 1 ) 第5 1 1 0 条也作出了与建筑地基基础设 计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 第6 5 2 条和6 5 4 条内容相似的规定，对于桩基础，在第5 1 6 条中规定：对岩溶区布置大直径嵌岩桩，勘察深度应不小于底面以下桩径的三倍并不小 于5 m 。 由于岩土介质千变万化，基础型式多种多样，基础和上部结构的强度和刚度各异， 如只依据以上经验进行定性分析，显然不能满足科学合理的设计要求，特别对于桩基础， 由于工程投资巨大，如果只按顶板厚度大于三倍或四倍桩径或不小于5 m 来设计而产生桩 基础失稳将导致重大经济损失，如这样的设计过于保守，则将造成巨大的浪费。所以必 须加强定量设计方法的研究。建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 第6 5 4 条虽 要求进行洞体稳定性分析，但没有给出具体的分析就算方法。 近年来，溶洞顶板稳定性定量分析方法的研究已逐步引起重视。文献 5 将溶洞顶 板视为梁板、塌落拱及压力拱等对顶板稳定厚度进行计算；文献 6 根据平面弹性力学 理论，求在双向均匀应力场的作用下椭圆形孔洞周边的切向应力，以此来判别溶洞顶板 的稳定性；文献 7 建立了一个相对简单的三维弹性力学分析模型，通过三维有限元方 法计算模拟建立了一个溶洞顶板稳定厚度与多个影响因素之间的定量关系式；文献 8 将溶洞顶板岩层视为一刚性底板，在桩垂直荷载作用下，按岩层可能出现冲切、剪切和 弯拉破坏来确定顶板的安全厚度；文献 9 应用模糊极限平衡分析模型研究溶洞顶板稳 定性。在试验研究方面，文献 1 0 通过室内相似模型试验研究了溶洞顶板的稳定性问题； 文献 1 1 至文献 1 3 对岩溶地区桩基的承载特性，特别是溶洞对桩基稳定性的影响进行 了现场试验。总而言之，目前采用的力学模型较为简单，所获结论缺少室内及现场试验 的充分检验。 1 2 2 覆盖岩溶临空面的稳定性问题 在覆盖岩溶场地，由于溶槽、溶沟和石芽等岩溶现象的存在，使得基岩岩面起伏很 大，在槽谷或裂隙边缘常形成陡峭的岩壁。当建筑基础落在陡壁边缘时，陡壁相对于基 础就构成临空面，称这种临空面为“覆盖岩临空面”。它是指覆盖岩溶场地中建筑物基 亡堕盔堂堡主堂焦堡塞量整垫匡壁蕉些整宣丝堑基 底压力影响范围内具有陡峭角土岩交界面的一种岩土组合地质体。在桩荷载作用下，覆 盖岩溶临空面有可能失稳( 特别对于岩体中存在倾斜软弱结构面的情况) ，其失稳应同 时包括临空面岩体整体破坏，致使桩基础失稳的局部破坏和致使桩基础失稳的较大变形 位移三种形式。由于临空面被松软土层覆盖，因此在稳定性分析中对覆盖岩溶临空面应 考虑土层、地下水对坡体侧向和垂向的压力。 覆盖岩溶临空面的稳定性分析也可以分为定性分析和定量分析两种方法。定性分析 方法主要以国内的相关规范为依据，但相关规范对此说明极少。建筑地基基础设计规 范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 第6 5 3 条指出：当在岩体中存在倾斜软弱结构面时，可按滑动 面的稳定性进行分析，显然这种方法不适用于覆盖岩溶临空面的稳定性分析，因为覆盖 岩溶临空面的稳定性分析与临空面的形态参数、岩体中存在的斜软弱结构面参数、桩的 位置及几何参数等多个因素有关；第8 5 5 条指出：应在桩底应力扩散范围内无岩体临 空面，而这一规定在实际工程中由于地点等原因的限制有时是难以做到的；岩土工程 勘察规范( g b 5 0 0 2 卜2 0 0 1 ) 第5 1 儿条指出：在基础近旁有洞隙和临空面时，应验算 向临空面倾覆或沿裂面滑移的可能，但没有给出具体的计算方法。 覆盖岩溶临空面的稳定性定量分析方法的研究相对较少。文献 6 针对岩体中存在 倾斜软弱结构面的覆盖岩溶临空面建立了一个平面刚体力学模型，分析了覆盖岩溶临空 面的稳定性；文献 1 4 对一个具体的工程实例用有限元分析了盖岩溶临空面的稳定性： 文献 1 5 运用梁板理论分析了两个工程的岩体临空面稳定性；文献 1 6 建立了一个相对 简单的三维弹性力学分析模型，通过三维有限元计算机模拟建立了一个覆盖岩溶临空面 存在的条件下桩的承载力和多个影响因素之间的定量关系式。与溶洞顶板稳定性研究现 状相似，目前对覆盖岩溶临空面稳定性研究采用的力学模型较为简单，所获结论缺少室 内及现场试验的充分检验。 国外对于岩溶地区基础稳定性的研究工作主要集中在浅基础的稳定性分析及地基 处理方面，对岩溶地区桩基础的研究几乎没有涉及。 1 3 研究思路及主要工作内容 1 3 1 研究思路 通过分析岩溶地区各因素对桩基的稳定性影响，特别考虑上覆土层和岩溶裂隙和节 理的发育程度对溶洞顶板稳定性的影响，采用计算机模拟建立溶洞顶板厚度与岩溶地区 广西大学硕士学位论文岩溶地区桩基础稳定性研究 各影响因素之间的数学表达式，并且通过工程实例对所得公式进行验证。 1 3 2 主要工作内容 ( 1 ) 通过调研，在掌握现有研究成果的基础上，收集岩溶地区的设计、勘察和检 测资料，归纳不同岩溶地貌的工程分类与性质。 ( 2 ) 分析岩溶地区的桩基受力和破坏形式以及岩溶形态特征和分布情况，确定影 响岩溶桩基稳定性的主要因素。 ( 3 ) 利用大型有限元软件a n s y s ，考虑各个影响因素对岩溶桩基稳定性的影响，对 溶洞顶板受力情况进行模拟，以此研究溶洞顶板的稳定性。同时利用多元线性回归分析 方法确定溶洞顶板稳定厚度与各影响因素之间的数学关系式。 ( 4 ) 利用已收集到的岩溶地区的桩基勘察、设计和检测资料，对已有的及所得到 的数学关系式进行验算。 6 广西大学硕上学位论文岩溶地区桩基础稳定性研究 第二章岩溶地区岩土工程合理勘察方法 2 1 岩溶地区岩土工程勘察的目的和任务 由于岩溶发育的物质基础是可溶性岩石，具有溶蚀性的水只是媒介，而这样两个条 件在自然界一般都能得到满足，因此总的来说只要有可溶性岩体存在的地方，就有可能 发育岩溶，只是岩溶发育的特征、规模和空间分布格局有所不同而已。 我国岩溶无论是分布地域还是形成时代上都有相当大的跨度，使得不同地区岩溶发 育各具特色。但无论是何种类型岩溶，其共同点是：由于岩溶作用形成了地下架空结构， 破坏了岩体的完整性，降低了岩体强度，增加了岩体渗透性，也使得地表面强烈的参差 不齐，以及碳酸盐岩极不规则的基岩面上发育各具特征的地表风化产物红粘土，这 种由岩溶作用所形成的复杂地基常常会由于下伏溶洞顶板坍塌、土洞发育而形成大规模 地面塌陷、岩溶地下水的突袭、不均匀地基沉降等，对工程建设产生重要影响。 2 1 1 岩溶场地对岩土工程的影响【1 7 】【1 8 】 岩溶场地可能发生的岩土工程问题主要有如下几个方面 ( 1 ) 地基主要受压层范围内，若有溶洞、暗河等存在，在附加荷载或振动作用下， 溶洞顶板坍塌引起地基突然陷落。 ( 2 ) 地基主要受压层范围内，下部基岩面起伏较大，上部又有软弱土体分布时，引 起地基不均匀沉降。 ( 3 ) 覆盖型岩溶区由于地下水活动产生的土洞，逐渐发展导致地表塌陷，造成对场 地和地基稳定的影响。 ( 4 ) 在岩溶岩体中开挖地下洞室时，突然发生大量的涌水及洞穴泥石流灾害。从更 广泛的意义上讲，还包括有其他特殊性的水库诱发地震、水库渗漏、矿坑突水等过程中 遇到的溶洞稳定、早涝灾害、石漠化等一系列工程地质和环境地质问题。 2 1 2 岩溶地区岩土工程勘察的目的 岩溶场地的勘察目的在于查明对场地安全和地基稳定有影响的岩溶发育规律，各种 岩溶形态的规模、密度及其空间分布规律，可溶岩顶部浅层土体的厚度、空间分布及其 工程性质、岩溶水的循环交替规律等，根据已有的勘察经验，在岩溶场地勘察过程中， 应查明与场地选择和地基稳定评价有关的基本问题是： 7 广西大学硕士学位论文 岩溶地区桩基础稳定性研究 ( 1 ) 各类岩溶的位置、高程、尺寸、形状、延伸方向、顶板与底部状况、围岩( 土) 及洞内堆填物性状、塌落的形成时问与因素等。 ( 2 ) 岩溶发育与地层的岩性、结构、厚度及不同岩性组合的关系，结合各层位上岩 溶形态与分布数量的调查统计，划分出不同的岩溶岩组。 ( 3 ) 岩溶形态分布、发育强度与所处的地质构造部位、褶皱形式、地层产状、断裂 等结构面及其属性的关系。 ( 4 ) 岩溶发育与当地地貌发展史、所处的地貌部位、水文网及相对高程的关系。划 分出岩溶微地貌类型及水平与垂向分带。阐明不同地貌单位上岩溶发育特征及强度差异 性。 ( 5 ) 岩溶水出水点的类型、位置、标高、所在的岩溶岩组、季节动态、连通条件及 其与地面水体的关系。阐明岩溶水环境、动力条件、消水与涌水状况、水质与污染。 ( 6 ) 土洞及各类地面变形的成因、形态规律、分布密度与土层厚度、下伏基岩岩溶 特征、地表水和地下水动态及人为因素的关系。结合已有资料，划分出土洞与地面变形 的类型及发育程度区段。 ( 7 ) 在场地及其附近有已( 拟) 建人工降水工程，应着重了解降水的各项水文地质 参数及空间与时间的动态。据此预测地表塌陷的位置与水位降深、地下水流向以及塌陷 区在降落漏斗中的位置及其间的关系。 ( 8 ) 土洞史的调查访问、已有建筑使用情况、设计施工经验、地基处理的技术经济 指标与效果等。 2 1 3 岩溶地区岩土工程勘察的任务 岩溶地区的勘察可按照可行性研究勘察、初步勘察、详细勘察和施工勘察四个阶段 进行。 ( 】) 可行性研究勘察阶段：查明岩溶洞隙、土洞的发育条件，并对其危害程度和发 展趋势作出判断，对场地的稳定性和工程建设的适宜性作出初步评价。 ( 2 ) 初步勘察阶段：查明岩溶洞隙及其伴生土洞、塌陷的分布、发育程度和发育规 律，并按照场地的稳定性和适宜性进行分区。 ( 3 ) 详细勘察阶段：查明拟建工程范围及有影响地段的各种岩溶洞隙和土洞的位置、 规模、埋深，岩溶堆填物性状和地下水特征，对地基基础设计和岩溶的治理提出建议。 ( 4 ) 施工勘察阶段：应针对某一地段或尚待查明的专门问题进行补充勘察。当采用 大直径嵌岩桩时，尚应进行专门的桩基勘察。 广西大学硕士学位论文岩溶地区桩基础稳定性研究 2 2 岩溶地区岩土工程勘察的方法 2 2 1 岩土工程的勘察方法： 岩土工程勘察常用的方法有钻探工程、坑探工程及地球物理勘探三类。 钻探和坑探工程是直接勘探手段，能较可靠地了解地下地质情况。钻探工程是使用 最广泛的一类勘探手段，普遍应用于各类工程的勘察中；由于它对一些重要的地质体或 地质现象有可能会误判、遗漏，所以也称它为“半直接”勘探手段，而坑探工程勘探人 员可以在其中观察编录，以掌握地质结构的细节，但是重型坑探工程耗资高，勘探周期 长，使用时应考虑经济要求。地球物理勘探简称物探，是一种间接的勘探手段，它可以 简便而迅速的探测地下地质情况，且具有立体透视性的特点；但其勘探成果具多解性， 使用时往往受一定条件的限制。 上述三类勘探手段在不同勘察阶段的使用应有所侧重，现在分别对三种勘探方法的 特点作以下介绍： ( 1 ) 钻探：在岩土工程勘察中，钻探是最常用的一类勘探手段。与坑探、物探相 比较，钻探有其突出的优点，它可以在各种环境下进行，一般不受地形、地质条件的限 制；能直接观察岩芯和取样，勘探精度较高；能提供作原位测试和监测工作，最大限度 发挥综合效益；勘探深度大，效率较高。因此不同类型、结构和规模的建筑物，不同的 勘察阶段，不同的环境和工程地质条件下，凡是布置勘探工作的地段，一般均需采用此 类勘探方法。 ( 2 ) 坑探工程：坑探工程也叫掘进工程、井巷工程，它在岩土工程勘探中占有一 定的地位。与一般的钻探工程相比较，其特点是：勘察人员能直接观察到地质结构，准 确可靠，且便于素描；可不受限制地从中采取原状岩土样和用做大型原位测试。尤其对 研究断层破碎带、软弱泥化夹层和滑动面( 带) 等的空间分布特点及其工程性质等，更 具有重要意义。坑探工程的缺点是：使用时往往受到自然地质条件的限制，耗费资金大 而勘探周期长，尤其是重型勘探工程不可轻易采用。 岩土工程勘探中常用的坑探工程有：探槽、试坑、浅井( 斜井) 、平硐和石门( 平 巷) 。其中前三种为轻型坑探工程，后三种为重型坑探工程。 ( 3 ) 地球物理勘探：地球物理勘探简称物探，它是用专门的仪器来探测各种地质 体物理场的分布情况，对其数据及绘制的曲线进行分析解释，从而划分地层，判定地质 广丽大学硕士学位论文岩溶地区桩基础稳定性研究 构造、水文地质条件及各种不良地质现象的一种勘探方法。由于地质体具有不同的物理 性质( 导电性、弹性、磁性、密度、放射性等) 和不同的物理状态( 含水率、空隙率、 固结程度等) ，它们为利用物探方法研究各种不同的地质体和地质现象提供了物理前提。 所探测的地质体各部分之间以及该地质体与周围地质体之间的物理性质和物理状态差 异越大，就越能获得较满意的结果。应用于岩土工程中的物探，称之为“工程物探”。 物探的优点是：设备轻便、效率高；在地面、水上或钻孔中均能探测；易于加大勘 探密度、深度和从不同方向布设勘探线网，构成多方位数据阵，具有立体透视性的特点。 但是，这类勘探方法往往受到非探测对象的影响和干扰以及仪器测量精度的局限，其分 析解释的结果就显得较为粗略，且具多解性。为了获得较确切的地质成果，在物探工作 之后，还常需要勘探工程( 钻探和坑探) 来验证。为了使物探这一间接勘探手段在工程 勘察中有效地发挥作用，岩土工程师在利用物探资料时，必须较好地掌握各种被探查地 质体的典型曲线特征，将数据反复对比分析，排除多解，并与地质调查相结合，以求得 正确单一的地质结论。 物探工作的种类很多，大致可以分为：直流电法、交流电法、地震勘探、磁法勘探、 重力勘探、声波测量、放射性勘探、测井等“。以下将通过广泛收集工程资料和前人研 究成果并进行整理、分析和研究，总结出适用于岩溶地区的物探勘察方法，从而对工程 勘察迸行有益的指导。 2 2 2 岩溶地区物探勘察方法的使用及总结 岩溶地区勘察主要是探测建筑区岩溶溶蚀、漏斗、溶洞、暗河的平面分布和岩溶地 下水的分布等情况“。在岩溶地区的物探勘察方法中主要使用电阻率法、高密度电法、 地质雷达、浅层地震法、瞬变电磁法、激发极化法、测井、无线电波透视法、钻孔电磁 波透视法、微重力法、射气测量等。 本文通过收集大量文献和工程资料，对岩溶地区勘察中常用物探方法的使用条件、 使用方法等作出总结，以求对以后的工程勘察做出一些有益的参考。 一、电阻率法：电阻率法是以岩( 矿) 体的导电件差异为基础的电法勘探方法，它依 靠人工建立直流电场，在地表测量某点垂直方向或水平方向的电阻率变化，从而推断地 质体性状的方法。它是电法中勘察岩溶地质最常用的勘察方法。”，也是早期岩溶勘察中 运用最多的物探方法。电阻率法包括电剖面和电测深法。在岩溶地质的勘察中更多的是 使用电测深法进行勘探。 电测深法全称为“电阻率测深法”，也可称为“电阻率垂向测深法”，它是研究指定 广西大学硕士学位论文岩溶地区桩基础稳定性研究 地点近于水平产状的岩层沿铅垂方向分布情况的电阻率法。电测深法的应用条件是：地 面水平、岩层面水平或倾角不大( h h 。 p ， 各因素的极差中没有相差特别大的，因此这些因素( h 。、b 、h 、p ) 对目标变量( h ) 而 言都是重要因素。 计算结果极差分析简单、直观，但不能提供判断所考察因素的作用是否显著的标准， 4 3 广西大学硕士学位论文岩溶地区桩基础稳定性研究 因此需要进行方差分析。“”计算方差分析采用数学软件姒t l a b 进行，方差分析结果 见表4 8 、4 9 。 从表中可知：若显著水平取为o 1 ，则f ( 3 ，3 ) = 5 3 9 ，因此由于7 4 5 3 9 ， 6 1 5 5 3 9 可见溶洞宽对结果影响显著，上覆土层厚度对结果也有影响。 表4 6 计算结果极差分析表1 t a b4 6a n a l y s i so fr a l l g ef o rt h er e s u l t so fc a l c u l a t et e s t s1 泌 溶洞高溶洞宽上覆土厚单桩荷载 ( h 。) ( b ) ( h )( p ) k 1 3 4 o2 3 63 1 43 4 1 k 2 3 4 33 0 83 3 5 3 4 6 k 3 3 4 63 8 43 5 83 4 8 l x 1 = 4 82435 0 0 0 ：7 32666 0 0 0 ：9 82896 5 0 0 ： 1 2 121 0 1 27 0 0 0 ：5 64466 5 0 0 ：6 946 37 0 0 0 ： l o 2481 25 0 0 0 ：1 1 641 096 0 0 0 ：6 36497 0 0 0 ： 8 5661 26 5 0 0 ：8 86836 0 0 0 ：u 061 065 0 0 0 ： 6 9841 26 0 0 0 ：8 18695 0 0 0 ：9 68867 0 0 0 ：1 0 981 036 5 0 0 s a v e1 i ux 1 l o a d1 i ux 1 x 1 x = o n e s ( s i z e ( x 1 ( ：，1 ) ) ) ，x 1 ( ：，2 ：5 ) ： y = x l ( ：，1 ) ： b ，b i n t ，r ，r i n t ，s t a t s = r e g r e s s ( y ，x ，0 0 5 ) 运行结果 因此回归方程为： h = 一o 0 4 5 + 0 0 6 h 。+ o 9 2 b + o 1 7 6 6 7 h + o o 0 0 1 p o 9 2 0 0 6 0 1 7 6 6 7 o 0 0 0 l 顺次排出因素的主次顺序为b h h 0 p 方差估计a 毡q ( n 一2 ) = o 0 4 1 q = r 木r = o 4 0 9 4 r 2 = o 9 9 9 3 3 f 检验f = 4 1 0 0 9 对于检验水平o 0 5 来说，因为 f = 4 1 0 0 9 f 。( 4 ，1 3 ) = 3 1 8 ，因此说明回归效果显著 广西大学硕士学位论文 岩溶地区桩基础稳定性研究 综上所述，采用计算机模拟得到岩溶地区溶洞顶板安全厚度的回归公式： h = o 0 6 h 。+ o 9 2 b + 0 1 7 6 6 7 h + 0 0 0 0 1 0 2 8 6 p o 0 4 5 式中： h 溶洞顶板厚度，m b 溶洞的宽度，m h 0 溶洞高度，m h 上覆土层厚度，m p 单桩荷载大小k n 4 7 广西大学硕士学位论文 岩溶地区桩基础稳定性研究 第五章工程实例验证 本研究是整个科研课题的一个子课题，利用三维有限单元法对考虑溶洞大小、上覆 土层厚度、单桩荷载因素作用下的溶洞顶板稳定性问题进行研究，总结出公式： h = o 0 6 h 。+ o 9 2 b + o 1 7 6 6 7 h + o 0 0 0 1 0 2 8 6 p 一0 0 4 5 ( 5 1 ) 文献 7 利用三维有限单元法对考虑溶洞大小、单桩荷载因素作用下的溶洞顶板稳 定性问题进行研究，总结出公式： h = 0 6 7 2 6 4 x + o 0 2 0 4 4 y + 0 7 6 7 1 8 z + o 0 0 0 0 5 5 p + o 3 7 6 8 9 ( 5 2 ) 文献 1 6 对覆盖岩溶临空面的稳定性进行研究分析，总结出公式： p = 1 6 0 4 8 h + 1 9 8 6 7 9 6 ，+ 7 3 2q2 8 0 0a 一9 4 5 5e + 2 5 7 0 4 d + 2 6 0 7 0 2 ( 5 3 ) 现利用搜集到的工程资料，对整个科研课题中总结出的三个公式进行验证，以检验 其准确性和可靠性。 5 1 昆明三聚磷酸钠厂厂址岩溶桩基的稳定性验算 5 1 1 地形地貌 昆明三聚磷酸钠厂的烧结、磷炉、五钠三个主要工段是“六五”期间国家重点建设 项目，引进国外最新设备。按生产工艺流程要求，在较小的建筑用地范围内配置了很多 荷载较大的设备和管道，并且同一工段的不同部位荷载相差比较悬殊，整个生产系统在 设备总体组装后立面高度较大，厂房高达五十余米，对变形要求严格。该厂址位于干坝 塘半封闭式的岩溶洼地内。就总的地貌来看，干坝塘洼地呈一突起于四邻谷地之上的分 水岭型岩溶洼地。 5 1 2 地质条件 干坝塘洼地在构造部位上处于安宁与昆明两构造盆地之间的相对稳定地块上，构造 活动比较微弱，岩层总体为一倾向北东的单斜构造，倾角1 5 0 3 0 0 ，无大的断裂破碎带。 有3 组较发育的力学属性不同的节理，倾角分别为8 0 0 9 0 0 ，4 5 0 6 0 0 ，1 5 0 2 5 。场地表 部为第四系洪积、残积粘土覆盖，厚度变化较大，一般为1 0 2 5m ，个别达3 8 m 。 西部较薄，往东逐渐增厚。上部呈硬一可塑状态，下部于岩土交界面呈软一流塑状 态，局部见土洞。 r = 1 5 0 2 2 0 k p a 。下覆基岩为二叠系茅口组白云岩，一般呈青灰色， 细晶结构，厚层块状构造，大都含方解石条块及细脉，多呈中等风化及微风化状态，致 广西大学硕士学位论文岩溶地区桩基础稳定性研究 密坚硬，岩石单轴极限抗压强度为8 0 1 0 0 m p a ，是桩基的持力层。与工程有关的地质缺 陷主要表现为岩体表面和内部岩溶现象显著。 5 1 3 场地岩溶发育的形态 由于场地位于高出四邻谷地之上的分水岭地带，地下水位季节性变化较大，这就造 成表面溶蚀现象显著，呈尖峰层叠，沟槽纵横岩面起伏变化很大。在岩面附近3 5m 内， 多被沟槽纵横切割，呈林柱状或石笋状的“地下峰林”景观，局部溶蚀现象比较微弱的 地段，岩面也已溶蚀成沿一方向延伸较长的鱼背状石脊与沟槽交替的坎坷表面。岩体内 部，在岩面以下l om 范围内，沿着陡倾角节理形成了以垂直溶蚀为主的竖向溶蚀裂隙： 或以垂直溶蚀为主、兼有侧向溶蚀与侵蚀扩展的溶隙与溶洞相互交替的串珠状洞隙。多 呈缝隙状追踪张节理展布方向延伸，少数呈竖井状或表面溶蚀加剧的碟形凹地。但是， 由于节理的规模所限，横向的溶蚀扩展一般在1 o l i l 以内。 5 1 4 溶洞顶板的稳定性验算 由于地下水的长期缓慢循环，使岩体内部受到均匀溶蚀，形成了大量针状溶孔以及 延伸不长的水平或倾斜的小型管状溶蚀通道，在钻孔中一般遇到的垂高为o 2 2 om 。 在五钠工段d 。一。桩孔，有一垂高为0 3m 、长约o 5 m 、宽约o 4m 的溶洞，在溶洞顶部的 桩基础，其桩径为1 om ，单桩设计荷载为5 0 0 0 k n ；在磷炉工段儿- 桩孔，有一垂高o 6 7m 、 长约0 7m 、宽约0 6m 的溶洞，c 。桩孔有一垂高1 8 2m 、长约2m 、宽约1 8m 的溶洞， 桩径都为1 om ，单桩设计荷载为5 0 0 0 k n ；在烧结工段k 。桩孔有一垂高o 6 5m 、长约1 om 、 宽约0 8m 的溶洞，桩径为0 8 5m ，单桩设计荷载为3 6 0 0 k n 。在原设计条件下4 个溶洞都 是稳定的。现分别用公式( 5 一1 ) 、( 5 2 ) 对上述4 个溶洞进行稳定性验算，其中上覆土 层厚度都取1 0 m ，结果如表5 1 ，5 2 所示。其中表5 1 是利用公式( 5 1 ) 计算的结果， 表5 2 是利用公式( 5 2 ) 计算的结果。 广西大学硕士学位论文 岩溶地区桩基础稳定性研究 表5 1 溶洞顶板稳定性验算表l t a b l e5 1v e r i f i c a t i o nt a b l e1o fr o o fs t a b i l i t yo fk a r s tc a v e s 桩 溶洞宽度溶洞高度单桩设计荷载 计算的顶板安 实测的桩底到 孔 ( m )( m )( k n ) 全厚度溶洞顶部距离 号 ( m )( m ) 五钠d 。 o 4o 35 0 0 0 2 6 22 8 0 磷炉a 6 一。 0 6o 6 75 0 0 0 2 8 23 o o 磷炉c * 。1 81 8 25 0 0 0 4 0 17 o o 烧结k 3 o 8o 6 5 3 0 0 02 8 85 6 0 表5 2 溶洞顶板稳定性验算表2 t a b l e5 2v e r i f i c a t i o nt a b l e2o fr o o fs t a b i l i t yo fk a r s tc a v e s 桩 溶洞宽度溶洞高度 单桩设计荷载 计算的顶板安 实测的桩底到 孔 ( m )( m )( k n ) 全厚度溶洞项部距离 号 ( m )( m ) 五钠d 4 。 o 40 35 0 0 01 3 0 1 2 2 8 0 磷炉a 6 一。 0 6o 6 75 0 0 0 1 5 9 6 73 o o 磷炉c s ：1 81 8 25 0 0 0 3 4 1 5 37 0 0 烧结k0 8o 6 5 3 0 0 01 8 7 4 65 6 0 由表5 1 ，5 2 可以看出，实测的桩底到溶洞顶部的距离都大于计算得出的桩底到 溶洞顶部的距离，由此可以判断上述4 个溶洞顶板都是稳定的，结果与实际情况相符合。 同时用文献 5 的方法对上述4 个溶洞进行稳定性评价，如表5 3 所示。 广西大学硕+ 学位论文岩溶地区桩基础稳定性研究 表5 3 溶洞顶板稳定性验算表2 t a b l e5 3v e r i f i c a t i 彻t 曲1 e2o fr o o fs t a b i l i t yo fk a r s tc a v e s 桩孔号五钠d 。磷炉a 6 一n磷炉c ”烧结i 【3 桩长( m ) 2 92 72 72 7 桩底距洞顶( m ) 2 8375 6 溶洞垂高( m ) o 3o 6 71 8 2o 6 5 自重应力 5 65 55 25 1 o 。( 1 0 甲a ) 桩基基底压力 6 4 86 4 46 4 6 6 2 8 p ( 1 0 5 p a ) 附加应力系数 0 2 8 70 2 4 10 1 8 3o 1 9 6 k 。 附加应力 1 8 61 5 51 1 81 2 3 o 。( 1 0 5 p a ) 总应力 2 4 22 11 71 7 4 p h ( 1 0 5 p a ) 溶洞顶板最大拉应 2 4 22 1 1 7 1 7 4 力o 。( 1 0 5 p a ) 岩石允许抗拉强度 6 06 06 04 8 o 。( 1 0 5 p a ) 稳定系数 2 52 93 52 8 k = o 。 o 。 由表5 3 可以看出，4 个溶洞的稳定系数都小于4 ，说明溶洞顶板不稳定，结果与实 际情况不相符合。 5 l 广西大学硕士学位论文岩溶地区桩基础稳定性研究 5 1 5 覆盖岩溶临空面稳定性检验 根据有关资料，对磷炉的b 0 2 桩，烧结的b c o 、g 3 2 、p o - 3 3 、p 3 3 3 和五钠的b 1 2 、f 6 2 2 ， 七根抗滑桩使用的都是5 0 0 吨的设计桩载，而且实践证明都是稳定的，现在用容许桩端 嵌固力公式( 5 3 ) 进行验算，见表5 4 表5 4 覆盖岩溶临空面稳定性验算表 t a b l e5 4v e “f i c a t i o nt a b l eo fs t 曲订i t yo fo v e r b i i r d e n k a r s t i cf r e e f a c e 上覆土 结构 结构面临空面结构面容许载 车间面摩稳定 桩号层厚度倾角a 倾角o 高度d荷 p 名称擦系否 h ( 米) ( 度)( 度) ( 米) ( 吨) 数 磷炉b 。2l o0 3 5 65 07 588 0 2 2 稳定 五钠b 1 2l lo 3 5 66 09 0“4 37 7 0 1 稳定 五钠f 6 2 21 40 3 5 62 08 04 91 6 0 1 5 稳定 烧结b g1 5o 3 1 72 08 551 4 9 5 4 稳定 烧结g 3 2 8 o 3 1 7 5 09 01 1 2 6 3 3 o 稳定 烧结艮3 3 9 0 3 1 74 5 8 58 5 6 7 9 1 稳定 烧结 p 33 37o 3 1 75 l9 09 55 6 7 2 稳定 由上表可见，七根桩均稳定，与实际情况相吻合。 5 2 山西省霍县电厂岩溶桩基稳定性验算 5 2 1 地形地貌 山西省霍县电厂是在岩溶区兴建的一座大型火力发电厂，厂区工程地质条件十分复 杂。厂址位于汾河西岸的一、二级基座阶地上。阶地上部为第四系亚粘土及砂卵石，厚 度2 一1 3 m ，一般厚为1 3 m ；下部( 基座) 为中奥陶统马家沟组灰岩及泥灰岩组成；在场基 范围内，基岩顶面以下0 2 0 m 为深灰色厚层至中厚层致密块状石灰岩，一般较完整，但 溶洞发育地带较破碎，2 0 一5 5 m 深为角砾状灰岩、细晶质灰岩、白云质灰岩及泥质灰岩等 组成；岩芯一般较破碎，溶蚀裂隙、小溶洞及溶孔发育。在埋深5 5 6 1 m 左右有一厚约1 1 m 的青灰色泥灰岩、风化溶蚀强烈，取出岩芯多呈土状。 广西大学硕士学位论文 岩溶