桂林岩溶地基稳定性分析评价常用方法

如题所述

在桂林岩溶区的岩土工程实践中,岩溶地基稳定性评价分析的常用方法,主要采用以下定性评价和定量评价方法。

1.6.1 岩溶地基稳定性定性评价

影响含溶洞岩石地基稳定性的因素很多,有岩体的物理力学性质、构造发育情况(褶皱、断裂等)、结构面特征、地下水赋存状态、溶洞的几何形态、溶洞顶板承受的荷载(工程荷载及初始应力)、人为影响因素等,它们是地基稳定性分析评价的重要依据。

1.6.1.1 断裂构造

岩溶地基失稳的主要表现形式是岩溶塌陷,可溶性基岩中的断裂、裂隙的力学性质、构造岩的胶结特性、裂隙发育程度、规模及其与其他构造的组合关系等,在一定程度上控制了岩溶地基的稳定性。断裂构造的存在,总体来说对岩溶地基稳定性不利。断裂构造的力学性质、规模、构造岩的胶结特征、裂隙发育程度及与其他构造的组合关系,在一定的程度上决定了岩溶地基的稳定性。

张性或张扭性断裂的断裂面较粗糙,裂口较宽,构造岩多为角砾岩、碎裂岩等,且多呈棱角状,粒径相差大,胶结较差,结构较松散,孔隙较大,透水性强,对岩溶地基稳定性不利,如桂林市西城区许多岩溶地基的塌陷失稳,均分布在张性或张扭性断裂带上或其附近;而压性或压扭性断裂的裂面较平直、光滑、裂口闭合、胶结较好、结构较致密、透水性差,不利于地下水活动,对地基稳定性影响较小。

1.6.1.2 褶皱构造

在纵弯褶皱作用下,较易在褶皱转折端处形成空隙——虚脱现象,同时在褶皱核部易形成共轭剪节理及张节理,这些部位的空隙及裂面粗糙,胶结较差,地下水活动较频繁,对含溶洞岩石地基稳定性不利;而平缓的大型褶皱,对地基稳定性影响较小。

1.6.1.3 结构面

当含溶洞岩石地基中存在结构面,如节理等,对其稳定性不利。结构面的性质、成因发展、空间分布及组合形态,是影响稳定性的重要因素。一般来说,次生破坏夹层比原生软弱夹层的力学性质差得多,如再发生泥化作用,则性质更差。若溶洞周边处出现两组或两组以上倾向不同斜交的结构面,就极有可能产生坍落或滑动。例如,2002年8月,位于桂林理工大学(原桂林工学院)附近的屏风山,山体靠近建干路一侧,发育有一洞高约3 m 的溶洞,该溶洞顶部由于存在多组斜交的结构面,顶部突然坍落直径数米、重达数十吨的石灰岩块石。

1.6.1.4 岩石

当石灰岩呈厚层块状,质纯,强度高时,并且岩石的走向与溶洞轴线正交或斜交,角度平缓,对地基稳定性影响较小;反之,对地基稳定性不利。桂林市区中心的石灰岩为泥盆纪融县组灰岩多呈厚层块状,质纯,强度较高,市区北面和西面分别分布有少量石炭纪泥质灰岩和石炭纪硅质灰岩,这两类岩石较少岩溶发育。

1.6.1.5 溶洞洞体

当溶洞埋藏较深,覆盖层较厚,洞体较小(与基础尺寸比较),溶洞呈单体分布,且呈圆形时,对地基稳定性影响较小;反之,对地基稳定性不利。另外,当溶洞内有充填物时,也对地基稳定性有利。

1.6.1.6 地下水

地下水是影响含溶洞地基稳定性的重要因素,地下水的活动将降低岩体结构面的强度。当水位变化较大或有承压水时,也可改变地基溶洞周围的应力状态,从而影响地基的稳定性。桂林漓江水位的升降变化,是影响漓江两岸一级阶地岩溶塌陷最重要的影响因素。

1.6.1.7 其他因素

人工爆破、人为大幅度降水、交通工具加载或振动、地下工程施工及基坑开挖等产生临空面而改变溶洞周围应力状态、地震(水库诱发地震)等,都有可能引起溶洞地基的塌陷失稳。

1.6.2 岩溶地基稳定性定量评价

定量评价法是在取得详细的岩土工程勘察资料和岩土体分布情况、物理力学参数的情况下采用的评价方法,一般先由假定条件建立相应的物理力学模型或数学模型,再进行分析计算,依据结果对溶洞顶板稳定性作出评价和判断。

在工程实践中,目前常用的方法中,其一般力学机制,可认为是溶洞上部的岩土体整体往下塌陷,即为整体破坏型式。通过溶洞发育规律及溶洞塌陷体的形状分析还发现,其破坏机制除整体破坏型式以外还有溶洞洞壁内部破坏的型式。

假定溶洞岩石地基呈整体下塌失稳,稳定性评价计算,可按下面方法综合进行:

1.6.2.1 根据溶洞顶板坍塌自行填塞洞体所需厚度进行计算[2]

洞体顶板被裂隙切割呈块状、碎块状,顶板塌落后体积松胀,当塌落向上发展到一定高度,洞体可被松胀物自行堵塞。在没有地下水搬运的情况下,可以认为洞体空间已被支撑而不再向上扩展了。设洞体空间体积为V0,塌落体体积V,此时塌落高度H 可由下式确定:

V·m = V0 +V 或 V0 = V(m -1)

式中:m 为顶板岩石的松胀系数,对岩石取1.1~1.3,视坍落后块度定;对土取1.05~1.1。

设洞体顶板为中厚灰岩,洞体截面积为F,洞高H0,假定塌落前后洞体均为圆柱形,则

V0 =F·H0,V =F·H

那么,自行堵塞洞体所需的溶洞顶板安全厚度为:

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

如高度H 以上还有外荷载,则还应加以荷载所需的厚度,才是洞体顶板的安全厚度。

1.6.2.2 根据顶板裂隙分布情况,分别对其进行抗弯、抗剪验算[2]

(1)当顶板跨中有裂缝,顶板两端支座处岩石坚固完整时,按悬臂梁计算:

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

(2)若裂隙位于支座处,而顶板较完整时,按简支梁计算:

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

(3)若支座和顶板岩层均较完整时,按两端固定梁计算:

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

抗弯验算:

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

抗剪验算:

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

以上各式中:

M——弯距(kM ·m);

p——顶板所受总荷重p=p1+p2+p3;

p1——顶板厚为H的岩体自重(kN/m);

p2——顶板上覆土层重量(kN/m);

p3——顶板上附加荷载(kN/m);

l——溶—洞跨度(m)

σ——岩体的计算抗弯强度(石灰岩一般为允许抗压强度的1/8)(kPa);

fs——支座处的剪力(kN);

S——岩体的计算抗剪强度(石灰岩一般为允许抗压强度的1/12)(kPa);

b——梁—板的宽度(m);

H——顶板岩层厚度(m)。

适用范围:顶板岩层比较完整,强度较高,层理厚,而且已知顶板厚度和裂隙切割情况。

1.6.2.3 根据极限平衡条件,按顶板能抵抗受荷载剪切的厚度计算[2]

F+G = UH S

式中:F——上部荷载传至顶板的竖向力(kN);

G——顶板岩土自重(kN);

U——洞体平面的周长(m);

S——顶板岩体的抗剪强度,对灰岩一般取抗压强度的1/12。

1.6.2.4 递线交会法

在剖面上从基础边缘按30°~45°扩散角向下作应力传递线,当洞体位于该线所确定的应力扩散范围之外时,可认为洞体不会危及基础的稳定。由定性评价中的洞体顶板厚跨比(H/L)可知,当集中荷载作用于洞体中轴线,H/L为0.5时,应力扩散线为顶板与洞壁交点的连线,它与水平面夹角相当于混凝土的应力扩散角450;当H/L为0.87时,相当于松散介质的应力扩散角300。

1.6.2.5 规范法

根据《建筑地基基础设计规范》(GBJ 50007—2002)的第6.5.2条和第6.5.4条规定进行判定。这也是当前岩土工程勘察中用得较多的方法之一。

该规范第6.5.2条规定:在岩溶地区,当基础底面以下的土层厚度大于3倍独立基础底宽,或大于6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条规定: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。

(1)溶洞被密实的沉积物填满,其承载力超过150 kPa,且无被水冲蚀的可能性;

(2)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;

(3)微风化的硬质岩石中,洞体顶板厚度接近或大于洞跨。

1.6.2.6 含溶洞岩石地基局部破坏型式稳定性分析

上述岩溶地基的稳定性评价计算方法,都是假定含溶洞地基产生整体破坏为前提,且它们没有考虑溶洞断面形态、地下水等的影响。在工程实践中发现,许多含溶洞地基的破坏往往是由局部破坏进而发展到整体破坏,由溶洞内部破坏再发展到外部塌陷失稳。文献[16]利用弹性理论,推导了岩石地基中溶洞周围的应力状态,利用格里菲斯强度理论,对含溶洞岩石地基的稳定性进行了定量计算判别。并且发现基础底面尺寸、溶洞顶板厚度、溶洞跨度(直径)、溶洞的断面形状对地基稳定性的影响很大,而地下水产生的“真空吸蚀作用”对地基稳定性的影响很小,洞内充填物对地基稳定的作用不明显。

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