岩溶地区岩土工程勘察现状

如题所述

我国的可溶性碳酸盐岩分布面积达3.44 ×106 km 2,占国土面积的1/3以上,其中碳酸盐岩出露面积约91 ×104 km 2,为岩溶的发育提供了根本条件。贵州、云南、广西、湖南、湖北、四川、西藏、新疆、青海、河北、山西、内蒙古等省区均有大面积出露。

1.1.1 岩溶岩土工程勘察方法手段

随着社会经济的发展和西部大开发政策的落实,岩溶地区的工程建设项目越来越多,岩溶地区的岩土工程勘察技术和水平也不断地提高。在岩溶地区,岩土工程勘察分析方法及岩溶探测技术,目前常用的方法或手段有:

(1)工程地质钻探:是岩溶区岩土工程勘察中最直接、最可靠的方法手段,也是用得最广泛的勘察方法,对查明岩溶场地岩土工程条件,具有不可替代的地位。

(2)工程地质调查与测绘:包括岩溶地形地貌调查、地层岩性、水文地质调查、测量及试验等内容的野外调查,能够从宏观上把握岩溶发育的分布和特点,并据此可进一步进行工程地质勘探工作。该方法简单,方便实用,能获得直观的野外工程地质资料。主要用于大型工程场地选择,以及公路、边坡等工程。

(3)地球物理勘探:适用于对岩体中复杂的岩溶洞穴进行探测,除了电阻率(电剖面和电测深)法、高密度电法、无线电波透射法、地面地震反射波法、声波透射法、微重力法、射气测量等以外[1],20世纪80年代以后发展起来的探地雷达GPR(地质雷达)、层析成像(CT)技术等在岩溶工程地质勘察中得到了广泛的应用,尤其是在确定岩溶溶洞、土洞及塌陷等的分布、形态和充填情况时,发挥了很大的作用。在查明大范围的区域岩溶发育和深部岩溶的分布规律方面,地球物理勘探是最理想的方法之一,但探测的准确程度受场地的干扰、技术人员的解译水平等因素影响。

(4)工程地质原位测试技术:主要采用原位标准贯入试验、动力触探试验等测定溶洞和土洞中充填物、岩溶塌陷堆积物的工程地质性质和地基土承载力。该技术在各岩溶地区有较成熟的应用经验,施工简单,成本较低,应用广泛。

(5)插钎:用一定长度钢钎(筋)按一定的间距插入上覆土层,用来查明土层中是否发育有岩溶土洞。例如广西桂林岩溶地区,在地基基坑开挖后,一般采用插钎来进一步查明土层中是否存在土洞或塌陷软弱层,实践证明该法效果显著。该方法还具有施工简单、经济实用的特点。

1.1.2 岩溶地基稳定性评价

岩溶地基稳定性的评价,是岩溶地区岩土工程勘察的重要内容,直接关系到地基基础方案的选择确定,目前常用的岩溶稳定性评价方法如下。

1.1.2.1 定性评价方法

主要根据已查明的地质条件,对影响溶洞稳定性的各种因素(地质构造、岩层产状、岩性和层厚、洞体形态及埋藏条件、顶板情况、充填情况、地下水等),并结合基底荷载情况,进行分析比较,作出稳定性评价,它是一种经验比拟方法,仅适合一般工程。

1.1.2.2 定量评价方法

主要是根据一些公式对溶洞或土洞的稳定性进行分析,目前有以下几种方法[2~7]:

(1)根据溶洞顶板坍塌自行填塞洞体所需厚度进行计算;

(2)根据顶板裂隙分布情况,分别对其进行抗弯、抗剪验算;

(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;

(4)普氏压力拱理论分析法;

(5)坍塌平衡法;

(6)溶洞局部破坏型式稳定性分析法;

(7)有限元数值分析法;

(8)多元逐步回归分析和模糊综合分析法。

总体说来,目前对岩溶地基稳定性的评价,大多是采用《工程地质手册》( 第四版)[2]。或《岩土工程手册》[3]中所推荐的计算方法,或者是依据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)和《建筑地基基础设计规范》( GB 50007—2002)中有关规定[8,9]。由于评价计算方法较单一,由溶洞及土洞对建筑地基所产生的影响的评价分析,往往与实际情况有出入。

目前常用的岩溶地基稳定性评价方法,都是在一定的条件下得到的,具有其自身的特点和适用性,《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2002)或《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)所建议的方法,仅仅是根据基础底面以下土层厚度的大小来判别地基的稳定性,而没有考虑以下几个因素对岩溶地基稳定性的影响:下伏溶洞或土洞的规模尺寸及形状、地下水的存在及水位的高低、地基土层的组成、土洞内的充填物等。

1.1.3 岩溶地基承载力和沉降

1.1.3.1 岩溶地基承载力

岩溶地基承载力的确定和地基沉降验算,是地基基础设计的重要内容。当地基中存在溶洞、土洞或塌陷时,它们对地基承载力和沉降的影响,国内很少进行过系统研究,也没有可供工程实践使用的成熟的计算公式。更多的是关于岩溶桩基础施工的经验报道。

地基中溶洞或土洞的存在,将影响地基的承载能力。其实我们可以通过分析地基中溶洞周围应力状态,在保证溶洞地基稳定的前提下,进行反算求得地基的承载能力。含溶洞岩石地基承载力,除与溶洞跨度、顶板厚度等因素有关外,还与洞顶覆盖层厚度(重量)、地基荷载、基础尺寸大小、岩石的泊松比(侧压力系数)等诸因素有关。

1.1.3.2 岩溶地基的沉降变形

在岩溶地基勘察时发现土洞,一般都会进行地基处理,如换填、灌浆等,在进行地基处理后,地基的沉降变形与正常的地基同样考虑,并无特别之处。但有些岩溶地区在岩土工程勘察中没有发现土洞,在建筑物建成后,由于地基中有地下水,且地下水位经常波动,地下水(或地表水)产生的潜蚀作用或崩解作用,往往会形成土洞。起初土洞的规模尺寸不大,若不采取有关处理措施,土洞则会继续扩大,产生地基土体变形,继而引起建筑物开裂。在岩溶地区,有许多建筑物在建成后,由于地下水或地表水的活动,形成土洞继而产生地面变形而引发建筑物墙体开裂,这一点往往被工程技术人员忽略。文献[10]根据弹塑性理论,推导了岩溶地基发育的土洞对地基变形影响的计算公式,并且发现,地下水位的下降,仅仅是由于存在土洞,引起土洞应力状态的改变而产生附加的沉降,就足以导致某些敏感结构建筑(如框架结构)的开裂。

对于已经产生塌陷的岩溶地基的变形计算,文献[11]指出塌陷土层中的应力及沉降不能按常规方法来计算,并利用散体极限平衡条件,推导了单层或多层地基塌陷土层的应力计算公式,并用推导的附加应力来进行塌陷土体的沉降计算。

对于含溶洞岩石地基的沉降变形,一般情况下其变形可忽略不计。

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