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某工程溶洞顶板稳定性分析评价及处理措施

发表时间：2020/8/11 来源：《基层建设》2020年第10期作者：汪红波韦学海

[导读] 摘要：本文基于已有的溶洞顶板稳定性分析评价理论和方法，结合实际勘察设计资料，首先对某工程溶洞顶板进行定性和半定量分析，判定溶洞顶板不满足本项目稳定要求，再利用ANSYS有限元软件进行定量分析，提出处理措施，对本工程设计具有一定指导意义。

        广西纳海交通设计咨询有限公司广西南宁 53000
        摘要：本文基于已有的溶洞顶板稳定性分析评价理论和方法，结合实际勘察设计资料，首先对某工程溶洞顶板进行定性和半定量分析，判定溶洞顶板不满足本项目稳定要求，再利用ANSYS有限元软件进行定量分析，提出处理措施，对本工程设计具有一定指导意义。
        关键词：溶洞；顶板；稳定性分析；处理措施
        1引言
        岩溶地基对工程项目安全施工和安全运行会产生不利影响，其具有隐蔽性，且影响因素众多，对溶洞顶板的稳定分析评价难度较大[1]。目前，溶洞顶板稳定性分析主要有三种方法：定性分析法、半定量分析法和定量分析法[2]。在工程前期阶段定性分析和半定量分析较为实用[3]。
        定性分析方法是一种依靠经验，重点分析岩溶大小和形态、顶板形状和厚度、岩体强度及节理分布，适用于初勘阶段的选址及一般工程地基稳定性分析评价。定性评价方法主要以国内的相关规范[4.5]为依据。
        半定量分析方法主要有顶板塌陷堵塞法、结构力学近似分析法、1极限平衡法、成拱分析法等[4]。顶板塌陷堵塞法适用于顶板为中厚层、薄层、裂隙发育、易风化的岩石，顶板可能塌陷，且能自行填满洞体，不需考虑其他地基影响的情况。结构力学近似分析法适用于顶板岩层较完整、强度较高、厚度较大，且顶板厚度和裂隙切割状况已知的情况。
        定量分析方法主要是利用有限元理论方法进行分析计算，黎斌[6]、丁春林[7]、陈尚桥[8]等利用三维有限元方法对溶洞稳定及破坏做了大量研究。有限元分析方法能较全面地反映溶洞变形、应力及破坏过程，将逐渐成为溶洞稳定分析的主要方法。
        某工程位于广西壮族自治区红水河畔，属于桂西溶蚀侵蚀中山工程地质区，该区存在较多地质问题，主要有洪涝、岩溶渗漏、边坡稳定及地震等。该工程根据总平面布置，需于勘察揭露的溶洞上布置一条8m宽混凝土道路，设计路面高程为226.0m，道路布置于溶洞跨度最小位置（最小跨度约10m），路线布置南北走向。本文主要对该溶洞顶板进行稳定性分析与评价，并提出处理措施。
        2工程地质
        场区地处桂西北，云贵高原南缘，红水河中游；为构造—侵蚀低山浅切割地形地貌，微地貌为沟谷，地形起伏较大、平均坡度大于5%。工作区所处的地质构造体系为广西山字型构造的脊柱与马蹄形盾地过渡部位，又受到东西向、南北向及新华夏构造体系的复合交汇影响，经历了多期构造运动，使岩体中的断裂和构造裂隙发育较为发育，尤其对碳酸盐岩影响显著，受构造、断裂的影响，裂隙和岩溶较发育。岩层薄~中厚层构造，节理裂隙发育。区内主要活动性区域大断裂有巴马～博白断裂带④及南丹～马山断裂带⑧。拟建工程区与最近的区域性大断裂相距均大于10km。
        地质勘察主要采用了钻探和物探的方式。本次布置的钻孔于ZK5揭示溶洞，溶洞洞顶高程为218.7m，洞底高程为208.1m，溶洞洞高（钻孔中垂直高度）10.6m。埋深较浅，覆盖层为3m，顶板为4.1m厚中风化灰岩夹泥灰岩，溶洞半充填黄褐色黏土混碎石，力学性质差。
        结合物探发现该岩溶区分布在测区中部偏西南，东西走向，长宽35×15m。以溶洞发育为主，伴有裂隙发育，发育深度5～20m。物探成果显示该岩溶发育区主溶洞呈“倒连衣裙”状，溶洞发育深度5～20m，顶板厚度2.1~8.5m，溶洞高为6.5~13.7m，溶洞纵向发育长度约为4.5~8.3m，横向发育长度5.8~8.7m。最浅埋深约4~5m，岩石顶板厚度2~4m，洞高约10~15m。设计道路横跨溶洞“倒连衣裙”收腰处，该处溶洞跨度约10m，溶洞高度约10.6m，顶板厚度约4.1m。
        3 溶洞顶板稳定性评价
        由于该溶洞埋藏浅，溶洞顶板的岩层层厚为薄~中厚层状，节理裂隙发育，洞跨度较大，其上施加结构物基础、场区填土等荷载时，需经顶板稳定性验算。
        3.1 定性评价方法
        根据溶洞各项边界条件，对比《广西岩溶地区建筑地基基础技术规范》（DBJ/T45）[4]中表5.2.3所示的诸多影响因素进行综合分析并进行稳定性评价。
        （1）地质构造：拟建工程区与最近的区域性大断裂相距均大于10km，对稳定有利。
        （2）岩层产状：岩层走向为5°~15°，倾向SE，倾角15°~19°，该区域只要为单斜构造，局部发育有小褶皱。走向与洞轴线斜交，倾角平缓，对稳定有利。
        （3）洞体形态及埋藏条件：溶洞发育深度5～20m，顶板厚度2.1~8.5m，溶洞高为6.5~13.7m，溶洞纵向发育长度约为4.5~8.3m，横向发育长度5.8~8.7m。最浅埋深约4~5m，岩石顶板厚度2~4m，洞高约10~15m。覆盖层浅，洞径大，对稳定不利。
        （4）顶板情况：顶板厚度为2~4m，最大跨度为35m，顶板的厚跨比为0.06~0.11，小于0.5（相当于混凝土的45°应力扩散角），且该区域岩石裂隙发育以竖向为主，对稳定不利。
        （5）填充情况：溶洞半充填黄褐色黏土混碎石，对稳定不利。
        （6）地下水：场区地下水主要为碳酸盐岩裂隙溶洞水，其补给来源于大气降雨补给，排泄方向汇入红水河，对稳定不利。
        （7）地震烈度：选址地点烈度为Ⅵ度，地震反应谱特征周期为0.35s，小于VII度，对稳定有利。
        综合以上分析，该溶洞不稳定因素众多，需采取地基处理措施。
        3.2半定量分析方法
        物探结果及钻探取芯显示，路基下溶洞顶板为中风化灰岩夹泥灰岩，厚度4.1m，覆盖土层厚度为3.3m，顶板岩层较完整，仅中部局部可见竖向发育裂隙。可依据《广西岩溶地区建筑地基基础技术规范》（DBJ/T45）附录A采用结构力学近似分析方法对溶洞的稳定性半定量计算。
        顶板按悬臂梁进行简化计算，考虑岩石表层风化剥蚀，顶板计算厚度取3.8m，覆盖土层厚度取3.5m，跨度取10m，取单宽进行计算。计算荷载如下：
        （1）覆盖层自重（恒载）：路面高程226m，覆盖土层厚3.5m，加权平均容重为21.2kN/m3，覆盖层平均自重q恒1=74.2kN/m2；顶板岩石容重为27.5kN/m3，顶板自重为q恒2=104.5kN/m2。自重对结构不利，荷载分项系数取1.2。
        （2）车道荷载（活载）：均布荷载q活=10.5kN/m2，集中荷载采用插值法取306kN[9]。活载分项系数取1.5。
        （3）人群活载：取3kN/m2，活载分项系数取1.5。
        经计算，支座处最大负弯矩为-13345.47kN▪m，最大剪力为2669.10kN。
        溶洞顶板抗弯安全厚度可按下式计算：

                          （式3-1）
        式中：M——弯矩（kN▪m）；
        σ——岩体计算抗弯强度（kPa），本项目取4100kPa；
        b——板的宽度，取1m；
        计算得抗弯安全厚度H1=4.42m>3.8m，溶洞顶板厚度不满足抗弯安全厚度要求。
        溶洞顶板抗剪安全厚度可按下式计算：

                        （式3-2）
        式中：fs——支座处的剪力（kN）；
        S——岩体计算抗剪强度（kPa），本项目取2700kPa；
        计算得抗剪安全厚度H1=1.99m<3.8m，溶洞顶板厚度满足抗剪安全厚度要求。
        4溶洞顶板处理措施分析
        由上述分析可知，溶洞顶板不满足本项目荷载稳定要求，需采取一定的处理措施。由于溶洞顶板覆盖层薄，有限考虑混凝土板跨越法处理地基。采用定量分析法，用ANSYS三维有限元软件对处理后的溶洞顶板及跨越混凝土板进行稳定分析，以确定跨越板内力及配筋。
        根据勘察资料，将溶洞截面简化为高10.6m，宽10m，4角采用半径为2m的倒角。溶洞顶板厚度取3.8m，顶部换填10m宽1m厚C20混凝土，沿路线方向各延伸20m，道路左右侧各延伸15m。为较真实模拟溶洞顶板情况，结合软件模拟特点，顶板模型中部开0.2m宽的缝。
        中风化灰岩夹泥灰岩变形模量为22.56Gpa，泊松比为0.225；C20混凝土弹性模量为25.5Gpa，泊松比为0.167。混凝土以上覆盖层厚度为2.5m，恒载分项系数为1.2，活载分项系数为1.5，在混凝土面层总均布荷载为96.45Kpa，其他部位岩面覆盖层总均布荷载为89.04Kpa。模型及竖向变形如图4-1所示，最大位移0.97mm。沿路线方向应力SX如图4-2所示。

        图4-1.模型及竖向变形图（DY，单位m）图4-2.路线方向应力图（SX，单位Kpa）
        由图4-2可知，换填混凝土板在溶洞顶板范围内受压，支座处受拉，通过积分计算，支座处单宽拉力为204.66KN，计算配筋面积为1019mm2。计算配筋率小于最小配筋率，按最小配筋率配筋，最小配筋面积为1500，建议配筋C20@200。
        5结论及建议
        （1）根据工程实际对本工程溶洞进行定性评价和半定量评价，初步判定本工程溶洞顶板不稳定，利用三维有限元分析方法对溶洞进行定量分析，进一步确定处理措施。建议溶洞顶板采用1m厚C20混凝土板跨越溶洞，并配置HRB400钢筋C20@200。
        （2）定性分析方法主要依靠经验判断，评价结果比较粗略，适用于初勘阶段的选址及一般工程地基稳定性分析评价；半定量评价方法是将地质模型简化为物理力学模型进行计算评价，操作简单、应用广泛；定量评价方法是利用有限元理论方法进行分析计算，计算结果比较直观、全面，但操作过程较复杂，实际工程较少。
        （3）从安全角度考虑，施工期及运营期应限载通行。换填施工时应采取相关措施避免重型机械通过导致溶洞顶板产生裂缝或坍塌。待换填混凝土达到一定龄期后，方可进行上部施工。
        参考文献：
        [1]李毅军. 高速公路岩溶地基稳定性分析及工程处理 [D]. 中南大学，2013.
        [2]范夏玲. 路堤下伏溶（土）洞塌陷机理及其稳定性分析研究[D]. 福州大学，2013.
        [3]籍长志. 基于桥基荷载作用下的溶洞顶板稳定性研究[D]. 成都：西南交通大学地球科学与环境工程学院，2010.
        [4]DBJ45/024-2016. 岩溶地区建筑地基基础技术规范[S].，2016.
        [5]GB50007-2011. 建筑地基基础设计规范 [S].，2011.
        [6]黎斌，范秋雁，& 秦凤荣. 岩溶地区溶洞顶板稳定性分析. 岩石力学与工程学报[J] .2002（4）：532-536.
        [7]丁春林，甘百先，钟辉虹，等. 含土洞、溶洞的机场滑行道路基稳定性评估[J]. 2003，22（8）：1329-1333.
        [8]陈尚桥，黄润秋. 基础下浅埋洞室安全顶板厚度研究[J]. 岩石力学与工程学报，2000，19（S1）：961-966.
        [9]JTG B01-2014. 公路工程技术标准 [S].，2014.
        作者简介：
        汪红波（1987-），女，湖北黄冈人，工程师，从事水电、水利类设计工作。