岩溶溶洞型地基塌陷风险的测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种溶洞型地基稳定性评价方法，尤其涉及一种岩溶溶洞型地基塌陷 风险的测定方法。
【背景技术】
[0002] 岩溶，主要是指地下水与地表水对可溶性岩石的溶蚀作用及其所产生的地貌和水 文地质现象，国际上通称喀斯特（karst)。据统计我国的可溶性碳酸盐岩分布面积达344万 km2,其中碳酸盐岩出露面积约91万km2。特别是广大西南地区如贵州、云南、广西、四川等 均有大面积出露，且其具有分布广泛、厚度大、时代老、类型繁多等特点，为多样性岩溶发育 提供了物质基础。近年来，随着经济的高速发展，越来越多的工程兴建在岩溶地区，岩溶地 基稳定问题已成为工程建设中的突出问题。岩溶地基处理不好，将造成公路铁路断道、桥涵 下沉开裂、建筑物损坏、水库渗漏等，将严重影响社会正常生产，以及危及人民生命财产安 全。因此，加强岩溶地基稳定性风险评价与预测研究，已成为岩溶地区减灾防灾所面临的首 要任务。
[0003] 岩溶问题一直是困扰工程建设的大问题，对工程地基稳定性有着重大影响，目前， 国内外岩溶研究领域已对岩溶地基塌陷风险评价与预测方面进行了有关探索与研究工作， 形成了多种有效的评价方法。现有的岩溶地基塌陷风险评价与预测方法主要分为定性预 测、定量预测、半定量预测、综合预测。定性预测主要根据岩溶地基周围地质环境的影响因 素对地基场地环境的区域性稳定做出宏观的预测，包括综合分析法与经验类比法；半定量 预测主要根据在岩溶地基塌陷稳定性评判方面积累的丰富的经验，即通过经验得出塌陷评 判经验指标，对岩溶地基塌陷进行稳定性评价，常用的有定板厚度跨比法和估算顶板安全 厚度法；定量预测是根据己有的塌陷点资料，量化塌陷形成的影响因素，简单图解或统计方 法，建立各影响因素与塌陷形成的关系模型，从而实现塌陷评价的目的，常用的有稳定系数 法、普氏压力拱理论分析法、有限元分析法等；综合预测方法主要依据研究区域内的水文地 质条件，岩溶发育程度及第四系上覆盖层土体特征等因素，先进行塌陷的定性预测分析，然 后选取影响塌陷的主因素，运用数学地质分析方法，进行定量计算，最后综合定性和定量的 分析计算结果，对岩溶地基稳定性进行评判。上述预测方法虽在岩溶地基稳定性的预测与 评价中发挥了重要作用，但通过分析上述预测方法的建立过程，可以发现上述方法存在以 下几方面的不足：定性评判与半定量评判的空间虽较为宏观，但较粗糙，主要适用于可行 性研究阶段，鉴于岩溶地基塌陷受控的因素甚多，且不断变化，边界不清楚，都是模糊概念， 对模糊的信息，我们都无法用精确的方法去处理；定量评判的空间较为微观、具体，但预测 模型中对影响因素的具体量化标准不统一，难度较大。综合预测方法将定性与半定量因素 相互补充与验证，弥补了传统定性预测及定量预测方法的不足，可提供更多更可靠的信息， 然而现阶段岩溶地基稳定性综合预测方法发展还不够成熟，且评判模型建立基于不同的角 度，因此在影响因素选取上不统一或因素单一，这种因素选取的随意性一方面使某一种缺 陷更为突出，另一方面导致影响因素的可靠性大大降低。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述岩溶地基塌陷风险评价方法存在的不足和局限性，在 科学分析和确定岩溶地基塌陷成灾机理的基础上，从岩溶溶洞上覆土层垂向应力与溶洞上 覆土层极限垂向应力的关系和变化规律及其与溶洞上覆土层损伤破坏关系的角度，建立岩 溶地基塌陷的风险评价方法与判据准则，以此实现对岩溶地基塌陷的风险评价与预测，对 岩溶地区地基塌陷的有效预测与防治具有重要的实用价值。具体方案是依据karst岩溶地 基塌陷的致塌机理，推导和建立溶洞上覆土层垂向应力与溶洞上覆土层极限垂向应力之间 的关系，提出了一种确定岩溶地基塌陷的失稳风险评价参数，并建立了岩溶地基失稳风险 评价参数与稳定性系数之间一一对应的关系。该方法具有明确的稳定性判据，可为岩溶地 区溶洞型地基塌陷风险划分与评价及其防治提供依据，且具有简便和实用的特点，具体步 骤如下：
[0005] 步骤一，测定岩溶地基地下隐伏溶洞直径、溶洞高度及盖层土体厚度：
[0006] 运用地质雷达、跨孔电磁波CT等物探方法综合探测和确定岩溶塌陷区隐伏地下 岩溶溶洞的地面投影圆周、溶洞高度h及盖层土体厚度H，并将地下隐伏岩溶溶洞的地面投 影圆周直径确定为D ;对非标准圆形的塌陷坑土洞，以其实际垂直地面投影面积S的等效圆 周面积确定其等效塌陷坑土洞直径D，
[0007] 步骤二，测定岩溶地基地下隐伏溶洞上覆土层的物理力学参数值：
[0008] 根据《岩土工程勘察手册》，对岩溶地基地下隐伏溶洞上覆土层进行取样并测定相 应的物理力学参数值，即不同土层的内聚力c、内摩擦角史、容重γ、土的侧向压力系数k0; 当塌陷坑上覆土体为η个不同厚度d且性质各异的土层构成时，其上覆土体物理力学参数 值应取所有土层的物理力学参数加权平均值石、歹、f;土的侧向压力系数k。可根据经验 取值。
[0009] 步骤三，岩溶地基隐伏溶洞上覆土层垂向应力的确定：
[0010] a.地表到隐伏溶洞洞顶的滑动土体宽度的确定，
[0011] 当溶洞上覆土层发生挠曲变形时，引起溶洞洞顶土体移动，其滑移面从溶洞底面 以45°-|的角度倾斜，到洞顶后以适当的曲线AE和BI到达地表面。但实际上推算AE和 BI曲线是难以实现的，故近似地假定为AD、BC两条垂直线。此时，设从地表面到洞顶的滑 动土体的宽度为2&1，其值根据式（1)确定：
[0012] (1)
[0013] 式中，D--溶洞直径；
[0014] h 溶洞尚度。
[0015] b.溶洞上覆土层滑动范围内均布外荷载的确定，
[0016] 首先确定基础在建筑物重力作用下的基底压力p
[0017]
⑵
[0018] 其中G5t为建筑物作用在基础顶面的竖向荷载，GsS基础及其台阶上填土总重，G 基=γ sAd，A为基底面积；d为基础埋深；γ s为基础和填土平均重度，通常取20KN/m3。
[0019] 将溶洞上覆土层滑动范围内所受到的基底压力等效成圆形均布荷载，由式（3)确 定溶洞上覆土层滑动范围内均布外荷载P。：
[0020]
[0021] 其中A1为溶洞上覆土层滑动范围内的圆（a i为半径）与原基础底面重叠部分的面 积，六2为溶洞上覆土层滑动范围内的圆面积（a i为半径），A 2= π a /。
[0022] c.岩溶地基隐伏溶洞上覆土层垂向应力的确定，
[0023] 根据隐伏溶洞形态与上覆土层应力分布特点，将隐伏溶洞断面简化为矩形地下硐 室形状，并运用库伦-摩尔强度准则可确定地下隐伏岩溶溶洞上覆土层垂向应力如下（详 见原理2):
[0024] (4)
[0025] 式中：γ为溶洞上覆土层容重，当溶洞上覆土层由不同厚度d且性质各异的土层 构成时，取其加权平均容重f ; H。为溶洞顶板到基础底面的高度，H。= H-d。
[0026] 步骤四，岩溶地基隐伏溶洞上覆土层极限垂向应力的确定：
[0027] 对于岩溶溶洞型地基，其溶洞顶板所受致塌力主要为岩土体重力与建筑物及基础 重量所产生的附加力。因此本发明定义溶洞上覆土层极限垂向应力为溶洞覆盖层岩土体 自重应力与上覆土层滑动范围内地表荷载传递到溶洞顶板的附加应力之和，其值根据公式 (5)确定：
[0028]
(5)
[0029] 步骤五，岩溶地基失稳风险评价参数的确定：
[0030] 本发明提出将岩溶地基隐伏溶洞上覆土层垂向应力与岩溶地基隐伏溶洞上覆土 层极限垂向应力之比定义为岩溶地基失稳风险评价参数，即：
[0031]
(6)
[0032] 其中，当q彡0时，表明岩溶地基稳定；当q>0时，0〈λ〈1;λ =1表明溶洞顶板 承受了全部建筑物附加荷载和岩土体自重应力，岩土体抗塌陷强度为零，其q = qllB1，此时 岩溶溶洞地基处于失稳状态；λ = 〇表明溶洞顶板岩土体没有产生任何垂向附加应力，溶 洞顶板岩土体处于稳定状态，此时岩溶溶洞地基处于整体稳定状态。
[0033] 由岩溶地基隐伏溶洞上覆土层垂向应力公式可知，对于一定直径与高度的溶洞， 溶洞埋深越大，其q越大，但其洞顶所受建筑物附加荷载的影响越来越小，当H增大到一定 程度时，其洞顶所受建筑物附加应力将趋近于〇,其q值将趋近于一稳定值。因此随着溶洞 埋深越来越深，其地基越稳定，当q为一稳定值，qlim-00时，岩溶地基处于整体稳定状态。
[0034] 步骤六，岩溶溶洞地基塌陷风险评价与预测：
[0035] 在岩溶地基稳定性评价工程中，目前广泛使用的方法包括岩溶稳定系数法，即把 溶洞顶板所受的抗塌力与致塌力的比值定义为岩溶地基稳定性系数F，把岩溶地基的稳定 性系数F作为岩溶地基稳定性的评判标准，用地基实际稳定性系数F来判别地基是否稳定 和稳定程度。本发明根据损伤力学的基本原理及损伤变量与岩溶地基稳定性系数的关系 (具体推导见原理2)，将岩溶地基稳定性系数Ft重新定义为极限损伤变量D 1ιηι(其值取1) 与任意损伤变量Dt之比，即：
[0036]
(7 )
[0037] 并确定岩溶地基失稳风险评价参数λ与地基稳定性系数^的定量关系如下：
[0038]
C8：3：
[0039] 根据《高层建筑岩土工程勘察规程》JGJ72-2004,地基承载力安全系数取值在 2. 0-3. 0之间，本发明将岩溶地基安全系数K进行划分：K < 2. 0,岩溶地基不稳定；2