岩溶地区建设工程地基溶洞顶板稳定性分析

唐合岗 常婷 梁林森 李小明

【摘  要】在岩溶发育地区工程项目建设过程中，尤其是建设房屋建筑、桥梁、道路时，进行建筑桩基础或桥基、路基等施工前，必须要考虑对工程项目地基范围内影响工程安全可靠性的溶洞的处理，否则会出现基础下沉、开裂、塌陷等工程质量安全问题，对建筑物或构筑物的稳定性造成不良影响，直接影响到工程项目的安全性及使用寿命。本文研究了常见的溶洞顶板稳定性分析方法，包括定性方法、半定性方法和定量方法，指出了每种方法的特点、适用条件和使用方法，以便在岩溶区工程项目建设过程中根据需要及使用要求进行选择分析，对项目各岩溶溶洞顶板情况给出客观合理的分析结论。

【关键词】岩溶区;建设工程;溶洞顶板;稳定性分析

1.溶洞顶板稳定性分析的定性方法

利用定性分析法进行溶洞顶板的稳定性分析，主要是依据工程项目建设经验，适用于对基础稳定性要求不高的工程项目。定性分析方法对溶洞顶板稳定性的分析，主要是依据岩溶外观形态、溶洞顶板厚度及与洞体的洞泾比值大小、溶洞充填情况、当地地质勘探资料中关于岩体结构、构造、强度及与受力方向与岩层走向和裂隙发育相对关系、待建建筑物载荷的大小、抗震设防要求等进行综合研判，给出各条件下岩溶对稳定是否有利，岩溶顶板是否可以承载建筑物基础的通用、粗略结论。

对溶洞顶板稳定性进行定性分析时，可以根据常识性经验做出是否有利于待建工程基础施工的初步判断，例如，当基础底面以下土层厚度大于3倍单独基础宽度或者6倍条形基础宽度、且不具备形成土洞或者其他地面变形条件时，溶洞顶板稳定性满足一般工程项目基础施工条件[3]，可以在其上进行工程项目建设施工。

实际使用过程中可以首先使用这种定性分析方法對整个场地或单个区域进行总体性分析评价，也可以对单个岩溶溶洞进行分析评价，可在定性分析基础上对分析评价不利的情况可再进行详细的定量分析，对于重大项目，仅使用本方法过于依赖往常施工经验，判断出来的结果只能提供可行性建议，并不能作为施工的准确依据，可以作为定量分析法的有效补充。重大工程项目需结合半定性及定量法进行详细分析。

2.溶洞顶板稳定性分析的半定性方法

半定性分析方法属于定性分析方法与定量分析方法的融合，主要是依据工程经验对溶洞顶板的稳定性特征进行观察和研判，在此基础上找出影响稳定性的风险因素，依据这些风险因素将溶洞顶板划分为完整顶板和非完整顶板两部分，然后利用近似计算的方法给出顶板稳定性的判断结论[4]。一般来说，常用的半定性分析法主要有以下几种。

2.1 荷载传递线交汇法

传统认为影响溶洞顶板稳定性的风险因素，主要可以归纳为顶板完整程度、顶板空间布局（水平或倾斜）、顶板可见厚度以及溶洞的跨度。利用荷载传递线交汇法进行稳定性判断时，首先观察顶板的空间布局，确定是水平分布还是倾斜分布，然后确定顶板的垂直中线，根据其上建筑物的重量分布粗略估计出建筑物的荷载中心线，利用测角仪器简单对荷载中心线和顶板垂直中线的角度进行测量，最后根据测量结果给出稳定性判断结果：当荷载中心线和顶板垂直中线的夹角大于30°时，可以认为溶洞顶板稳定性不能满足使用要求，否则可以满足要求[5]。

2.2 厚跨比法

根据风险因素对溶洞顶板进行完整和非完整性划分，主要是依据风险因素的综合效应，即某一区域顶板倾斜、厚度较薄、跨度较大时，往往认为是非完整性顶板，否则即是完整性顶板。对于完整性顶板的稳定性分析，可以利用厚跨比法进行。利用厚度测量设备测量溶洞顶板的厚度以及建筑物跨越溶洞的长度，当两者的比值大于1/2时，可以认为顶板稳定性是符合要求，也就是在其上进行建筑物建设是安全的，否则即是不安全的。

3.溶洞顶板稳定性分析的定量方法

定量方法是较精确的分析方法，能够给出溶洞顶板稳定性是否符合建设要求的最终结论，常作为工程设计的重要依据使用。当前有很多适用于溶洞顶板稳定性分析的定量方法，如数据不甚十分精确的情况下，最主要可需采集到岩溶溶洞顶板及洞体的竖向形态数据，可以使用经验公式法分析，如使用《工程地质手册》（第四版）中岩溶顶板塌陷自行填塞洞体所需的厚度H的计算公式法（《工程地质手册》（第四版）公式6-1-1）[6]。如有更详细的力学指标和结构形态及水平方向数据等情况下，可根据受力情况进行单元力学分析进行溶洞顶板的稳定性分析等，如《工程地质手册》（第四版）根据抗弯、抗剪验算结果评价洞室稳定性及顶板能抵抗受荷载剪切的厚度计算等（《工程地质手册》（第四版）公式6-1-9）等。

在有详细的力学指标和结构形态及水平方向数据等情况下，利用三维有限单元法结合溶洞顶板的受力情况，也可采取如下建立有限元模型进行溶洞顶板的稳定性分析的更精确的方法。

3.1 建立受力计算模型

根据风险因素分析对溶洞顶板进行完整区域和非完整区域划分。进行区域划分时，风险因素的分类仍沿用半定性分析法中的方法，但是需要具体的测量结果做支撑。在对顶板倾斜角度、厚度进行测量的基础上，对建筑物的荷载力进行计算，在计算机中构建建筑物的BIM模型，通过三维建模的方法对其施加在溶洞顶板上的载荷力进行计算，同时需要考虑到岩土层竖向的自重应力。

3.2 结合岩石特性做出稳定性判断

岩石的承力水平是由其内部特性决定的，水的长期浸泡必然会造成岩石内部结构发生变化从而导致承力能力下降。在对溶洞顶板进行有限元网格划分并计算出单元应力大小之后，可以根据地质勘察结果中岩石的结构特点，做出稳定性判断结论。一般来说，当区域单元应力值大于岩石承力水平时，表示该段溶洞顶板不稳定，不利于建设相应承载力的建筑物;当区域单元应力值小于岩石承力水平时，表示该段溶洞顶板稳定，可以用于建设相应承载力的建筑物。

4.结论

岩溶地质地貌在我国防范分布，尤其是在西南地区较为常见。在岩溶地区进行工程项目建设时，需要对溶洞顶板的稳定性进行分析，根据稳定性分析结果决定是否可以进行建筑物的建设。本文总结了常见的溶洞顶板稳定性分析方法，包括定性方法、半定性方法和定量方法，每种方法具有不同的适用性，在工程项目建设过程中需要根据使用要求进行选择;很多单位利用定量方法进行溶洞顶板稳定性分析时，都会进行复杂的受力计算，但是基本步骤依然是围绕“建立受力计算模型、进行有限元网格划分和受力计算、结合岩石特性做出稳定性判断”进行的。在实际项目使用中，每种方法都需要采集到真实可靠的依据数据，后续研究中，根据具体能采集到的数据的基础上可对每一步骤的计算过程进行改进和扩展，提高稳定性分析结果的可信度。

参考文献：

[1]赵明华，张锐，胡柏学，等. 岩溶区桩端下伏溶洞顶板稳定性分析研究[J]. 公路交通科技，2009，26（9）：21-22.

[2]张成良，刘维正，曾奕珺. 基于尖点突变理论的路基下伏溶洞顶板稳定性分析[J]. 公路交通科技，2019（11）：1-4.

[3]工程地质手册编写委员会.工程地质手册（第四版）.北京：中国建筑工业出版社，2007