岩溶地区建构筑物地基稳定性分析与评价研究

许大建

(广东省地质局第十地质大队,广东 中山 528421)

0 引 言

岩溶地区地质构造复杂、岩溶水平分布、竖向分布均具有不确定性[1],再者由于构造地质背景及方案设计等因素引起建构筑物地基削弱发生不稳或不均衡沉降[2-4],有可能产生地基整体失稳的现象;也有可能是软弱地基层或局部软弱地基承载力超过了地基承载力极限状态造成失稳。本次研究的目的是避免因建构筑物的施工可能引起地基产生较大的变形、沉降、破坏、滑移等现象[5],从而影响建构筑物的正常使用;从而确定建筑物荷载的大小和性质、场地工程地质条件,以及地质灾害情况等影响地基稳定性的主要特征值。

研究区地形地貌类型简单、地势总体比较平坦且起伏不大,地基空间分布和物理力学性质并不复杂,其岩体、土体类型也比较简单,无复杂地下水或渗流的情况,但场地仍存在一些特殊性岩土、隐伏的破碎或断裂带分布,新建建构筑物极有可能引发地质灾害,造成地基破坏失稳等不良地质作用发生。在岩溶地区因建构筑物诱发的地质灾害类型主要体现为岩溶崩塌、岩溶滑坡、岩溶区地面塌陷、岩溶区地面沉降等,因此对岩溶地区的主要建构筑物地基稳定性进行评价极其必要。

1 岩溶分布及发育

1.1 岩溶分布

研究区位于深圳市坪山区坪山中心区西南部,碧岭工业片区北部,西起石峡山路,东至沙湖路,南至金碧路,北至山体坡脚,全长约4.65 km,面积约838 123 m2,可由高速公路转金碧路直达,交通便捷。项目位置详见图1。工作区原始地貌属构造剥蚀丘陵、丘间洼地及河谷冲洪积地貌。研究区内民房和厂房林立,工作区北侧丘陵山脊绵延,植被较茂盛,部分厂区边坡坡面裸露;研究区为开阔地带,民房、厂房林立,场地总体地势为北高南低较平坦,地形地貌条件简单。根据1∶50 000宝安幅、蛇口幅、深圳市幅、王母圩幅区域地质调查报告可知,研究区位于惠阳凹陷南部、五华—深圳断裂带的南东盘、屯洋岩体北缘外接触带上;矿区出露地层有泥盆系(D)、石炭系(C)及第四系(Q);受深圳—五华(莲花山)区域动热变质带及燕山期岩浆活动的影响,产生不同程度的变质;根据调查及有关资料研判,场地在区域构造上处于坪山背斜北侧和横岗—罗湖断裂组南侧,断裂构造相对不发育。研究区地处南亚热带,具有明显的海洋性季风气候特征,全年气候温暖湿润,在夏季多东南风,冬季多西北风,台风频繁多发,每年5～12月为台风多发季节且以6～10月最多,尤以7～9月为频发期,台风可带来较多降雨,台风期年平均降雨量可达688 mm,台风期最大降雨量为1 657 mm(1964年)。

图1 项目交通位置图

据高密度电法物探成果显示:沿测线基岩面埋深变化趋势较大,埋深最小达5 m,埋深最大大于30 m。基岩埋深的总趋势为中部浅、两端深,与现场地貌相关性较好。邻近金碧路,局部基岩面呈现剧烈起伏状。在推断的灰岩区段内,除南端基岩面总体埋深大于30 m外,其他段落基岩面埋深在3～18 m不等,局部呈现岛状突起,局部存在不连续的高阻体,对此,首先推断为溶洞顶岩石,不连续现象推断为局部溶穿所致。

工区地处碧岭,属于河谷平原的西北侧,临近山体一侧,属于边缘过渡地带,根据1∶50 000区域地质图,以金碧路为界,南侧存在覆盖性岩溶, 覆盖层上部为第四系冲洪积粉质黏土,工区处于金碧路北侧,勘探钻孔显示,穿过测水组才能见到大理岩及岩溶,其埋藏深度为20～31 m,但根据物探结果(图2),在超群路段存在埋深较浅的岛状灰岩地层。

图2 碧岭办事处华清眼镜厂、海壳厂片区超群路高密度电法成果图

1.2 岩溶发育程度

据本研究区相邻区域工程场地岩土工程勘察资料,灰岩地层钻孔见溶洞率为40%～80%,溶洞高度一般为0.5～3.0 m。有些灰岩地层溶洞可分层且一般可分为3、4、5三个层级,灰岩地层的上部溶洞大多呈开口型且多被冲洪积(坡洪积)含碎石粉质黏土充填,本地层上部可能属溶沟或溶槽堆积层。灰岩地层的下部溶洞较小且多呈闭合型,溶洞浅部多为半充填,溶洞深部多为无充填。因沿断裂带溶洞发育的缘故,在溶洞和溶蚀裂隙中赋存较为丰富的岩溶裂隙水,岩溶裂隙水连通性好且与地表水密切联系。

在工作区高密度电法物探测试推断的灰岩区内,从电性指标来看,基岩面上覆总体分为两层。其中与基岩顶面相接触的地层电阻率相对低,并存在多处圈闭性低阻区,最低电阻率值小于1 Ω·m,远远低于地下水的正常电阻率值,推测为矿化度较高、导电粒子丰富的低阻体,不排除为溶洞、土洞内的低阻充填物的可能。

2 地基稳定性验算方法

2.1 圆弧滑动(移动)条分法

地基在建建构筑物时,均匀地基不能准确确定最危险滑动面时,通常采用极限平衡理论的圆弧滑动条分法进行处理。应满足下式要求:

FS≤MR/MS

(1)

式中:MR为抗滑移力矩,kN·m;MS为滑移力矩,kN·m;F为抗滑安全稳定系数当量。当建构筑物地基滑动面为圆弧时,我们可以取1.2为安全稳定系数;当滑动面为平面时,可以取1.3为安全稳定系数。

2.2 抗水平滑动(移动)验算法

地基在建建构筑物时,对于承受较大水平推力、地基可能发生侧向滑动(移动)的建构筑物,应满足下式要求:

FS≤E/H

(2)

式中:E为水平滑动(移动)抗力,kN;H为作用于基础底面的水平推力,kN;FS为抗滑安全稳定系数当量。当滑动面为圆弧时,可以取1.2～1.3为抗滑安全稳定系数。

3 地基承载力特征值

岩溶地区建构筑物地基稳定性分析与评价表现在承载力问题上,其实质就是验算岩溶地区地基极限承载能力是否满足在建建构筑物承载力要求。由于采用地基承载力特征值fak影响岩溶地区建构筑物地基承载力特征值的因素较多,岩溶地区建构筑物地基承载力不仅与地基的形成条件和性质密切相关,且与在建建构筑物基础的荷载大小、结构类型及施工深度等因素紧密联系。

结合相邻钻孔室内土工试验成果和标准贯入试验等原位测试成果,按相关手册和规范结合地质勘察与建设经验,结合工作区建筑物结构、基础形式及地基岩土层的调查情况,工区主要建构物能够满足地基承载力特征值,可以探明研究区内建筑物地基基础稳定性较好,未发现明显地基失稳及破坏情况,地基基本能满足规范要求。具体结论见表2。

4 地基变形及基础的埋置深度

研究发现,岩溶地区建构筑物因地基问题引起的破坏可分为两类:一类是因岩溶地区建构筑物地基外荷作用过大而产生压缩变形从而引起过大的沉降量或沉降差,使结构倾斜、开裂毁坏;另一类是因岩溶地区建构筑物地基荷载过大超过了持力层承受力,使得地基产生滑动破坏变形。由此,在确定岩溶地区建构筑物地基承载力时,应保证建筑物强度、稳定性、沉降量及不均匀沉降符合岩溶地区建构筑物地基承载力要求。

岩溶地区建构筑物的地基变形计算值,不应大于岩溶地区建构筑物地基允许变形值。研究区内岩溶地区建构筑物地基基础稳定性较好,未发现明显地基失稳及破坏情况,地基基本满足规范要求,具体结论见表1。

表1 主要建构筑物及地基稳定性评价表

经过调查,在新恒利眼镜厂食堂墙体、华清眼镜厂办公楼出现水平裂缝是由于地基填土不均匀沉降,出现地基变形所致,这两栋建筑物的变形是否影响使用,应由结构鉴定专业单位确定。

表2 建筑物及地基稳定性分析评价表

根据工作区地质勘察,人工填土厚度较小,基础持力层埋深较浅,对基础施工非常便利。从现场调查来看,除少量围墙出现变形裂缝外,工作区工业厂房及民用建筑物未见明显的变形及不稳定的现象。局部人工填土经过多年的固结沉降,目前不会影响建筑物主体结构的稳定性,其基础的埋置深度未见异常。

5 结论与建议

(1) 地质勘察显示,工区西侧,石峡路口—超群路岩溶较发育,应当引起重视。岩溶埋深较大,超过20 m埋深,属于埋藏型,对天然浅基为主的建筑物安全影响小。但是,如果片区后续开发过程中设计深基础时,一定要考虑灰岩的岩溶发育等问题的影响。

(2) 研究区以人工填土层、第四系冲洪积层、坡洪积层、残积层及石炭系下统片岩、大理岩、板岩等地层为主,上覆地层中杂填土①1、素填土①2、耕土②、淤泥质粉质黏土③1等地层工程性质较差,未经处理不宜直接作为浅基础的持力层,其余地层相对于现存的多层建构筑物来说工程性质相对较好,可作为多层建筑物基础持力层,具有良好的地基承载力。

(3) 物探显示工区西侧局部存在土洞隐患,埋深较深。场地勘察揭露的石炭纪石蹬子组大理岩分布于石峡路至超群路之间,大理岩埋深26.5～32.30 m,属于覆盖性岩溶;超群路以东以测水组板岩为主,未揭示可溶性岩石,也未见土洞,除起石峡路钻孔揭示局部有零星分布的土洞、溶洞外,而土洞、溶洞埋深相对较深,对工区地基影响小,场地工作区地基相对于多层建(构)筑物来说总体稳定较好,但是,如果片区后续开发过程中设计深基础时,一定要考虑灰岩的岩溶发育和土洞分布等问题的影响。