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岩溶区溶洞及土洞对建筑地基影响的研究

刘之葵  
【摘要】:岩溶区的溶洞、土洞及其产生的塌陷越来越受到人们的关注。目前对它们的研究多集中在岩溶塌陷的发育机制及预防等方面,且定性评价多于定量评价,在岩溶地基处理方面的理论研究还不够成熟和完善。本文在野外调查的基础上,运用弹塑性理论、极限平衡理论、岩土力学理论、地下水动力学理论、土工试验等研究方法和手段,对岩溶区溶洞和土洞地基的稳定性、地基承载力、地基沉降变形及岩溶地基处理等方面进行了较为的系统的研究。取得了以下认识和成果: 1.对溶洞和土洞的发育机制进行了分析。质纯层厚的石灰岩中较易发育溶洞。地质构造(褶皱、断裂)的性质、规模,对溶洞的发育起着重要的控制作用。岩溶区地下水或地表水的活动,将对土层产生潜蚀作用及崩解作用,进而形成土洞。此外,地下水位的变化,将使土洞周围土体的应力状态进一步发生改变,并有可能导致土洞周围土体产生塑性破坏,使土洞进一步发育扩大甚至塌陷。 2.地质构造、结构面、岩层、洞体形态、地下水等,是定性评价含溶洞岩石地基稳定性的重要因素。首次运用弹塑性理论推求了含溶洞岩石地基稳定性理论计算公式。分析表明:减小基础底面尺寸、增大基底至溶洞顶板的距离,可增加地基的稳定性;洞体直径(跨度)和洞体形状对地基稳定性影响很大,溶洞直径(跨度)越小,对稳定性越有利;椭圆形溶洞的竖直轴与水平轴之比越小,溶洞越不稳定:地下水产生的“真空吸蚀作用”对溶洞地基稳定性影响很小;洞内充填物对地基稳定的作用不明显。对已塌陷溶洞地基和含软弱结构面溶洞地基的稳定性进行了计算评价。分析表明,有些含溶洞岩石即使符合《岩土工程勘察规范》GB50021-2001第5.1.10条第二款或《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002的第6.5.4条的有关规定,认为可不考虑溶洞对地基稳定性的影响,也还应该定量计算判别溶洞地基的稳定性。 3.地下水或地表水活动是影响土洞地基稳定性最重要的因素。首次运用极限平衡理论、弹塑性理论及莫尔—库仑屈服准则,对土洞地基的稳定性进行了分析评价。地下水位发生变化,将使土洞周围土体的应力状态产生显著改变,并有可能最终导致地基破坏或失稳。分析表明,有些土洞地基,即使符合《岩土工程勘察规范》GB50021-2001的第5.1.10条第一款或《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002第 6.5.2条的有关规定,认为可不考虑岩溶稳定性的不利影响,也还应 该对土洞地基进行定量计算判别,尤其是存在地下水时,更应引起重 视。 4.土体的抗剪强度指标c、必值,是定量计算土洞地基稳定性最 关键的参数。固结排水条件不同,土体的。、p值不同,提出了不同 的土层需采用不同的固结排水条件抗剪强度试验结果。 5.在人工抽水过程中,抽水量越大、距抽水井越近,越可能产生 土洞塌陷。分析表明:在砂土层中,抽水持续时间越长,地下水潜蚀 作用越强,越有可能产生土洞塌陷;在粘性土层中,避免间歇性反复 频繁抽水及适当减少抽水初期的抽水量,有利于减少土洞塌陷的发 生。 6.提出了岩溶地基小范围塌陷土层中的应力和沉降计算,不能按 常规的方法(《建筑地基基础设计规范》GBSOO07一2002第5.3中的方 法)进行计算,进而推求出塌陷土体的沉降计算和软弱下卧层验算的 方法和公式。 7.推求了岩溶地基承载力和土洞地基沉降变形的计算方法或公 式。岩溶地基中存在的溶洞和土洞,将降低原有地基的承载力。一般 土层中发育的土洞对地基变形的影响相对较小;而在软流塑粘性土中 发育的土洞,引起地基变形则显著。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 些敏感结构建筑物的开裂。 8.首次推求了梁板跨越处理岩溶塌陷时的地基极限承载力。研究 表明,若采用梁或板跨越处理措施,塌陷体土层的极限承载力及其抗 剪强度对周围未塌陷地基土的极限承载力起关键作用。梁或板跨越处 理时,其地基的极限承载力不同;对塌陷体进行适当的夯实(或挤密), 可提高梁跨越处理时地基土的极限承载力,而对板跨越时地基土极限 承载力提高不大。 9.利用灌浆过程中的浆液扩散的规律和理论,推求出灌浆过程中 的临界最小灌浆压力和最大灌浆压力计算方法和公式。 10.首次推求了调整柱距法处理岩溶地基时柱距距离的确定计算 公式和方法。分析计算表明,地下水位上升不利于地基的稳定性。


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