曹賢發(fā)，劉之葵，李海玲

(1.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西桂林 541004;2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林 541004;)

強溶蝕帶是碳酸鹽巖場地巖面起伏和洞隙發(fā)育的主要深度范圍，其巖體溶蝕程度較高［1］，屬于典型的土-巖組合地基。強溶蝕帶厚度越大，溶洞、溶溝、溶槽、石芽等巖溶形態(tài)越發(fā)育，其巖面不連續(xù)起伏越劇烈，巖體完整性越差和地基穩(wěn)定性也越差。將強溶蝕帶作為不良地質(zhì)夾層從巖溶地基中單獨劃分出來，能反映場地巖溶發(fā)育的主要深度范圍和巖溶地基處理難度，這對建筑地基巖溶問題的處置具有積極的工程實際意義。

巖溶發(fā)育程度分級［2～4］是目前巖溶地基溶蝕特征分析的主要方法。研究表明，在以碳酸鹽巖為主的較大區(qū)域范圍內(nèi)的巖溶場地，巖溶發(fā)育程度具有隨深度增加而減弱的規(guī)律［5～9］。曹賢發(fā)等指出巖溶建筑地基溶蝕程度具有隨深度呈指數(shù)衰減的規(guī)律［10］，進(jìn)而提出了相應(yīng)的定量分析理論和方法［11］?？梢?，盡管強溶蝕帶仍未提出合理的劃分方法，但現(xiàn)有理論研究成果和工程實踐經(jīng)驗已為該問題的解決奠定了良好的研究基礎(chǔ)。

本文結(jié)合工程實踐將強溶蝕帶作為獨立的不良地層從巖溶地基中劃分出來，提出了強溶蝕帶劃分方法和建議標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合具體的工程案例對其方法的先進(jìn)合理性進(jìn)行了論證。

1 強溶蝕帶地層參數(shù)

將強溶蝕帶定義為巖溶地基的一個獨立地層后，巖溶地基可視為土層—強溶蝕帶—較完整巖層的三元結(jié)構(gòu)(圖1)。當(dāng)場地沒有上覆土層時，則為強溶蝕帶—較完整巖層的二元結(jié)構(gòu)。

圖1 巖溶地基結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of karst ground structure

根據(jù)圖1，強溶蝕帶各地層參數(shù)的相互關(guān)系見式(1)～(3)。

式中:hs——強溶蝕帶上覆土層厚度;

hr——強溶蝕帶層底深度;

H'cr——強溶蝕帶上界高程;

Hcr——強溶蝕帶下界高程;

H0——地基起算高程，一般取淺基礎(chǔ)基底高程，如樁基礎(chǔ)則建議采用樁基施工前的場地整平高程;

△hr——強溶蝕帶厚度。

2 強溶蝕帶界限確定

強溶蝕帶上界高程H'cr及下界高程Hcr是劃分強溶蝕帶界限的基本參數(shù)，而溶蝕程度深度分布規(guī)律是確定這兩個參數(shù)的主要依據(jù)。文獻(xiàn)［11］定義的溶蝕率同時考慮了巖面溶蝕和洞隙溶蝕情況，通過高程離散處理可統(tǒng)計求得不同深度處的溶蝕率，進(jìn)而可確定場地的溶蝕率深度分布函數(shù)，該函數(shù)能合理刻畫巖溶地基的溶蝕程度深度(高程)分布規(guī)律，因而可作為強溶蝕帶界限高程的確定依據(jù)，該函數(shù)可表示為:

式中:r——深度為h的溶蝕率/(%);

r(h)——實測溶蝕率深度分布函數(shù);

H0——巖面深度的起算高程/(m)，一般參照場地勘察鉆孔揭露的巖面最大高程選取;

h——自高程H0起算的相對深度/(m)。

圖2為式(2)的實測溶蝕率的高程分布函數(shù)曲線。設(shè)高程H'cr對應(yīng)的強溶蝕帶上界溶蝕率為r'cr，高程Hcr對應(yīng)的強溶蝕帶下界溶蝕率為rcr，則在圖2中做垂線r=r'cr和r=rcr分別交溶蝕率深度分布曲線于點A和B，這兩點對應(yīng)的高程即分別為強溶蝕帶的上界高程和下界高程。

圖2 作圖法求強溶蝕帶界限示意圖Fig.2 Graphic method for the boundary of the intensity dissolution layer

目前，大部分學(xué)者認(rèn)為碳酸鹽巖場地的巖溶發(fā)育具有分層特征，事實上巖溶特征分層一般只有在巖層厚度較大的情況下才能反映出來。建筑工程涉及的巖溶深度十分有限，在占地面積較小的深度范圍內(nèi)，巖溶特征評價涉及的巖層厚度一般小于30 m，屬于淺層巖溶，因而其溶蝕率分布曲線往往表現(xiàn)為深度的遞減函數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)［10］～［11］研究結(jié)果，該溶蝕率可按下式擬合:

式中:a、b——擬合系數(shù)，其余符號意義同前。

溶蝕率擬合曲線刻畫的溶蝕程度深度分布規(guī)律在理論上較實測曲線更為合理，因此，當(dāng)場地實測溶蝕率可較好地擬合成式(3)的形式時，宜按式(4)計算確定其強溶蝕帶界限高程，反之強溶蝕帶界限高程應(yīng)按作圖法(圖2)確定。

根據(jù)課題研究階段收集的中國西南巖溶地區(qū)600余份場地(涉及建筑物1200余棟)的勘察資料分析，各場地溶蝕率一般可擬合成形式(3)的指數(shù)函數(shù)形式，由此推斷，按式(4)計算強溶蝕帶界限高程具有較好的適用性。

3 界限溶蝕率取值建議

rcr和r'cr是合理確定強溶蝕帶界限高程的關(guān)鍵參數(shù)，其取值應(yīng)和當(dāng)前巖溶地基處理技術(shù)水平相適應(yīng)。GB50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［2］規(guī)定:(1)對于地基設(shè)計等級為丙級的荷載較小的建筑物，當(dāng)基底以下垂直洞隙面積小于25%時，可不考慮巖溶對地基穩(wěn)定性的影響;(2)對地基穩(wěn)定性有影響的裂隙，若基底下洞隙面積不超過25%且充填物難以挖除時，可通過鋼筋混凝土板跨越或鉆孔樁穿越進(jìn)行處理;(3)當(dāng)線巖溶率為20%或遇洞率為30%時，場地應(yīng)判為強發(fā)育。另外，文獻(xiàn)［1］的研究結(jié)果指出，當(dāng)線巖溶率小于15%時，巖溶發(fā)育對巖溶地基的穩(wěn)定性影響較小;線巖溶率在15%～25%時，巖溶發(fā)育對地基穩(wěn)定性的影響為中等;線巖溶率大于25%時，巖溶發(fā)育對地基穩(wěn)定性的影響較大?？梢?，由于目前關(guān)于巖溶洞隙穩(wěn)定性分析已取得了豐富的研究成果，溶洞處理技術(shù)比較成熟。因此，現(xiàn)有巖溶地基處理技術(shù)水平已基本能滿足大部分溶洞處理的需求，少數(shù)溶洞發(fā)育對巖溶地基的工程造價影響不大。根據(jù)文獻(xiàn)［11］，在一定深度以下的溶蝕率代表的主要是該深度平面上的洞隙面積比，因此，結(jié)合GB50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［2］相關(guān)規(guī)定及文獻(xiàn)［1］的研究結(jié)果認(rèn)為，rcr取25%符合當(dāng)前巖溶處置水平。

強溶蝕帶底部洞隙面積比與其下的巖體完整性密切相關(guān)，而強溶蝕帶頂部的巖石面積比則與土層地基的均勻性密切相關(guān)。強溶蝕帶頂部巖層溶蝕程度越高，土層地基底部殘留的巖石面積越小，其地基越均勻。事實上，與溶洞處理相比，對土層地基底部殘留巖石的處理措施更加簡單。因此，強溶蝕帶上界溶蝕率可參照下界溶蝕率標(biāo)準(zhǔn)取值:下界溶蝕率按洞隙面積比為25%確定，上界溶蝕率則按殘留巖石的面積比為25%確定;根據(jù)溶蝕率定義可知，殘留巖石面積為25%時對應(yīng)的上界溶蝕率r'cr為:

將rcr=25%和r'cr=75%代入式(4)可得當(dāng)前巖溶處置技術(shù)水平下強溶蝕帶界限參數(shù)式，見式(6)?？梢姡陆缛芪g率可作為強溶蝕帶上、下界限高程確定的主要依據(jù)，因此本文將其定義為強溶蝕帶界限溶蝕率。

4 工程實例

4.1 工程概況

黔龍·陽光御園4#樓位于重慶市秀山縣濱江公園內(nèi)側(cè)，下伏基巖為寒武系下統(tǒng)龍王廟階清虛洞組七段石灰?guī)r(∈1q7)，采用鉆孔嵌巖灌注樁基礎(chǔ)，以中風(fēng)化灰?guī)r樁端持力層。該場地分別進(jìn)行詳細(xì)勘察和施工勘察，其勘察工作情況見表1。

表1 勘察工作一覽表Table 1 Summary of geotechnical engineering investigation

根據(jù)文獻(xiàn)［11］可得場地的溶蝕率深度分布曲線如圖3。從圖3可知，其實測曲線符合式(3)的函數(shù)曲線特征，其擬合結(jié)果見表2及圖3，擬合時的巖面起算高程H0取341 m，由此可求得該場地的強溶蝕帶地層參數(shù)，見表2。

圖3 溶蝕率高程分布曲線Fig.3 Elevation distribution curve of dissolution ratio

表2 強溶蝕帶界限參數(shù)表Table 2 Parameters for the boundary of the intensity dissolution layer

4.2 強溶蝕帶的層位穩(wěn)定性

強溶蝕帶屬于巖溶場地的一個特征地層，應(yīng)具有較好的層位穩(wěn)定性。也就是說，同一個場地在不同巖土工程勘察階段所確定的強溶蝕帶分布深度范圍應(yīng)相差不大。文獻(xiàn)［11］的研究表明，如果場地各勘察階段布置了足夠數(shù)量的鉆孔，那么在不同的勘察階段確定的溶蝕率曲線(r-h曲線)具有良好數(shù)值穩(wěn)定性。因此，以此為依據(jù)劃分的強溶蝕帶也具有良好的層位穩(wěn)定性。

由表2可知，黔龍·陽光御園4#樓場地在詳細(xì)勘察和施工勘察階段，其強溶蝕帶上界高程差為0.48 m，下界高程之差為0.08 m，強溶蝕帶厚度之差為0.5 m，這顯然與場地一般的穩(wěn)定地層統(tǒng)計誤差是一致的，這表明，巖溶建筑地基的強溶蝕帶具有較好的層位穩(wěn)定性，本文提出的強溶蝕帶劃分方法是合理的。

根據(jù)表1可知，黔龍·陽光御園4#樓在不同勘察階段確定的遇洞率值相差很大，絕對誤差高達(dá)33.79%，相對誤差高達(dá)127%，線巖溶率值絕對誤差為5.37%，相對誤差高達(dá)353%。根據(jù)這2個指標(biāo)確定的巖溶發(fā)育程度等級在詳細(xì)勘察階段和施工勘察階段分別為中等發(fā)育和強發(fā)育，其評價結(jié)果也相差較大，這種情況并非個例，這在目前的工程實踐十分常見?？梢?，同一場地在不同勘察階段的巖溶發(fā)育程度評價指標(biāo)及其結(jié)果差異較大，這給目前的巖溶地基處置帶來很大的不確定性。強溶蝕帶厚度直接反映了巖溶場地的巖溶發(fā)育程度和地基處理深度范圍，且其地層參數(shù)具有較好的地層穩(wěn)定性。因此，將其作為巖溶發(fā)育程度評價指標(biāo)具有明顯的先進(jìn)性和合理性。

4.3 界限溶蝕率取值的合理性

強溶蝕帶作為場地溶蝕程度最高的深度范圍，因而不宜直接作為基礎(chǔ)持力層。對于黔龍·陽光御園4#樓，強溶蝕帶不應(yīng)成為該場地樁基的主要持力層。根據(jù)該場地的樁基施工情況可得到其樁端持力層在不同高程的分布情況，見圖4。

圖4 樁端高程分布情況圖Fig.4 Elevation distribution of pile tip

根據(jù)圖4，僅2根樁樁端落在強溶蝕帶深度范圍內(nèi)，占總樁數(shù)的2.32%。這兩根樁分別為2#和68#樁，樁端高程分別為335.46 m、335.55 m，僅高出強溶蝕帶底部界限0.71～0.80 m，因此，可以認(rèn)為這2根樁處于強溶蝕帶底部界限附近的深度范圍。28根單樁的樁端落于Hcr以下5 m的深度范圍內(nèi)(高程330～334.75 m)，占總樁數(shù)的32.56%;36根單樁位于Hcr以下5～10 m的深度范圍(高程325～330 m)，占總樁數(shù)的41.86%。即樁端落于高程Hcr以下10 m深度范圍內(nèi)的單樁比例高達(dá)74.42%。可見，場地大部分單樁樁端均位于強溶蝕帶以下的深度范圍，而樁端位于高程Hcr以上的樁數(shù)較少，這表明本文方法確定的強溶蝕帶不宜直接作為樁基持力層，其下界限溶蝕率取rcr=25%符合當(dāng)前巖溶地基的處置水平。

5 結(jié)論

(1)強溶蝕帶是巖溶地基中巖體溶蝕程度最高的深度范圍，未經(jīng)處理不宜直接作為巖溶地基的主要持力層，其分布界限高程可由溶蝕率深度分布曲線確定。

(2)在保證場地各勘察階段具有足夠的鉆孔數(shù)量的前提下，同一場地在不同勘察階段確定的強溶蝕帶分布范圍基本一致，這表明強溶蝕帶具有較好的層位穩(wěn)定性，將其作為巖溶發(fā)育程度評價指標(biāo)具有明顯的先進(jìn)性和合理性。

(3)工程案例表明，按下界溶蝕率rcr=25%確定的強溶蝕帶下界限高程Hcr，能保證大部分嵌巖樁樁端位于高程Hcr以下，只有少數(shù)單樁持力層位于高程Hcr以上，這表明下界溶蝕率rcr=25%是符合當(dāng)前的巖溶地基處置水平。

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