唐合崗 常婷 梁林森 李小明

【摘 ?要】在巖溶發(fā)育地區(qū)工程項目建設(shè)過程中，尤其是建設(shè)房屋建筑、橋梁、道路時，進行建筑樁基礎(chǔ)或橋基、路基等施工前，必須要考慮對工程項目地基范圍內(nèi)影響工程安全可靠性的溶洞的處理，否則會出現(xiàn)基礎(chǔ)下沉、開裂、塌陷等工程質(zhì)量安全問題，對建筑物或構(gòu)筑物的穩(wěn)定性造成不良影響，直接影響到工程項目的安全性及使用壽命。本文研究了常見的溶洞頂板穩(wěn)定性分析方法，包括定性方法、半定性方法和定量方法，指出了每種方法的特點、適用條件和使用方法，以便在巖溶區(qū)工程項目建設(shè)過程中根據(jù)需要及使用要求進行選擇分析，對項目各巖溶溶洞頂板情況給出客觀合理的分析結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】巖溶區(qū);建設(shè)工程;溶洞頂板;穩(wěn)定性分析

1.溶洞頂板穩(wěn)定性分析的定性方法

利用定性分析法進行溶洞頂板的穩(wěn)定性分析，主要是依據(jù)工程項目建設(shè)經(jīng)驗，適用于對基礎(chǔ)穩(wěn)定性要求不高的工程項目。定性分析方法對溶洞頂板穩(wěn)定性的分析，主要是依據(jù)巖溶外觀形態(tài)、溶洞頂板厚度及與洞體的洞涇比值大小、溶洞充填情況、當?shù)氐刭|(zhì)勘探資料中關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、強度及與受力方向與巖層走向和裂隙發(fā)育相對關(guān)系、待建建筑物載荷的大小、抗震設(shè)防要求等進行綜合研判，給出各條件下巖溶對穩(wěn)定是否有利，巖溶頂板是否可以承載建筑物基礎(chǔ)的通用、粗略結(jié)論。

對溶洞頂板穩(wěn)定性進行定性分析時，可以根據(jù)常識性經(jīng)驗做出是否有利于待建工程基礎(chǔ)施工的初步判斷，例如，當基礎(chǔ)底面以下土層厚度大于3倍單獨基礎(chǔ)寬度或者6倍條形基礎(chǔ)寬度、且不具備形成土洞或者其他地面變形條件時，溶洞頂板穩(wěn)定性滿足一般工程項目基礎(chǔ)施工條件[3]，可以在其上進行工程項目建設(shè)施工。

實際使用過程中可以首先使用這種定性分析方法對整個場地或單個區(qū)域進行總體性分析評價，也可以對單個巖溶溶洞進行分析評價，可在定性分析基礎(chǔ)上對分析評價不利的情況可再進行詳細的定量分析，對于重大項目，僅使用本方法過于依賴往常施工經(jīng)驗，判斷出來的結(jié)果只能提供可行性建議，并不能作為施工的準確依據(jù)，可以作為定量分析法的有效補充。重大工程項目需結(jié)合半定性及定量法進行詳細分析。

2.溶洞頂板穩(wěn)定性分析的半定性方法

半定性分析方法屬于定性分析方法與定量分析方法的融合，主要是依據(jù)工程經(jīng)驗對溶洞頂板的穩(wěn)定性特征進行觀察和研判，在此基礎(chǔ)上找出影響穩(wěn)定性的風險因素，依據(jù)這些風險因素將溶洞頂板劃分為完整頂板和非完整頂板兩部分，然后利用近似計算的方法給出頂板穩(wěn)定性的判斷結(jié)論[4]。一般來說，常用的半定性分析法主要有以下幾種。

2.1 荷載傳遞線交匯法

傳統(tǒng)認為影響溶洞頂板穩(wěn)定性的風險因素，主要可以歸納為頂板完整程度、頂板空間布局（水平或傾斜）、頂板可見厚度以及溶洞的跨度。利用荷載傳遞線交匯法進行穩(wěn)定性判斷時，首先觀察頂板的空間布局，確定是水平分布還是傾斜分布，然后確定頂板的垂直中線，根據(jù)其上建筑物的重量分布粗略估計出建筑物的荷載中心線，利用測角儀器簡單對荷載中心線和頂板垂直中線的角度進行測量，最后根據(jù)測量結(jié)果給出穩(wěn)定性判斷結(jié)果：當荷載中心線和頂板垂直中線的夾角大于30°時，可以認為溶洞頂板穩(wěn)定性不能滿足使用要求，否則可以滿足要求[5]。

2.2 厚跨比法

根據(jù)風險因素對溶洞頂板進行完整和非完整性劃分，主要是依據(jù)風險因素的綜合效應(yīng)，即某一區(qū)域頂板傾斜、厚度較薄、跨度較大時，往往認為是非完整性頂板，否則即是完整性頂板。對于完整性頂板的穩(wěn)定性分析，可以利用厚跨比法進行。利用厚度測量設(shè)備測量溶洞頂板的厚度以及建筑物跨越溶洞的長度，當兩者的比值大于1/2時，可以認為頂板穩(wěn)定性是符合要求，也就是在其上進行建筑物建設(shè)是安全的，否則即是不安全的。

3.溶洞頂板穩(wěn)定性分析的定量方法

定量方法是較精確的分析方法，能夠給出溶洞頂板穩(wěn)定性是否符合建設(shè)要求的最終結(jié)論，常作為工程設(shè)計的重要依據(jù)使用。當前有很多適用于溶洞頂板穩(wěn)定性分析的定量方法，如數(shù)據(jù)不甚十分精確的情況下，最主要可需采集到巖溶溶洞頂板及洞體的豎向形態(tài)數(shù)據(jù)，可以使用經(jīng)驗公式法分析，如使用《工程地質(zhì)手冊》（第四版）中巖溶頂板塌陷自行填塞洞體所需的厚度H的計算公式法（《工程地質(zhì)手冊》（第四版）公式6-1-1）[6]。如有更詳細的力學指標和結(jié)構(gòu)形態(tài)及水平方向數(shù)據(jù)等情況下，可根據(jù)受力情況進行單元力學分析進行溶洞頂板的穩(wěn)定性分析等，如《工程地質(zhì)手冊》（第四版）根據(jù)抗彎、抗剪驗算結(jié)果評價洞室穩(wěn)定性及頂板能抵抗受荷載剪切的厚度計算等（《工程地質(zhì)手冊》（第四版）公式6-1-9）等。

在有詳細的力學指標和結(jié)構(gòu)形態(tài)及水平方向數(shù)據(jù)等情況下，利用三維有限單元法結(jié)合溶洞頂板的受力情況，也可采取如下建立有限元模型進行溶洞頂板的穩(wěn)定性分析的更精確的方法。

3.1 建立受力計算模型

根據(jù)風險因素分析對溶洞頂板進行完整區(qū)域和非完整區(qū)域劃分。進行區(qū)域劃分時，風險因素的分類仍沿用半定性分析法中的方法，但是需要具體的測量結(jié)果做支撐。在對頂板傾斜角度、厚度進行測量的基礎(chǔ)上，對建筑物的荷載力進行計算，在計算機中構(gòu)建建筑物的BIM模型，通過三維建模的方法對其施加在溶洞頂板上的載荷力進行計算，同時需要考慮到巖土層豎向的自重應(yīng)力。

3.2 結(jié)合巖石特性做出穩(wěn)定性判斷

巖石的承力水平是由其內(nèi)部特性決定的，水的長期浸泡必然會造成巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而導致承力能力下降。在對溶洞頂板進行有限元網(wǎng)格劃分并計算出單元應(yīng)力大小之后，可以根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果中巖石的結(jié)構(gòu)特點，做出穩(wěn)定性判斷結(jié)論。一般來說，當區(qū)域單元應(yīng)力值大于巖石承力水平時，表示該段溶洞頂板不穩(wěn)定，不利于建設(shè)相應(yīng)承載力的建筑物;當區(qū)域單元應(yīng)力值小于巖石承力水平時，表示該段溶洞頂板穩(wěn)定，可以用于建設(shè)相應(yīng)承載力的建筑物。

4.結(jié)論

巖溶地質(zhì)地貌在我國防范分布，尤其是在西南地區(qū)較為常見。在巖溶地區(qū)進行工程項目建設(shè)時，需要對溶洞頂板的穩(wěn)定性進行分析，根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果決定是否可以進行建筑物的建設(shè)。本文總結(jié)了常見的溶洞頂板穩(wěn)定性分析方法，包括定性方法、半定性方法和定量方法，每種方法具有不同的適用性，在工程項目建設(shè)過程中需要根據(jù)使用要求進行選擇;很多單位利用定量方法進行溶洞頂板穩(wěn)定性分析時，都會進行復雜的受力計算，但是基本步驟依然是圍繞“建立受力計算模型、進行有限元網(wǎng)格劃分和受力計算、結(jié)合巖石特性做出穩(wěn)定性判斷”進行的。在實際項目使用中，每種方法都需要采集到真實可靠的依據(jù)數(shù)據(jù)，后續(xù)研究中，根據(jù)具體能采集到的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可對每一步驟的計算過程進行改進和擴展，提高穩(wěn)定性分析結(jié)果的可信度。

參考文獻：

[1]趙明華，張銳，胡柏學，等. 巖溶區(qū)樁端下伏溶洞頂板穩(wěn)定性分析研究[J]. 公路交通科技，2009，26（9）：21-22.

[2]張成良，劉維正，曾奕珺. 基于尖點突變理論的路基下伏溶洞頂板穩(wěn)定性分析[J]. 公路交通科技，2019（11）：1-4.

[3]工程地質(zhì)手冊編寫委員會.工程地質(zhì)手冊（第四版）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007