云南煉廠巖溶地基穩(wěn)定性分析

周丁恒

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京102600

云南煉廠巖溶地基穩(wěn)定性分析

周丁恒

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京102600

巖溶地區(qū)地基穩(wěn)定性是工程建設(shè)中關(guān)鍵性問(wèn)題，依托中石油云南1 000萬(wàn)t/a煉油項(xiàng)目，對(duì)場(chǎng)地巖溶分布特征和充填物特性進(jìn)行了詳細(xì)分析與總結(jié)。結(jié)合場(chǎng)地巖溶洞隙發(fā)育規(guī)律和特征，將巖溶洞隙按跨度和頂板厚度進(jìn)行分類，從中選取15個(gè)具有代表性溶洞建立天然基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)2種工況的三維有限差分模型，分析不同級(jí)別荷載作用下巖溶地基穩(wěn)定性。研究結(jié)論：擬建場(chǎng)地巖溶發(fā)育最大特征是層狀或垂直串珠狀分布，該巖溶發(fā)育特征是一種持久性潛伏巖溶地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)工程建設(shè)具有較大的潛在隱患；半定量公式計(jì)算揭示場(chǎng)地巖溶地基對(duì)工程建設(shè)存在較大危害，其中板梁模型與其他5種方法差異較大；巖溶地基三維數(shù)值模擬結(jié)果可為工程建設(shè)提供重要依據(jù)。結(jié)論以期為類似工程地質(zhì)條件地基處理提供借鑒與參考。

云南地區(qū)；巖溶地基；溶洞；分布特征；穩(wěn)定性分析

巖溶地區(qū)地基穩(wěn)定性是工程建設(shè)中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一，目前評(píng)判地基穩(wěn)定性的方法主要有半定量經(jīng)驗(yàn)法、不確定分析法及數(shù)值分析法等。近年來(lái)，關(guān)于巖溶地基穩(wěn)定性的研究主要有：符策簡(jiǎn)[1]基于有限元預(yù)測(cè)橋基下溶洞及頂板的變形規(guī)律，采用鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)在施工荷載施加過(guò)程中對(duì)溶洞及頂板巖體的變形實(shí)施監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的合理性；韓紅艷等[2]通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)簡(jiǎn)化計(jì)算，半定量分析巖溶地區(qū)公路路基隱伏巖溶穩(wěn)定性，得到穩(wěn)定性和溶洞頂板、跨度和覆蓋層厚度之間的關(guān)系；張俊萌等[3]模擬了地基土體在溶洞不斷擴(kuò)大過(guò)程中漸進(jìn)塑性變形及位移場(chǎng)特性，并以無(wú)溶洞時(shí)地基極限承載力為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置5個(gè)不同樁端載荷等級(jí)，對(duì)比分析荷載等級(jí)和溶洞發(fā)育對(duì)圍巖穩(wěn)定性的耦合影響，總結(jié)了溶洞發(fā)育過(guò)程中頂板的破壞模式和機(jī)理；戴自航等[4]采用有限元軟件ABAQUS對(duì)某室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了三維有限元法進(jìn)行洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的可靠性；尚義敏等[5]基于數(shù)值模擬分析得出了變電站地基各個(gè)鉆孔點(diǎn)巖溶頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，并結(jié)合相關(guān)地質(zhì)條件提出了相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)施工處理措施和防治對(duì)策；王良川[6]建立了巖溶區(qū)路基下伏溶洞有限元模型，利用數(shù)值模擬方法分析了公路一級(jí)車道荷載作用、地下水影響以及采用碎石填充溶洞等3種工況下巖溶路基中附加應(yīng)力分布及變形規(guī)律；陳洪凱等[7]對(duì)36個(gè)不同尺寸的洞穴模型進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了關(guān)于地表拉壓應(yīng)力區(qū)范圍的線性擬合公式，再依據(jù)地表壓應(yīng)力區(qū)范圍和洞穴跨徑大小將其分為Ⅰ型和Ⅱ型洞穴，對(duì)塌落體周界水平應(yīng)力分布進(jìn)行了修正，采用極限平衡理論得到了巖溶洞穴蓋層塌落體穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算式；此外，還有部分文獻(xiàn)[8-11]對(duì)數(shù)學(xué)方法如未確知測(cè)度理論在巖溶地基穩(wěn)定性中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

本文依托中石油云南1 000萬(wàn)t/a煉油項(xiàng)目，對(duì)場(chǎng)地巖溶分布特征和充填物特性進(jìn)行了詳細(xì)分析與總結(jié)。結(jié)合場(chǎng)地巖溶洞隙發(fā)育規(guī)律和特征，將巖溶洞隙按跨度和頂板厚度進(jìn)行分類，從中選取15個(gè)具有代表性溶洞建立天然基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)2種工況的三維有限差分模型，分析不同級(jí)別荷載作用下巖溶地基穩(wěn)定性，得到了一些結(jié)論，以期為類似工程地質(zhì)條件地基處理提供借鑒。

1 場(chǎng)地巖溶分布特征

1.1 場(chǎng)地巖溶分布特征

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告等相關(guān)報(bào)告內(nèi)容，場(chǎng)地巖溶發(fā)育位于其東部，主要發(fā)育層位為泥盆系中上統(tǒng)（D2+3）。巖溶勘察中共布置巖溶勘察鉆孔821個(gè)，其中揭示溶洞鉆孔為250個(gè)，見(jiàn)洞率為30.4%，整個(gè)勘察區(qū)屬巖溶發(fā)育區(qū)。將整個(gè)巖溶勘察區(qū)分為7個(gè)巖溶發(fā)育區(qū)，巖溶勘察區(qū)溶洞具體分布情況列于表1中。

表1 巖溶勘察區(qū)溶洞分布情況

建筑區(qū)域?yàn)閷訝顜r溶的強(qiáng)發(fā)育區(qū)，地下溶洞層數(shù)分布情況如圖1所示，溶洞間最大巖層厚度為8.9 m，最薄僅有0.1 m。尤其是發(fā)育十層以上的溶洞，洞間層厚多在幾十厘米左右，最厚間距為3.2 m。

鉆孔中的層狀溶洞，具有第一層向下伏第二層、第三層、第四層或更深層呈垂直串珠狀發(fā)育的特征。這種現(xiàn)象顯示，在一個(gè)強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)，出現(xiàn)如此多個(gè)多層狀發(fā)育的溶洞，是一種具有持久性的潛伏巖溶地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)工程建設(shè)具有較大的安全隱患。

1.2 溶洞充填特征

根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)分析，勘察區(qū)內(nèi)溶洞充填物有四種類型：無(wú)充填的空洞、粉土夾粉砂、粉質(zhì)黏土和碎石土。4種溶洞填充物類型所占比例見(jiàn)圖2，絕大部分溶洞被粉質(zhì)黏土充填或者為空洞，7個(gè)巖溶發(fā)育區(qū)溶洞充填情況如圖3所示。

圖1 場(chǎng)地地下溶洞層數(shù)分布

圖2 溶洞充填物占比

圖3 7個(gè)巖溶發(fā)育區(qū)溶洞充填情況

整個(gè)巖溶勘察區(qū)內(nèi)，溶洞充填物的類型沒(méi)有明顯的分帶性，主要原因?yàn)樵搮^(qū)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，出現(xiàn)反復(fù)的地殼整體升降，致使該地區(qū)曾經(jīng)歷過(guò)洞隙滲流帶、溶洞潛流帶和溶洞緩流帶的反復(fù)變化，可認(rèn)為該區(qū)發(fā)育過(guò)多期次的巖溶。此外，在勘察過(guò)程中發(fā)現(xiàn)不同類型的充填物在同一個(gè)溶洞共存的情況，也揭示了本區(qū)巖溶發(fā)育經(jīng)歷了不同期次的反復(fù)變化。

2 半定量方法分析

溶洞穩(wěn)定性驗(yàn)算方法較多，本文采用頂板抗彎強(qiáng)度評(píng)價(jià)法、頂板抗剪強(qiáng)度評(píng)價(jià)法、塌落拱理論法、類比法、單跨梁模型和板梁模型6種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算分析溶洞穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。6種方法得出不穩(wěn)定溶洞占250個(gè)鉆孔遇見(jiàn)溶洞的比例分別為48.8%、44.4%、56.4%、64.0%、57.2%和17.2%，其中板梁模型與其他5種公式法計(jì)算結(jié)果差異較大。

圖4 溶洞穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

對(duì)于同一溶洞，只有6種方法計(jì)算結(jié)果均為穩(wěn)定時(shí)，該溶洞才可判定為穩(wěn)定。依此原則可推斷需要處理鉆孔數(shù)為163個(gè)，需要處理比例為65.2%，163個(gè)不穩(wěn)定溶洞鉆孔分布如圖5所示。初步判斷擬建云南煉廠場(chǎng)地巖溶發(fā)育強(qiáng)，其隱伏溶洞群規(guī)模較大，對(duì)擬建工程建設(shè)危害巨大。

3 三維數(shù)值分析

3.1 模擬軟件及方案

針對(duì)依托工程條件下巖溶地基穩(wěn)定性的三維數(shù)值分析，采用模擬軟件Flac3D，計(jì)算原理為三維有限差分法。

巖溶洞隙形成過(guò)程與人工開挖硐室區(qū)別在于自重應(yīng)力作用下的溶洞周邊的二次應(yīng)力集中不顯著，本次模擬過(guò)程設(shè)定為：一是以圍巖替代巖溶洞隙空間后計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)；二是得到初始應(yīng)力場(chǎng)后，將溶洞隙空間設(shè)為空（NULL），同時(shí)設(shè)初始位移場(chǎng)和初始速度場(chǎng)為0，再施加工程荷載，計(jì)算工程荷載引起的二次應(yīng)力場(chǎng)；三是將初始應(yīng)力場(chǎng)和工程荷載的二次應(yīng)力場(chǎng)疊加，得到巖溶洞隙圍巖的實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)；四是根據(jù)所得的實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

圖5 不穩(wěn)定溶洞分布

3.2 計(jì)算參數(shù)

勘察報(bào)告中的巖體參數(shù)僅有密度（2 700 kg/m3）和內(nèi)摩擦角（50°），其他的參數(shù)參考《昆明機(jī)場(chǎng)巖溶對(duì)地基穩(wěn)定性影響研究報(bào)告》中巖體物理力學(xué)指標(biāo)的建議值（該地區(qū)巖溶發(fā)育特征與依托工程較相近），計(jì)算參數(shù)列于表2中。

表2 巖體的物理力學(xué)參數(shù)建議值

3.3 計(jì)算模型

溶洞計(jì)算模型是根據(jù)勘探鉆孔資料所得出的地質(zhì)剖面圖，在假定其空間截面形態(tài)為圓形或橢圓形基礎(chǔ)上建立的。針對(duì)巖溶洞隙的形態(tài)特征，將其總結(jié)為“I”型溶洞、“T”型溶洞、“L”型溶洞、“Lc”型溶洞、“S”型溶洞、反“S”型溶洞、“Y”型溶洞和“腸”狀溶洞等基本類別。

根據(jù)溶洞追蹤孔揭示的斷面，由概化的基本類別組成相應(yīng)的計(jì)算模型。由于追蹤孔斷面數(shù)量有限，要建立確定性的三維溶洞形態(tài)特征和連接特征仍存在多解性，本次模型的建立主要根據(jù)已有的斷面，采用準(zhǔn)三維的方式來(lái)構(gòu)建計(jì)算模型。其理論依據(jù)是：溶洞的發(fā)育擴(kuò)展過(guò)程中，在一定的鄰域范圍內(nèi)，小溶洞往往被較大的溶洞“襲奪”而導(dǎo)致該鄰域范圍內(nèi)的溶洞以某一較大溶洞為主。以這種方式建立的計(jì)算模型與實(shí)際情況有一定差異，但計(jì)算模型仍反映了主要溶洞的三維形態(tài)特征。

結(jié)合場(chǎng)地巖溶洞隙發(fā)育規(guī)律和特征，在進(jìn)行溶洞穩(wěn)定性分析時(shí)，將巖溶洞隙的跨度和頂板厚度分類如表3和表4所示。

表3 巖溶洞隙跨度分類

表4 巖溶洞隙頂板厚度分類

按埋深分類中，本區(qū)僅有極個(gè)別小跨型溶洞，因此，選取代表性溶洞時(shí)，未對(duì)該類型的溶洞進(jìn)行選取。按上述方法對(duì)溶洞進(jìn)行分類后，再根據(jù)鉆孔剖面資料，從中選取了15個(gè)代表性溶洞進(jìn)行建模分析，基本情況如表5所示。

表5 代表性溶洞基本情況

由于篇幅原因，本文主要對(duì)模型7進(jìn)行分析，模型7所在地層剖面圖及計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 典型剖面圖及計(jì)算模型（模型7）

3.3.1 工程原型

模型7為3#區(qū)M96鉆孔揭露的溶洞，洞跨為9m，最頂層溶洞頂板厚度為1.5 m，屬大跨中厚層型溶洞；揭露溶洞層數(shù)為4層（剖面圖中將其概化成3層），埋深為18.5 m，上覆土層厚度約17 m，填土荷載為323 kPa，外加荷載為160 kPa。

3.3.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型將地基概化成兩種情況，一種是天然基礎(chǔ)，另一種是樁基礎(chǔ)。M96鉆孔（模型7所在鉆孔）揭露的溶洞計(jì)算模型如圖6（天然基礎(chǔ)）和圖7（樁基礎(chǔ)）所示。樁基礎(chǔ)的方形承臺(tái)，長(zhǎng)為8 m，寬為5 m，厚度為2 m；2根樁，樁徑為1.5 m，邊距分別為0.7 m和1.8 m，樁長(zhǎng)為15 m，樁間距為5 m；計(jì)算方案列于表6中（外加荷載按160 kPa的倍數(shù)來(lái)取值）。

圖7 M96鉆孔揭露溶洞樁基礎(chǔ)模型

3.4 穩(wěn)定性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

溶洞穩(wěn)定性的評(píng)判依據(jù)如下：

（1）當(dāng)溶洞頂板的底部、中部和頂部均不發(fā)生過(guò)大變形，破壞區(qū)面積很小，可判定為穩(wěn)定。不需處理，可作持力層。

（2）溶洞頂板的底部發(fā)生過(guò)大變形，但中部和頂部均不發(fā)生過(guò)大變形，破壞區(qū)面積小而斷續(xù)分布，可判定為較穩(wěn)定。一般處理后可作持力層，如對(duì)溶洞周邊圍巖進(jìn)行注漿加固或擴(kuò)大基礎(chǔ)，以減小附加應(yīng)力等。

表6 M96鉆孔揭露溶洞的計(jì)算結(jié)果

（3）溶洞頂板的底部、中部均發(fā)生較大變形，但頂部不發(fā)生過(guò)大變形，破壞區(qū)斷續(xù)分布但面積較大，可判定為較不穩(wěn)定。對(duì)規(guī)模較小的溶洞作一般處理；對(duì)規(guī)模較大的溶洞建議進(jìn)行全面處理。

（4）溶洞頂板的底部、中部和頂部均發(fā)生過(guò)大變形，破壞區(qū)連續(xù)呈貫通狀分布，可判定為不穩(wěn)定。須全面處理，如填充、樁穿越等。

溶洞頂板的底部、中部或頂部的豎向位移大于6～12 mm時(shí)稱為發(fā)生了過(guò)大變形。而在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)?shù)綌?shù)足夠大后，溶洞頂板的底部、中部和頂部的豎向位移與計(jì)算時(shí)步關(guān)系曲線仍呈線性或非線性發(fā)展，而未能收斂時(shí)稱為發(fā)生了過(guò)大變形。

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

上部設(shè)計(jì)荷載為1倍時(shí)，兩種基礎(chǔ)下的破壞區(qū)面積較大，頂板均為較不穩(wěn)定；荷載增加到3倍和5倍時(shí)，兩種基礎(chǔ)下的頂板不穩(wěn)定。

15個(gè)代表性溶洞代表了場(chǎng)地大部分溶洞的巖溶類型，采用數(shù)值分析方法，將工程基礎(chǔ)概化成天然基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)兩種情況，再將工程荷載按160 kPa的1、3、5倍分別施加于模型之上，模擬溶洞頂板的受力與形變情況?，F(xiàn)將15個(gè)代表性溶洞穩(wěn)定性分析結(jié)果列于表7中。表中還列出了用公式法評(píng)價(jià)15個(gè)代表性溶洞的匯總結(jié)果，兩種方法共同為工程的建設(shè)提供了重要依據(jù)。

表7 代表性溶洞穩(wěn)定性分析匯總與對(duì)比

4 結(jié)論與建議

基于云南地區(qū)某擬建大型工程巖溶地基的溶洞分布特征及地基穩(wěn)定性的系統(tǒng)分析，初步結(jié)論與建議如下：

（1）場(chǎng)地巖溶層狀發(fā)育強(qiáng)烈。從鉆孔揭示的溶洞發(fā)育資料可證明，擬建場(chǎng)地是層狀或垂直串珠狀的地下巖溶發(fā)育區(qū)，是一種持久性潛伏巖溶地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)工程建設(shè)具有較大的潛在隱患。

（2）通過(guò)6種公式法計(jì)算，初步判斷擬建場(chǎng)地巖溶發(fā)育，其隱伏溶洞群規(guī)模較大，對(duì)擬建工程建設(shè)危害巨大。通過(guò)計(jì)算結(jié)果比較可知，板梁模型與其他公式法判定結(jié)果有較大差異。

（3）結(jié)合場(chǎng)地巖溶洞隙發(fā)育規(guī)律和特征，將巖溶洞隙按跨度和頂板厚度進(jìn)行分類，從中選取15個(gè)具有代表性的溶洞進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，其計(jì)算結(jié)果可為擬建工程建設(shè)提供重要依據(jù)。

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Stabilityanalysis ofkarst foundation in Y unnan refineryproject

ZHOU Dingheng
China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600，China

Stability of karst foundation is a key problem for engineering construction.Based on the karst foundation treatment of PetroChina 10 million t/a oil processing project in Yunnan Province，distributing character of the karst and feature of filling materials are analyzed and summarized in detail.Combined with development rules and character of the karst caves，the karst caves are classified according to cave span and roof thickness.Fifteen typical karst caves are chosen and three-dimensionalfinite difference models of those caves under two conditions of naturalfoundation and pile foundation are built.Stability of the karst foundation under different load conditions is analyzed.Some conclusions are drawn.Firstly，the apparent character of karst development in this proposed site is layered or verticalbeaded type.The karst development under that character is one type of persistently potential geological disaster and it is also one large potential risk for engineering construction.Secondly，semi-quantitative formula method reveals that the karst foundation is dangerous to engineering construction.And calculation results of slab-beam model are different from those of other five models.Finally，three-dimensional numerical calculation results of the karst foundation can provide an important basis for this project.The experience and results could be referred in foundation treatment under similar geotechnicalcondition.

Yunnan region；karst foundation；karst cave；distributing character；stability analysis

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.011

周丁恒（1984-），男，安徽安慶人，2008年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，碩士，現(xiàn)主要從事地基處理、地下工程研究與設(shè)計(jì)方面的工作。

2016-11-04；

2017-01-24

中國(guó)石油工程建設(shè)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（CPECC 2011KJ22）支持。

Email：cugtj0206@qq.com