復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下的建筑物地基安全性分析

陳 勝，陳傳濤，徐其功，陳 濤

（1、廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司 廣州 510010；2、廣東省建科建筑工程技術(shù)開發(fā)有限公司 廣州 510500）

0 引言

喀斯特（Karst）地質(zhì)是我國南方一種常見的地質(zhì)條件，特別是廣東、廣西、貴州和云南等地區(qū)分布較廣。巖溶是喀斯特地質(zhì)的一種表現(xiàn)形式，而根據(jù)形成條件的不同，巖溶又可分為地表巖溶和地下巖溶，一般大型城市或人員聚集區(qū)不會安置在地表巖溶區(qū)，所以地表巖溶對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的影響較小（交通設(shè)施除外），而由于地下巖溶很難通過簡單的形式發(fā)現(xiàn)，且其分布并無規(guī)律，因此在城市、縣鎮(zhèn)等聚集區(qū)存在地下巖溶（溶洞、地下河等）是十分常見的現(xiàn)象，巖溶地質(zhì)條件對建設(shè)工程的安全產(chǎn)生了較大的影響，也給地區(qū)的巖土工程設(shè)計帶來了很大的挑戰(zhàn)［1-3］。

以廣州市白云區(qū)某在建大型傳染病醫(yī)院項目為例，該工程總建筑面積544 172.0 m2，其中地上建筑面積366 465.5 m2，地下建筑面積177 706.5 m2。根據(jù)地質(zhì)詳勘及超前鉆揭露南區(qū)綜合樓基坑底部局部分布有較大的串珠狀溶洞，如圖1 所示。根據(jù)地勘報告判定，場地巖溶發(fā)育等級為強烈發(fā)育。

由于溶洞的存在，項目基坑設(shè)計經(jīng)過了多輪的討論，在設(shè)計和討論的過程中，對溶洞安全性的評估大多還是依靠經(jīng)驗性的理論進(jìn)行判斷［4-9］，許多數(shù)據(jù)無法量化，因此，為進(jìn)一步提高建筑物的可靠性和安全性，在項目設(shè)計過程中引入有限元計算軟件，有限元計算目前是一種得到業(yè)界普遍認(rèn)可的方式，較常規(guī)設(shè)計時采用的理論公式計算和經(jīng)驗判斷具有很多優(yōu)勢，例如幾何模型的建立更加直觀，環(huán)境條件更豐富和材料參數(shù)更完善等，在設(shè)計時參考有限元仿真計算的結(jié)果，可以更全面地對項目可行性等進(jìn)行評估，對提高工程安全性具有十分積極的促進(jìn)作用。

1 基坑下巖溶的分布情況

地質(zhì)詳勘和超前鉆只能初步揭露溶洞的分布區(qū)域，而卻無法真實探明溶洞的詳細(xì)情況，為進(jìn)一步完善設(shè)計工作，項目在圖1中揭露的溶洞厚度20 m以上的區(qū)域（紅色區(qū)域）應(yīng)用跨孔彈性波CT 法［10-11］進(jìn)行了更詳細(xì)的探測，如圖2 所示，共設(shè)置了14 個鉆孔，生成了30個物探剖面。

圖2 跨孔CT區(qū)域鉆孔布置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Drilling Layout in Cross Hole CT Area

部分跨孔CT 結(jié)果生成的物探剖面的結(jié)果如圖3所示，剖面圖揭示了項目地下的溶洞發(fā)育情況，由此可見，該處存在較復(fù)雜的串珠轉(zhuǎn)溶洞分布，且溶洞的高度較大（平均高度約為20 m，最大高度超過35 m），且部分溶洞頂?shù)亩礆ぽ^薄，約為1～2 m 厚，而溶洞的深度最淺處約為地面標(biāo)高下25 m，本項目采用筏板基礎(chǔ)+長短樁的基礎(chǔ)形式，基坑底深度約為地面標(biāo)高下16 m，因此，基坑底距離溶洞頂?shù)母叨茸钚√幙赡苄∮?0 m，建筑物基礎(chǔ)對溶洞頂可能會產(chǎn)生較大的影響。

圖3 部分跨孔CT物探剖面Fig.3 Profile of Geophysical Cross Hole CT

為進(jìn)一步量化本項目的建筑物基礎(chǔ)對溶洞產(chǎn)生的影響，本課題通過對項目基坑建設(shè)過程的有限元模擬計算，得到基坑開挖前后基坑底和溶洞頂?shù)膽?yīng)力變化和位移，并模擬溶洞殼體的彎矩變化，通過對比分析基坑開挖前后及開挖過程中的數(shù)據(jù)，分析基坑（建筑物）建造過程中和完成后對溶洞產(chǎn)生的影響和溶洞的安全性。

2 有限元計算模型及實施過程

2.1 有限元模型及參數(shù)選取

本課題主要研究基坑開挖（建筑物建造）過程對基坑坑底下部溶洞穩(wěn)定性的影響，計算時土體參數(shù)采用常規(guī)的Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，深層巖體和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)等采用彈性材料模型，為簡化計算過程，溶洞的殼體也采用彈性材料模型。根據(jù)勘察報告提供的地質(zhì)條件和土層力學(xué)參數(shù)的參考值，本課題選取了表1所列的土力學(xué)參數(shù)，彈性材料的取值如表2所示。

表1 土力學(xué)Mohr-Coulomb參數(shù)Tab.1 Mohr-Coulomb Parameters of Soil

表2 彈性材料力學(xué)參數(shù)取值Tab.2 Elastic Parameters of the Materials

根據(jù)地勘報告中鉆孔呈現(xiàn)的地層分布情況，建立如圖4 所示的2D 有限元計算模型，模型大小為300 m×100 m，基坑寬度設(shè)置為100 m，基坑開挖深度為16 m，溶洞頂距基坑底最小距離為10 m，溶洞的最大垂直高度約為30 m，溶洞殼體使用表2中厚度為1 m的彈性板模型模擬。

圖4 有限元計算模型Fig.4 FEM Calculation-Model

2.2 有限元計算過程

本課題的有限元計算采用分步施工的方法模擬基坑開挖的全過程，項目采用筏板基礎(chǔ)+長短樁的結(jié)構(gòu)，模型采用替換材料屬性的方式模擬基礎(chǔ)的施工，之后，整個基坑開挖過程分4個階段進(jìn)行，分層開挖過程中同步模擬地下水的降水過程，基坑開挖至坑底后在底面增加彈性底板，最后在基坑底板上加載350 kPa的附加應(yīng)力，模擬上部建筑建成后對基地產(chǎn)生的附加應(yīng)力。

3 有限元計算結(jié)果

3.1 基坑底部的位移及應(yīng)力變化

通過模擬整個基坑開挖過程和最終在基坑底板上附加建筑物荷載的計算，得到如圖5 所示的基坑底部位移變化圖，由結(jié)果可知，開挖過程中基坑坑底發(fā)生了隆起，且隨著基坑開挖深度的增加，隆起也逐漸變大，當(dāng)基坑開挖至坑底時，基坑底部的隆起最大值約為6 cm；將建筑物的附加荷載（350 kPa）加載到底板上之后，坑底發(fā)生了沉降，最終得到的最大沉降值（較初始情況）約為5 cm，而最大沉降發(fā)生在溶洞上方的基坑底部。

圖5 基坑開挖+建筑物荷載過程坑底的位移變化Fig.5 Displacement at the Bottom of the Foundation during Excavation and Final Load Process

模擬的計算過程中基坑底部發(fā)生的應(yīng)力變化曲線如圖6所示，由對比可知，基坑開挖的過程中坑底附近發(fā)生了應(yīng)力釋放的過程，由于上層土體的開挖，坑底附近的有效應(yīng)力從開始的200 kPa，逐漸減小至0（開挖至坑底時），當(dāng)最后將建筑物的載荷加載至底板后，坑底附近的土體承受的應(yīng)力約為250～300 kPa，對比初始狀態(tài)下的200 kPa，應(yīng)力提升了50～100 kPa。

圖6 基坑開挖+建筑物荷載過程坑底的應(yīng)力變化Fig.6 Stress at the Bottom of the Foundation during Excavation and Final Load Process

3.2 溶洞頂部附近產(chǎn)生的位移及應(yīng)力變化

本文重點分析基坑開挖及建筑物建造對溶洞產(chǎn)生的影響，因此，除關(guān)注基坑底部的應(yīng)力和位移變化外，溶洞頂附近（圖7 A-A 截面）的應(yīng)力和位移變化也需要重點分析。

圖7 溶洞頂部附近A-A截面及溶洞頂部殼體Fig.7 Section A-A and the Shell at the Top of the Karst Cave

模擬的建造過程中溶洞頂?shù)雀呔€附近發(fā)生的位移變化曲線如圖8 所示，開挖至基坑底時發(fā)生了最大約3.5 cm 的垂直向上的位移，而當(dāng)附加了建筑物荷載后，產(chǎn)生了最大為3 cm 的沉降，且最大的向上和向下的位移均發(fā)生在溶洞頂附近。

圖8 基坑開挖+建筑物荷載過程溶洞頂位移變化Fig.8 Displacement at the Top of the Karst Cave during Excavation and Final Load Process

如圖9 所示，和圖6 展示的應(yīng)力變化趨勢相同，由于基坑的開挖使溶洞頂附近土體也產(chǎn)生了應(yīng)力釋放，當(dāng)開挖至基坑底時，應(yīng)力從初始的500～600 kPa 減小至200 kPa 左右，而當(dāng)加載了建筑物的附加荷載后，應(yīng)力提升至500～750 kPa，最大的應(yīng)力值出現(xiàn)在地下有中風(fēng)化石灰?guī)r隆起的部分，而對比初始狀態(tài)和最終狀態(tài)時溶洞附近的應(yīng)力值可以看出，溶洞頂部附近的應(yīng)力值變化不大，約從580 kPa提升至660 kPa。

圖9 基坑開挖+建筑物荷載過程溶洞頂應(yīng)力變化Fig.9 Stress at the Top of the Karst Cave during Excavation and Final Load Process

3.3 溶洞殼頂部產(chǎn)生的位移及應(yīng)力變化

為進(jìn)一步分析溶洞頂洞殼的安全性，選取圖7中標(biāo)紅的溶洞殼作為分析對象，溶洞頂部洞殼在建造過程中發(fā)生的位移變化曲線如圖10所示，由結(jié)果可知，整個過程中溶洞殼體發(fā)生的最大垂直向上的位移約為3.5 cm，該位移發(fā)生在基坑開挖至坑底時，而最大垂直向下的位移約為1.5 cm，發(fā)生在基坑底板附加了建筑物載荷時。

圖10 基坑開挖+建筑物荷載過程溶洞殼位移變化Fig.10 Displacement at the Shell of the Karst Cave during Excavation and Final Load Process

溶洞殼體內(nèi)彎矩的變化是判斷溶洞安全的一個重要指標(biāo)，整個模擬過程中溶洞頂殼體的彎矩變化曲線如圖11 所示，由工程前后的彎矩變化可知，彎矩在整個溶洞洞殼上發(fā)生的變化不大，只有在溶洞頂最靠近基坑底的位置產(chǎn)生了較大的彎矩變化，彎矩從初始狀態(tài)下的4 000 kN·m/m 變化至5 200 kN·m/m，對比圖10展示的溶洞頂洞殼的位移可知，彎矩變化最大的位置位于最終洞殼發(fā)生較大垂直向上位移的部分。

圖11 基坑開挖+建筑物荷載過程溶洞殼彎矩變化Fig.11 Stress at the Shell of the Karst Cave during Excavation and Final Load Process

4 結(jié)論

本文通過對巖溶地質(zhì)條件下的基坑開挖及附加建筑物荷載進(jìn)行有限元模擬分析，得到了基坑坑底及溶洞附近的應(yīng)力和位移變化的結(jié)果，通過對比分析，得出以下結(jié)論：

⑴基坑的開挖會導(dǎo)致土體應(yīng)力的釋放，而在建筑物完成建造之后，最終在基坑底部以及更深的土層處產(chǎn)生的附加應(yīng)力并不是建筑物的全部荷載，而在常規(guī)建筑設(shè)計時，多將建筑物本身產(chǎn)生的附加荷載完全附加在地基基礎(chǔ)上，這種方式本身是偏保守的，最終的結(jié)果是保證了建筑物本身的安全。

⑵在巖溶（溶洞）地質(zhì)上新建建筑物會導(dǎo)致溶洞附近的應(yīng)力場發(fā)生變化，但由于基坑開挖形成的應(yīng)力釋放作用，新建建筑物在溶洞頂引起的應(yīng)力變化和因此產(chǎn)生的位移一定小于直接將建筑物荷載加載至溶洞頂產(chǎn)生的影響。

本文中引用的項目地質(zhì)條件較復(fù)雜，溶洞頂存在較厚的粉質(zhì)黏土層，為保證溶洞的穩(wěn)定性及建筑物的安全性，盡管通過數(shù)值模擬分析得出新建建筑物對溶產(chǎn)生的影響較小，項目依然采用了注漿的方式對溶洞進(jìn)行了處理。