喀斯特岩溶地区的岩土工程勘察相关技术应用及岩土层承载力参数的确定

摘要：众所周知，岩土工程勘察工作作为建设工程项目施工前期极为重要的一个环节，是整个项目后续施工的基础。在喀斯特岩溶地区，岩土工程勘察工作的重要性更是不言而喻，如果勘察工作达不到预定目标，不良工程地质问题没有及时发现，那么建设项目的安全性能就无法得到有力保障。岩土工程勘察工作的目标是查明建设项目所在地的工程地质条件，剖析具体的地质问题，为建设项目的设计与施工提供科学有效的依据。“万丈高楼平地起”，一个建设项目无论上部结构设计得多么完美，都得依托扎实可靠的基础。本文详细介绍喀斯特岩溶地区的岩土工程勘察相关技术，阐述岩土层承载力参数的选取确定方法与原则，通过完善的理论研究为喀斯特地貌分布区域的岩土工程勘察工作提供理论支持，确保项目施工的安全与顺利。

关键词：喀斯特；岩土工程勘察技术；承载力参数选取；确定

Abstract: Geotechnical engineering work is the goal of the engineering geological conditions to find out the seat of the construction project, to analyze the geological problems of concrete, to provide scientific basis for the design and construction of the construction project. This paper introduces in detail the geotechnical engineering in karst areas of Karst survey and related technology, determination and selection principle of the rock and soil bearing capacity parameters, through theoretical research and perfect for geotechnical engineering investigation of Karst landform area provide theoretical support, to ensure the safety and smooth construction of the project.

Keywords: Karst; geotechnical engineering technology; bearing capacity parameters determination;

中图分类号: TU449 文献标识码:A文章编号:

0 前言

喀斯特是外文的音译，简单理解即岩溶，指的是一种水对碳酸盐、石膏之类的可溶性岩石的冲蚀、溶蚀等作用以及伴随而生的现象的总称。由此而产生的地貌，我们称之为喀斯特岩溶地貌。喀斯特岩溶地貌在全世界有广泛的分布，而在我国也有很大的分布区域，主要集中在广西、云南及贵州等省份，在这些地区由于长时间的流水侵蚀作用，容易形成岩溶塌陷区，这对地面建筑物或构筑物将是巨大的威胁。在喀斯特岩溶地区进行各项工程项目建设，做好岩土工程勘察工作显得尤为重要。岩土工程勘察工作涉及到许许多多专业的理论和技术，需要从业人员扎实地掌握这些知识，以便于更好的完成工作。下文将为读者详细介绍具体的岩土工程勘察方法技术以及各岩土参数选取的方法，最后通过一个工程实例更加具体地描述相关技术在实践中的应用情况。

1 简述喀斯特岩溶地区的岩土工程勘察相关技术

岩土工程勘察技术多种多样，勘察工作最基本的方法是勘探和取样，勘探是运用特定方法了解地下岩体的相关特性；取样是为了提取岩土样品进行鉴定，获取第一手的岩土特性资料。常见的勘察技术主要有以下几种：一、常规钻探方法；二、地球物理勘探；三、工程地质勘察；四、遥感技术；五、示踪试验；六、模型试验；七、工程地质原位测试技术。

1.1 钻探技术

钻探技术依靠特定的岩层钻探设备，钻入岩土层中，提取岩土样品做进一步的分析，以便揭示工程地下岩体的特性。钻探技术作为一种重要的岩土工程勘察技术，早已经在实践中得到广泛的使用，钻探技术分析出的最终结果将作为工程项目设计、施工以及评价中重要的基础资料。岩土工程钻探工作应包括以下内容：（1）鉴别岩层岩性，确定岩层埋深和厚度；（2）查明勘探范围内的地下水的分布情况；（3）提取符合要求的岩土样品、水样品并进行各种试验。

1.2 地球物理勘探技术

地球物理勘探技术，简称物探技术，是一种以地下岩石的性质或地球的某些物理特性为理论基础，运用相关技术手段，进一步揭示地下岩层的构造及岩层特性的方法。常见的物探方法有电测井法、浅层地震勘察以及高密度电阻率法等，电测井法是一种常见的地球物理勘探方法，用于确定地下含水层厚度、位置以及涌水量等相关水文地质参数。在上世纪九十年代，地质雷达和层析成像技术已经相当成熟，广泛应用于岩溶地区塌陷区、溶洞等分布情况及形态的勘察。地质雷达的优势在于能直接及时地了解岩溶形成的空洞管道系统中的水气压力变化情况，能有效对岩溶地区地面沉降量进行监测。地球物理勘探有利于大范围岩溶分布情况的勘察，该勘探技术准确度容易受到外界因素的影响，还需要进一步改进。

1.3 工程地质勘察与测绘技术

工程地质勘察与测绘是一种实地调查的方法，需要深入实地调查了解喀斯特岩溶地貌、地下水分布情况、岩土的岩性，并进行测绘工作。工程地质勘察与测绘能够对喀斯特岩溶的分布情况有个整体性的了解，有利于地质勘探工作的深入开展。相比于其他方法，工程地质勘察与测绘技术操作性强，简单实用，能够取得所需的有效数据。

1.4 遥感技术

遥感技术是建立在航空航天技术基础上的一项较为新颖的技术，常见的遥感技术，大多是借助运行于地球外空间的卫星，对地面地貌进行测绘。遥感技术还包括航空遥感、雷达遥控传感及红外线遥感，长期的实践证明，遥感技术在对岩溶地貌的研究工作起到很好作用，大大提升了科研的效率，适用于大面积区域的遥测。遥感技术主要适用于国家大型建设项目的选址，比如三峡水坝等，而普通的工民建项目不提倡使用该技术，成本较高。

1.5 示踪试验

利用示踪元素等对岩溶地区地下水进行一定时期的观测试验，查明地下溶洞的分布范围以及联通情况。示踪试验操作比较简单，对人员素质要求不高，最终的试验结果可靠，但该法只适用于地下溶洞存在流水的情况，没有地下水无法进行示踪试验。

1.6 模型试验

在实验室，模拟实际岩土、水流的现状，制作一定规模的模型，研究不同条件下地下岩溶地基的侵蚀程度及侵蚀后的整体稳定性，该法适用于理论研究。

1.7 工程地质原位测试技术

工程地质原位测试技术主要依靠动力触探和标准贯入这两项试验，对地下溶洞及岩溶塌陷区的堆积物进行测试分析，以便于了解其工程地质性质和岩层的承载力。工程地质原位测试技术是一项应用时间较长的技术，操作简便，成本低廉，易为工程人员所接受。

2 喀斯特岩土层承载力参数的确定

喀斯特岩溶地区岩土层承载力参数一般主要有：

①岩层承载力参数：岩层承载力特征值fak(kpa)、以基岩为持力层的桩桩端阻力极限值qpk(kpa)；入岩段桩侧阻力极限值qsk(kpa)。

②土层(一般粘性土、红粘土、碎石土、回填土)承载力参数fak(kpa)：土层段桩周侧阻力极限值qsk(kpa)。

2.1.岩层承载力特征值的确定

2.1.1岩层承载力特征值fak(kpa)和桩端阻力极限值qpk(kpa)的确定

①桂林喀斯特岩溶地区的岩层主要是上泥盆统融县组（D3r）灰岩、桂林组（D3g）灰岩，下石炭统岩关阶（C1Y）泥炭质灰岩。影响岩层（体）承载力的因素主要有：岩石的风化程度、破碎程度、岩溶发育程度等。选作地基持力层的岩层通常是指中风化或中-微风化的岩石层；强风化或全风化的岩石层只宜按碎石土使用。

②岩层承载力特征值fak(kpa)和桩端阻力极限值qpk(kpa)的确定

在实际钻探工作中，经野外识别鉴定后随机选取有代表性的岩芯样（不少于6组，3块/每组），在实验室做饱和单轴抗压强度试验，根据实验结果并按如下经验公式确定岩层承载力特征值fak(kpa)和桩端阻力极限值qpk(kpa)。

公式： qpk(kpa)=1000ΨRW（kpa）；fak(kpa)=1/2·qpk(kpa)。

RW～岩石饱和单轴抗压强度标准值（Mpa）；

Ψ～折减系数，系经综合岩层（体）的风化程度、破碎程度、岩溶发育强度等因素后

的经验系数。取值：0.2～0.3。要求岩层（体）是完整或比较完整。实际工作中

应根据岩层（体）的完整性适度把握。

【例】桂林市*****小区详勘,拟建建筑楼高26层。场地内下伏基岩为上泥盆统桂林组（D3g）灰岩，岩石为较硬岩，岩体比较完整，岩体质量等级为Ⅲ级。根据其岩石饱和单轴抗压强度试验结果确定其岩层承载力特征值fak(kpa)和桩端阻力极限值qpk(kpa)如下：

桩端阻力极限值：qpk(kpa)=1000Ψfrk（kpa）=1000（0.20）30.63≈6000（kpa）。

岩层承载力特征值： fak(kpa)=1/2·qpk(kpa)=1/2·7600≈3000（kpa）。

岩石饱和抗压强度检测报告

工程名称：*****住宅小区报告日期：2012.10.09 表1

2.2 土层承载力特征值的确定

桂林喀斯特岩溶地区土层主要有：中上更新统-全新统冲洪积成因（Q2-3a-pl、Q4al）的一般粘性土层（包括粘土、粉质粘土）、碎石土、第四纪溶余堆积或残坡积成因（Qel-s、Qel-l、Qdl）的红粘土、次生性红粘土、碎石土等。土层承载力特征值的确定主要是依据常规土工试验结果和现场原位测试（标准贯入试验和动力触探试验）结果，并按《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)（2009年版）和《广西壮族自治区岩土工程勘察规范》DBJ/T45-002-2011有关要求确定。

2.2.1一般粘性土承载力特征值的确定

野外钻探编录应由有一定工作经验的编录员担任，对各土层的颜色、成份、结构、物理特性等做好现场记录、描述、鉴别，并进行准确分层。然后对各土层分别取土工试样，进行室内土工试验。

对一般粘性土取Ⅰ级（或原状土）土工试样，对主要土层的取样数不应少于6件（组）。室内土工试验主要测定计算土的含水量W（%）、天然密度ρo(g/cm2)、天然孔隙比eo、液限WL%、塑限Wp%、液性指数IL、塑性指数Ip、压缩比a1-2(Mpa-1)、压缩模量Es(Mpa)、粘聚力C（kpa）、内摩察角Φ（°），对于红粘土或次生红粘土应增加：含水比αw、液塑比Ir、自由膨胀率δef(%)等。取样后接着做原位测试（标准贯入试验）。根据土工试验结果和标准贯入试验结果综合确定该土层承载力特征值fak(kpa)、压缩模量Es(Mpa)。

对于碎石土则应取颗粒分析样，在室内土工试验中进行颗粒分析，测定计算颗粒样中的卵砾砂粘粒的含量。取样后接着做原位测试（重型动力触探试验）。根据颗粒分析结果和重型动力触探试验结果综合确定该碎石土层承载力特征值fak(kpa)、压缩模量Es(Mpa)。

【例】桂林市*****小区详勘，拟建建筑楼高7层，框架结构。场地内上覆土层为中-上更新统冲洪积成因（Q2-3a-pl）的粘土，呈褐黄色，湿，可塑状，强度中等，土层厚度6-8m。该层取Ⅰ级土工试样6件，经土工试验其主要物理力学参数见《土工常规试验成果表》和《土工试验主要物理力学参数统计表》；该层做标准贯入触探试验6次，平均锤击数5.8击/30cm。根据土工试验结果和标准贯入试验结果综合确定该土层承载力特征值fak(kpa)、压缩模量Es(Mpa)如下：

附表2.《土工常规试验成果表》附表3.《土工试验主要物理力学参数统计表》

附表4.《标准贯入试验成果表》

制表： 审核：

①据土工试验结果查附表5-4土层承载力特征值：fak(kpa) = 203kpa。

②据标准贯入试验结果查附表5-9土层承载力特征值：fak(kpa) = 163.45kpa。

综合土工试验和标贯试验成果，并结合在本地区的工作经验，该土层承载力特征值：fak(kpa) = 160kpa。压缩模量Es(Mpa)=6（Mpa）。

3 工程实践---喀斯特岩溶地区综合物探方法的应用

3.1 工程地形地质概括

工程项目名称是南方某花园小区，占地面积30.68公顷，小区建筑群包含有25栋高层住宅楼、5个篮球场、6个网球场、4个地下车库以及2个健身会所。小区所处的场地位于一个岩溶平原和谷地平原的相交部位，属于典型的喀斯特岩溶地貌。小区三面环山，北面为宽阔的岩溶平原，山峰的平均高程为286.56米，场地中心地段平均标高为158.46米。其中小区西边方向的地下有两条发育比较完全的地下河，流向东端远处的漏斗落水洞区。经过勘察，落水洞底部平均标高为135.47米。此外，小区所在地处于一个北东走向倾斜构造中。

该小区建设项目所在地属于岩溶发育较强烈区，上覆土层为第四系中-上更新统（Q2-3apl）冲洪积层，为一般粘性土，稍湿-湿，可塑状，底部或对应于溶沟、溶槽部位多为软-流塑状粘性土；下伏基岩为上泥盆统桂林组（D3g）灰岩，灰-浅灰色，细晶结构，中厚层状，岩溶发育较强烈。

该项目勘察，除采用常规工程地质钻探等技术方法外，尚需配合于工程物探技术（波速），水文工程勘察等方法技术。

3.2 工程地球物理特性

小区场地内下伏基岩为上泥盆统桂林组（D3g）灰岩，纵波在灰岩中传播的波速较快，而在黏土中比较慢；在不良地质体发育的地带，波速也会变慢。此外，灰岩的电阻率高于黏土，不良地质体的电阻率也处于一个较低的数值。由上可知，无论是在波速或是电阻率上，岩层、土层以及不良地质体间都存在着明显的差异，这就为物探中电阻率测试法或浅层地震勘探法创造了有利条件。

3.3 具体的物探方法

根据实际的情况，本次物探采用电阻率测试法和浅层地震勘察法进行勘察工作，最终目的是查明上覆土层的厚度，了解下伏基岩中溶洞、裂隙的位置及分布规律。

高密度电阻率测试法，通过使用先进精密的高密度电法仪对地学实行层析成像。高密度电阻率测试法能查明地下覆盖层的岩层厚度，探查地下不良地质体的分布位置及地下溶洞的发育情况。

浅层地震勘察法分为两种，一是多波列地震映像法；二是面波法。多波列地震映像法使用的勘察与检测系统工作效率比较高，该系统可以快速地对现场采集而来的数据进行综合分析，通过设备的数据处理，工程人员可以及时地了解勘察区域内的地层情况。面波法的原理是面波在某种介质中传播的频散特性、速度和介质的力学性质具有紧密的联系。通过反馈回来的波速等信息，我们可以依据此划分地层。而频散特性能反映出地下岩溶、裂隙及不良地质体的分布情况。

3.4 勘察结果

经过具体勘察，小区全部的建设区域得出了足够量的多波列地震映像以及电阻率法剖面，同时也得到了十多个地震面波勘探点。再根据收集到的其它探测数据，可以绘制出物探推断剖面图、等高线图、面波波速断面图等，最后综合各项图纸，分析出建设区域内所有的溶洞、裂隙以及不良地质体。依据最终的勘察成果，在工程建设中可以按场区进行划分，分为稳定性高、中、低三个层次，为以后小区的建筑物布局提供依据。

4 结语

如上文赘述，喀斯特岩溶地区的岩土工程勘察相关技术对实际的勘探工作具有重要意义，岩土层承载力参数的选取也涉及到后续的设计与施工。随着技术的不断完善，相信在不久的未来，岩土工程勘察工作将更加便捷，更加高效，为建设项目安全顺利的进行打下扎实基础。

参考文献

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[3] 田治金.喀斯特环境下层状岩体物理力学参数取值研究[D].贵州大学硕士学位论文,2009.