土洞稳定性判定及治理方法的探讨

摘 要：龙岩地区土洞发育， 多为顶板厚度小于15m的浅埋型，本文总结出对土洞稳定性评定公式，及对不稳定土洞治理方法，经工程实践证明，治理后的土洞稳定性良好，经济可行。

关键词：土洞；地基；基础；土洞治理

1 土洞分布与形成

龙岩市位于福建省西部，城区地面标高320-340m，上部为冲洪积粉质粘土、砾砂及卵石，下伏基岩为二叠系栖霞组灰岩，政和至大埔深大断裂由南西向北东贯穿全区，受区域地质构造影响，城区地质运动频繁，地下水波动较大，由于下伏灰岩岩溶发育，地下水的运移和潜蚀在上部土层中形成大小不一的土洞，据我院在龙岩地区三十多年的工作积累，龙岩市新罗区土洞主要分布在中城街道、西城街道、曹溪街道、东肖镇、红坊镇，埋深一般在10-35m间，顶板厚度10-35m，多为软流塑含角砾、碎石粉质粘土充填，直径3.50-20m不等。近期随着海峡西岸经济区建设的加快，土洞地面塌陷对当地工程建设的危害越来越明显，特别是由于龙岩城区土洞多为浅进而型，其发育在空间分布上具隐蔽性，发育过程具有延续性，塌陷具有突发性，危险性大，治理成本高，有些土洞有由处理不当，治理后建筑物存在较大陷患。

土洞的形成与下部灰岩中溶洞密不可分，但在平面和垂直方向上，往往并不会叠加，先是在灰岩破碎带或灰岩与非可溶岩接触部位形成溶洞，地下水的频繁波动，将粘土中亲水强的细粒土运移至他处，土体逐渐变的松散并崩解，层层剥离形成椭圆形土洞后，土洞的发展变的较前期缓慢，此时若无外力或人类工程活动影响，土洞基本上处于稳定状态，但当人类工程活动如地下水的大量抽取、工程建设时，造成土洞顶板荷载加大、地下水的频繁升降，则土洞顶板极有可能坍塌，形成地面塌陷，造成成极大损失，如有足够的数据能证明土洞在完成工程建设后仍可处于稳定状态，则可省去大量治理费用，所以在工程建设前，对已发现的土洞准确评价其稳定性是十分重要的。

2 土洞稳定性判定

土洞是否稳定主要取决于工程建成后附加土洞顶板的外部应力是否大于其自稳能力，作用于土洞顶板及四周的外部应力主要有建筑物附加荷载传导至洞顶板的附加应力、洞顶板土的自重应力、地下水、地表水垂直运动的渗流力，洞内地下水下降对顶板的吸附力等，计算方法如下：

（1）作用于土洞顶板的建筑物荷载：建筑物荷载通过基础传递至地基，我国现行规范及各类教科书中对外力在土体中的传递均是根据弹性理论推导出来的，基础底面附加应力Pk的传导特点是随深度增加，上部应力以θ角度扩散，不同基础受力后传至地下Z米处的附加应力Pz的计算方法见《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）。

（2）洞顶土体自重压应力：当土体覆盖面积较大时（大于土洞平面投影面积的3倍以上），土体在自重作用下可不考虑侧向变形和剪切变形，只作垂直变形，在地面以下深度Z米处（基础底板至洞顶板厚度）单位面积的自重压力Pc等于该处单位面积上的土柱重量，可按下式计算：

Pc=γ1h1+γ2h2+γ3h3+……γnhn

式中Pc： 土洞顶板土体自重压力（kPa）；

γ：第i层土重度（KN/m3），地下水位以下取有效重度；

h：第i层土厚度（m）。

（3）地下水自上而下渗流时，对土体单位体积内颗粒间产生的动水压力或渗流力也是土洞所受的坏破力之一，据《水力学》计算公式，渗流力F计算公式为：

F=γw（hw1-hw2）

式中F：为渗流力，单位KN；

Hw1、hw2为洞顶以上土体顶面与底面水头高度，单位为米；

γw：为水重度，单位KN/m3

（4）洞内地下水下降时，水面以上空气形成负压，对顶板产生吸引力F0，数值上等于水位差与水重度之积，计算公式如下：

F0=γwh’

F0：地下水下降对洞顶板产生吸引力，KN

γw为水重度，单位KN/m3

h’地下水降深，单位 m。

以上为土洞所受的主要破坏力，除上述外机械振动、地震等引起的破坏力未计入，在分析土洞受力特征时，应将所受破坏力分项计算并相加，即为土洞顶板总的破坏力。

土洞在受到来自外部迫其变形的外力的同时，其本身也存在抗变形的作用力，即土洞抗力，这种作用力主要来自顶板以上受力土柱周围摩阻力及粘土凝聚力，在空间上，可以把土柱视为一个“桩基”，“桩”周侧阻力可参照《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），由于“桩”为一个土柱，不同与钢筋混凝土灌注桩，其各项参数均有所不同，其极限侧阻力一般取规范值值的一半，据我院长期积累的工程实例及治理经验，结合有关资料介绍，土洞抗力大小可按下式计算：

F=0.5πb∑qsikLi+H1/2K （b/2）2∑LγK=tanθ・tan2（π/4-θ/2）

其中：F：土洞抗力，单位KN；

γi：第i层土重度，单位KN/m3；

L：第i层土柱高度，m；

b：土柱横截面积直径，为土洞最大平面投影值，m；

θ：土体内摩擦角，单位°。

π：K计算式中为弧度，180°，其它为常数3.14：

H：洞顶以上土层厚度，m。

理论上，当洞顶板受到的破坏力大于土洞抗力时，土洞顶板会塌陷；当二者相等时，处于极限平衡状态；当小于土洞抗力时处于稳定状态，由于以上计算并未计入人类活动、地震等外力，所以在评价时，应取2的安全系数，地面因素对土洞的影响随深度的增加而减小，所以当土洞埋深大于25m时，安全系数取值可适当降低。

3 土洞的的处理

对于稳定的土洞，结合土洞分布位置及发展趋势，若土洞处于稳定状态，可不加处理，对于稳于极限平衡或不稳定的土洞，应采取相应的处理措施，根据我院多年的成功经验，土洞的处理一般采取如下措施：

3.1 换填法

当土洞埋深不大，且洞内为软流塑粉质粘土充填，洞内地下水与外部地下水水力联系密且，此时如采用注浆法，往往出现此处注浆，他处溢浆的现象，且注浆后，地下水径流条件改变，易产生新的不稳定因素，在查明土洞周边水文地质条件后，可采取换填处理，此时不应对洞内地下水进行抽排，可采用级配良好的砾砂等加以充填。

3.2 注浆加固

对于洞内地下水与外部地下水水力联系不大，且埋藏较深的土洞可采用注浆加固处理方法，处理时在洞体上部可预钻二至三个钻孔，其中一孔由洞底开始注浆，另二孔可作为排水孔，注浆至排水孔内出现返浆时为止，等水泥浆初凝后，再次钻孔重复注浆，直至土洞全充填为止。

3.3 梁、板跨越法

此方法适用于上述二者示适用的场地，采用厚、长、宽度合适的筏板、横梁跨越土洞，将建筑物荷载转至土洞外部坚实的地基持力层中，板的厚度及配筋应根据计算确定。

3.4 桩基础

对于高层建筑或当对土洞处理后，地基承载力仍不能满足设计要求时，可采用冲钻孔灌注桩基础，将上部荷载传至下部稳定的基岩持力层中，上部土洞无需专项治理，可在成桩过程加以冲充，需要说明的是，在成桩过程极易因施工影响产生塌落，所以施工前应做好预防措施，如在孔口铺设钢板或加长横梁，

4 结论

在灰岩地区，当土洞较发育时，首选取要查明土洞发育特征、水文地质条件，判定土洞的稳定性，对不稳定的土洞采取换填、注浆、梁板跨越或桩基础进行处理；以上结论仅对我院所处地区进行了总结，对其它地区有待进一验证，不足之处请指正。

参考文献：

[1]陈希哲.土力学地基基础[M].

[2]《地下水动力学》（西安地质学院、成都地质学院）

作者简介：李广明（1962-），男，大专，山东东平人，工程师，主要从事工程地质技术工作。