岩溶地基处理探讨

摘要：随着工程技术的发展，岩溶地基的处理方法更加可靠、先进、经济。本文对复杂岩溶环境下的地基处理方法进行探讨。

关键词：溶洞；地基处理；持力层稳定性；承载力

岩溶是由石灰岩、泥灰岩等可溶性岩石长期受水的化学溶浊和机械作用形成的。基岩内有溶洞存在，在附加载荷或振动作用下，会使地基变形塌陷，建筑物倒塌，当其上覆盖土层时，由于土层厚度不均，往往导致地基产生不均匀沉降，影响建筑物的安全。目前地基处理的方法很多，概括起来有七大类：换填、深层密实、排水固结、化学固结、加筋法、胶结法、热学法。这些方法分别实用于不同的情况中，主要决定于地基特点和建筑物的特征。而在岩溶地基中主要使用的方法有：换填、深层密实、化学固结与加筋法，下面分别对这几类方法展开论述。

1换填

当岩溶地基因风化作用而使其承载力、变形或由于表层沟壑不平满足不了建筑物的要求，而风化层厚度又不大时，将基础底面下处理范围内不良土层全部挖去，然后分层换填强度较大的砂碎石、素土、灰土、矿渣或其他性能稳定的材料，并压实，这种方法即为换填法。

1.1垫层法

在岩溶风化严重或岩溶红粘土地基中比较实用。如图1。

1.1.1垫层厚度的确定

由垫层承载力和建筑物的特点，当下卧土层的承载力确定时，应符合下式：

pz +pzc =faz（1）

pz――――相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值；

pzc――――垫层底面处土的自重压力值；

faz――――修正后垫层底面处软弱下卧层土的地基承载力特征值。

1.1.2垫层宽度的确定

垫层宽度应以满足基础底面压力扩散和不破坏垫层侧面土质进行设计。应符合：

b' ≥b +2 ztanθ（2）

b'――――垫层底面宽度；

θ――――垫层压力扩散角（可由规范查得）;当z /b

图1换填法示意图

而垫层承载力的确定可根据垫层材料、压实系数查《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）得到相关数据。

1.2填石强夯法

对于处理大面积土洞、塌陷群及软弱地基的有效措施。爆开溶洞顶板，清除其内的软弱充填物，回填毛石或毛石砼等。其填充材料可因地制宜，在淮南地区正在开采的煤矿较多，可以利用煤矸石等填充。填充夯击后使垫层承载力满足上述要求既可。

2 深层密实

深层密实是指采用爆破、夯击、挤压和震动等方法，对松软地基土进行振密和挤密。该方法可使用于岩溶丘陵山区的粘土地基。

2.1爆破法

该方法是将炸药放在地面深处，引爆炸药后在地基土内形成高速压力波，在爆炸源附近的区域，冲击波使土的疏松结构液化，形成密实结构，以达到地基土的加固目的。

2.2强夯法

是一种将几十吨的重锤，从几米到几十米的高处自由下落，对土进行强力夯击的方法。

2.3挤密法

该法是以震动、冲击、或套管等方法成孔，然后向孔中填入砂、石、土、石灰或其他材料，再加以振实而成为直径较大桩体的方法。

该法对不同的地基土的加固机理不尽相同，对岩溶山区的粘土地基，密实桩的作用是置换，是一种换土置换，即以性能良好的的碎（砂）石桩来代替不良地基土。碎（砂）石桩与粘性土构成复合地基而共同工作，除了提高地基承载力、减小地基沉降量以外，还可以用来提高土体的抗剪强度，增大土坡的抗滑稳定性。

3化学加固

化学加固指利用水泥浆液、粘土浆液或其他化学浆液，通过灌注压入、高压喷射或机械搅拌，使浆液与土颗粒胶结起来，以改善地基土的物理和力学性质的地基处理方法。对于岩溶发育较强，溶洞、土洞多见的地区，若溶洞比较小，可根据实际情况采用高压喷射注浆法。下面主要介绍该方法的使用。

图2高压喷射注浆法图3 灌浆钢管桩

高压喷射注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备使水泥或其他化学浆液以20-40MPa的高压从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定的速度渐渐提升，将浆液与土颗粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个固结体。如图2岩溶洞发育较小时，为提高持力层的承载力可采用高压喷射注浆法，使高压浆液通过喷管注入洞下一定深度，之后边注浆边提升，当喷管底达到岩溶洞位置时，应停止提升并连续注浆，直至地面出现返浆时再提升注浆管，以达到岩土加固的作用。

如果上部荷载很大且溶洞埋藏深度不大时，可采用桩基础形式，桩端应设计在溶洞底部一定深度。为考虑桩端效应，溶洞内也应该进行注浆处理。（如图3）。

用旋喷桩处理的地基，应按复合地基设计。旋喷桩复合地积承载力特征值应通过现场载荷实验确定，也可以由公式确定。

fspk= mRa /Ap+β（1- m fsk）（3）

fspk―――复合地基承载力特征值；m―――面积置换率；

Ra―――单桩竖向承载力特征值；Ap―――桩的侧面积；

β―――桩间土承载力折减系数；fsk―――处理后桩间土承载力特征值。

单桩竖向承载力特征值可通过现场单桩载荷实验确定。也可以由公式得到。

Ra =ηf cu A p（4）

Ra =u p+qpAp(5)

f cu――与旋喷桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长70.7mm的立方体）在标准养护条件下28d龄期的立方体抗压强度平均值（KPa）；

η――桩身强度折减系数，可取0.33；

u p――桩的周长；

n――桩长范围内所划分的土层数；

li――桩周第i层土的厚度（m）；

q si――桩周第i层土的侧阻力特征值（KPa），可按《建筑地基基础设计规范》（GB50007―2002）规定来确定。

qp――桩端地基土未经修正的承载力特征值，可按《建筑地基基础设计规范》（GB50007―2002）规定来确定。

4 加筋法

加筋是指在人工填土的垫层、土坡、路堤或挡土墙内铺设人工合成材料，或在地基及边坡内打入树根桩、碎石桩、土钉和土锚，以提高地基承载力、减少沉降和增加地基的稳定性。

4.1梁跨法

对于持力层内存在岩溶洞体较深，且溶洞规模形态不宜填充或溶洞与地下水力联系难以确定，挖填困难或浅埋洞体顶板厚度和完整程度难以确定的情况可考虑梁跨法。梁跨法就是采用跨越法将跨越结构置于岩溶地基基础之上，根据上部结构性质、荷载大小及跨度大小，分别采取板、梁、拱等方式跨越。在设置跨越结构时，其支承面须有可靠基岩，粱式结构支撑面须经验算。该法优点在于不管岩溶的具体形态，将比较复杂的地下工程改变为较易进行的地面工程，而且不担心地下水流重新带走洞内充填物。

如图4为梁跨示意图。

图4梁跨法

该方法类似于桥涵建设，既在空洞上方设梁以达到填充目的，梁的设计方法种类也很多，当根据岩石环境来决定。如洞身较宽、深度又大、洞形复杂或有水流的岩溶地基，宜采用拱跨形式。拱分浆砌片石拱、砼拱、钢筋砼拱。为增强拱身强度，拱下可砌筑垂直支撑柱，对建筑物本身而言，也可加设拉杆(或锚杆支撑)或其它预应力钢筋砼构造。这些都要根据工程实际来定夺。同时梁跨也可以与桩相结合，这也要根据岩溶发育的具体特征来看。如图5为梁桩相结合的示意。

图5 梁桩相结合

4.2树根桩

一般来说树根桩是一种小直径的钻孔灌注桩，其通常为（100-250mm），其长度有可达到30m。早期树根桩多是用于房屋建筑下条形基础和桥墩基础下建造，起到托换加固的作用。树根桩布置多为三维网状体系，称为网壮树根桩。在岩溶地区，当溶洞发育不规则或溶洞位置比较深，不易采用过深的桩进行施工的时候可考虑树根桩的应用。如图6为条形基础下树根桩托换加固，如图7为网状结构树根桩。

图6岩溶地基中树根桩的应用 图7树根桩设计示意图

网状结构树根桩设计计算：

根据网状结构树根桩设计计算方法，其基本原理是将土体与树根桩群考虑为一复合加筋土体，将桩与土围起来的部分可视作为一个整体结构，根据材料力学的方法进行计算。

（1）内力计算

计算基准面处的网状结构树根桩加固体的等值换算截面积和等值换算截面惯性矩为：

（6）

（7）

（8）

――计计算基准面处网状结构树根桩加固体的等值换算面积（cm2）；

――技术基准面处，加固体的等值换算截面积惯性矩（cm3）；

――树根桩的等值换算面积（cm2）；

m――桩与周围土的弹性模量比（取200）；

――钢筋与砂浆（或混凝土）的弹性模量比（取15）；

S2――计算基准面内包括的树根桩数；

b,n――树根桩布置的单位宽度及长度（cm）

x――计算基准面中和轴至各个树根桩的距离（cm）；

A c――树根桩的截面积（cm2）；

As――钢筋的截面积（cm2）。

由此求得计算基准面处，网状结构树根桩加固体上作用的最大压应力为：

（9）

――计算基准面处，网状结构树根桩加固体上作用的最大压应力（N/cm2）；

M ,N――计算基准面处，网状结构树根桩加固体上作用的弯矩（kNm）和垂直力（KN）；

y――计算基准面中和轴至计算基准面边缘的距离（cm）。

（2）树根桩加固体中土的压应力应满足；

（10）

f a――计算基准面处，经修正后的地基承载力特征值（N/cm2）。

（3）作用于砂浆（或混凝土）与钢筋上的压应力应满足：

（11）

（12）

――作用于砂浆上的压应力（N/cm2）；

――作用于砂浆上的压应力（N/cm2）；

――作用于钢筋上的压应力（N/cm2）；

――钢筋压应力设计值（N/cm2）。

（4）树根桩设计长度确定

（13）

――树根桩与计算基准面以下土间粘结力设计值（N/cm2）；

D――树根桩直径（cm）。

（5）钢筋与压顶梁间的粘着长度计算：

（14）

――钢筋的截面积（cm2）；

d――钢筋的直径（cm）；

――钢筋与压顶梁粘着力设计值（N/cm2）。

5 结束语

随着我国经济的快速发展，基础设施建设越来越多，这样对地基处理技术要求也越来越高。本文总体上是从概括的角度来论述对岩溶地基处理的基本方法，在应对不同情况要有所变化。并希望以此能激发广大从事工程地质的朋友加入对地基处理的研究中。