溶洞和土洞的地基处理

岩溶地基处理展望~

在岩溶区地基处理方面，当前国内外所采用的方法大同小异。目前许多岩溶地基处理方法还没有成熟可靠的计算理论，设计人员很多是依赖于当地的成功经验进行设计。从已有的文献报道来看，基本上还都是针对具体工程的处理经验方法介绍，这也证实了目前地基处理是理论落后于实践的局面。
5.5.1 目前常用的岩溶地基处理方法
(1)溶洞地基的处理方法：采用梁、板和拱等结构跨越；对于围岩不稳定、风化裂隙破碎的岩体，可采用灌浆加固和清爆填塞等措施；对规模较大的洞隙，可采用洞底支撑或调整柱距等方法处理。
(2)土洞地基的处理方法：挖填；灌浆；梁板跨越；处理地表水及地下水。
(3)岩溶塌陷的处理方法：换土垫层；灌浆；梁板跨越；强夯；旋喷加固；地表水的疏、排、围、改治理。
5.5.2 岩溶地基处理展望
总体来说，我国的岩溶地区地基处理，已经积累了很多成功的经验，尤其在处理溶洞、土洞或塌陷地基方面，取得了显著的成绩。将来在以下方面还可以值得进一步的探讨和完善。
(1)进一步完善地基处理设计理论，改变目前理论相对落后于实践的局面。例如，在灌填(浆)法中，对灌浆孔的布置、灌浆压力的确定等方面，争取有较成熟的计算及理论依据；在采用梁板跨越或调整柱距措施时，设计跨越梁板的尺寸、柱距调整距离的大小，目前没有相应的计算公式，大多是凭设计人员的水平和经验[46]。进一步探讨和完善这些地基处理设计的理论依据、计算公式具有很重要的现实意义。
(2)尝试探索运用新的地基处理方法。如可尝试采用土性改良法处理松软红粘土地基，即在松软红粘土地基中按一定比例掺入石灰、粉煤灰、矿渣、砂砾石和水泥等无机材料或其混合料，通过碾压或夯实达到改良地基土。土性改良法处理膨胀土地基已经是成熟可行的方法，是否也可借鉴其成功经验用来处理红粘土地基?
(3)施工工艺方面，研究探讨更行之有效的方法。例如在溶洞灌浆中如何有效地避免漏浆，特别是在某些大溶洞、串珠状溶洞地段的堵漏问题。目前国内已有采用袋装粘土及水泥填堵溶洞及防渗堵漏的成功经验。此外，还可多积累用高压旋喷处理溶洞地基的经验。
(4)岩溶地基处理效果检验方面，除目前常用的监测检验方法外，将来可采用多种测试手段方法，如采用旁压试验、十字板剪切试验等来检验地基处理的效果，并建立经验对比关系。

在岩溶地区修建公路，土洞及溶洞对路基的稳定性有着重要的影响，它们的塌陷破坏将影响公路路基的安全稳定及公路正常使用。目前，土洞及溶洞顶板安全厚度和距路基安全距离的确定，有关设计手册或规范有一些可供参考的计算公式，主要有以下几种[15，40]：
(1)根据土洞或溶洞顶板坍塌自行填塞洞体所需厚度进行计算；
(2)根据顶板裂隙分布情况，分别对其进行抗弯、抗剪验算，该方法主要适用顶板岩层比较完整，强度较高，层理厚，而且已知顶板厚度和裂隙切割情况；
(3)根据极限平衡条件，按顶板能抵抗受荷载剪切的厚度计算；
(4)成拱分析方法，当顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时，可认为顶板将成拱状塌落，而其上荷载及岩体则由拱自身承担。
上述计算方法的公式中，均要求事先知道土洞或溶洞的尺寸大小(跨度)，但在工程实际中，有时较难准确地获取土洞或溶洞的尺寸大小(跨度)，因此给计算带来困难。从公路(汽车轮重)引起的附加应力出发，来确定土洞及溶洞顶板安全厚度，可避免此不足。另外，从土洞及溶洞周围岩土体处于的应力状态，来确定溶洞、土洞塌陷破坏面的夹角，继而确定土洞及溶洞距路基的安全距离。
3.5.1 土洞(溶洞)顶板安全厚度的确定
与目前常用方法不同，该方法借鉴《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)第6.5.2条规定的原意，第6.5.2条规定：“在岩溶地区，当基础底面以下的土层厚度大于三倍独立基础宽度，或大于六倍条形基础底宽，且在使用期间不具备形成土洞条件时，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响。”众所周知，由基础底面处的附加应力p0，在地基中的扩散作用，越往地基以下，附加应力p0产生的影响越小，当距基础底面的土层厚度为三倍独立基础宽度及六倍条形基础宽度时，基底附加应力p0在上述位置处所产生的附加应力，计算得到分别只有0.052p0和0.11p0，再往下，基底附加应力所产生的影响则更小，从工程角度来说，可忽略不计。因此可以理解为，在地基中附加应力为0.05p0处的位置，可认为是地基基础的影响深度，在此深度以下，即使存在土洞或溶洞，只要它不继续向上发展，可不考虑其产生的不利影响，这便是《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)第6.5.2条规定的本意。我们可据此来评价岩溶区公路路基的稳定性并确定土洞及溶洞顶板安全厚度，即认为“当附加应力为0.05 p(p由汽车轮重产生)处深度以上的公路路基内不存在土洞或溶洞，且在使用期间不具备形成土洞或溶洞条件时，可不考虑土洞或溶洞对路基稳定性的影响”。
公路路基中的作用荷载，即路基的自重(静载)和汽车的轮重p(动载或活载)，荷载使一定深度内的路基处于应力状态，可使公路路基中产生附加应力σB，越往下，σB越小，当路基在某一Z0深度处的附加应力σB小于或等于0.05p时(p由汽车轮重产生)。只要在Z0深度范围内的路基不存在土洞或溶洞，且在使用期间不具备形成溶洞、土洞的条件，可不考虑其对路基的影响，换言之，即使Z0深度以下存在土洞或溶洞，只要它不继续发展，可不考虑其影响，此时，我们可称Z0为土洞或溶洞的顶板安全厚度。
汽车轮重在路基内所产生的应力，可按弹性理论鲍辛尼斯(J.Baussinesq)公式进行计算，当轮重为集中荷载时，集中荷载(轮重)P在深度Z、水平距离r处的竖向应力σz为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

当直接在轮迹中心以下(r=0)时，应力最大，此时式(3-26)变为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

为了求得土洞顶板安全厚度Z0，令式(3-27)中σz=0.05P，此时求得的Z即为顶板安全厚度Z0，得到Z=Z0=3.09m。
上式所考虑的仅仅是一侧车轮的情况，若考虑两侧车轮的相互影响(产生的附加应力相互叠加)，则所得到的顶板安全厚度Z0将更大。
例如，某载重汽车两后轮A、B相距2.2m，考虑其相互影响后，车轮B对另一侧车轮A所产生的附加应力σz′在Z=3.09m位置处的大小为：
将r=2.2m，Z=3.09m，经查表计算，集中应力系数k′=0.1715
得：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

则在车轮A位置中心下路基深度3.09m所产生的总附加应力为(σz+σz′)，

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

由此可见，若按在路基中产生的附加应力0.05 P(此时的路基深度为土洞顶板安全厚度Z0)，作为对下覆土洞是否有影响的临界应力。则Z0必须大于3.09m，经试算，当Z0=3.75m时，σz+σz′=0.050P，则土洞顶板安全厚度为3.75m。
若考虑汽车超车(或会车)的影响，同理应采用各车轮之间应力相互叠加的办法计算，假设有同种型式的车辆超车(会车)，两汽车外侧车轮相距设为2.0m，经试算，当Z0=4.90m时，汽车车轮中产生的最大附加应力为0.51P(接近0.05P)，则可认为Z0=4.90m为土洞顶板安全厚度。
3.5.2 土洞或溶洞距路基的安全距离
公路路线附近的土洞或溶洞，距离路基坡脚应该有一定的距离，如一旦土洞或溶洞塌陷失稳，才不至于危及路基，该距离可称为土洞或溶洞距路基的安全距离，目前常用的计算距路基安全距离的方法，是按坍塌时的扩散估算，安全距离L为：
L=H·ctgβ (3-28)
式中：H 为土洞或溶洞的顶板厚度(m)；β为坍塌扩散角(°)， ；
式中：K为安全系数，取1.1～1.25；φ为岩石或土层的内摩擦角。
以上方法较直观简便，但此方法所确定的安全距离，仅仅是从路基土洞或溶洞本身是否塌陷的角度出发，并没有考虑车辆荷载和填土路堤高度、宽度等因素的影响。
应该说，当车辆荷载及填土路堤荷载不大时，采用上式估算是合理的，其假设的塌陷破裂面是正确的，因为此时溶洞土洞周围岩土体在垂直方向的应力是γH(为大主应力σ1)，而水平方向的应力是K0γH(为小主应力 σ3)，根据土力学理论及摩尔—库仑破坏准则，土体的破裂面与大主应力作用面的夹角为( )，即与水平面夹角为(45°+ )，如图3-6a。
但当填方路堤足够高时(设路堤高h1，重度γ1)，其路堤荷重(含车载p1)较大，那么此时溶洞土洞周围土体的大、小主应力方向，则可能与前面相反，即水平方向应力为大主应力σ1=K0(γH+γ1h1+p1)，垂直方向的应力为小主应力σ3=γH，即垂直方向应力γH小于水平方向应力K0(γH+γ1h1+p1)，此时溶洞土洞塌陷的破裂面与大主应力作用面的(即竖直面)夹角为( )，如图3-6b。

图3-6 垂直方向应力的计算简图

Fig.3-6 The calculation diagram when direction stress is vertical
例如，假设某岩溶区公路路基为硬塑红粘土，其重度 γ=18kN/m3，内摩擦角 φ=30°，静止土压力系数K0=0.5，路基中发育有一土洞，土洞顶板距路基面距离为5.0m，并有路堤高h=8.0m，路堤填土重度γ1=20kN/m3，车辆当量荷载设为P1=10kPa。
3.5.2.1 按常规方法，不考虑路堤(含车载)的影响
将H=5.0m，φ=30°，安全系数K取1.2，代入式(3-28)，得土洞距路基的安全距离L=4.20m。
3.5.2.2 考虑路堤(含车载)的影响
土洞周围土体最大垂向应力γH=5×18=90(kPa)；
土洞周围土体最大水平向应力为K0(γH+γ1h1+P1)=130(kPa)；
此时，σ1=130kPa，σ3=90kPa，土洞若塌陷，其破裂面与竖直面夹角为
则土洞安全距离L应为：
L=H·tgβ (3-29)
将H=5.0，φ=30°，安全系数K取1.2，代入式(3-29)得：
土洞距路基的安全距离L=5.96m。
由上可知，不考虑填方路堤(含车载)算得的安全距离L为4.20m，而考虑后算得的L为5.96m，两者相差较大。
岩溶区土洞及溶洞的发育，对路基的稳定性有着重要的影响，但其计算方法目前还不算成熟，正如《公路路基设计规范》(JTJ013—95)条文说明第6.4.2.4条中所述：“溶洞顶板的安全厚度，由于设计的因素较多，还没有一个满意的计算方法，尚需要继续积累资料，总结经验，作进一步研究”。本节得出以下两点探讨性结论：
(1)根据弹性理论，可求得公路路基中任一点处的附加应力，当附加应力为0.05P(P由汽车轮重产生)深度位置以上的路基内不存在土洞或溶洞，且在公路使用期间不具备形成土洞或溶洞条件时，此段路基范围的厚度，可称为土洞及溶洞顶板安全厚度。
(2)当土洞或溶洞周围岩土体垂直方向的应力大于水平方向的应力时，可按常规方法即本文式(3-28)来计算土洞或溶洞距路基的安全距离；若土洞或溶洞周围岩土体垂直方向的应力小于水平方向的应力时，则应按本文式(3-29)来计算土洞或溶洞距路基的安全距离。

岩溶区存在溶洞和土洞或岩溶塌陷，将严重影响建筑地基的稳定性，降低地基的承载能力及加大地基的沉降变形。若对存在的溶洞、土洞或岩溶塌陷进行地基处理，可避免其对建筑地基的所造成的不利影响。

5.1.1 岩溶地基处理的一般原则

在岩溶地区进行地基处理时，对于溶洞、土洞或岩溶塌陷地基，一般应遵循以下原则^[46]：

(1)重要建筑物宜避开岩溶强烈发育区；

(2)当地基含石膏、岩盐等易溶岩时，应考虑溶蚀继续作用的不利影响；

(3)不稳定的岩溶洞隙应以地基处理为主，并可根据其形态、大小及埋深，采用清爆换填、浅层楔状填塞、洞底支撑、梁板跨越、调整柱距等方法处理；

(4)岩溶水的处理宜采取疏导的原则；

(5)在未经有效处理的隐伏土洞或地表塌陷影响范围内不应作天然地基，对土洞和塌陷宜采用地表截流、防渗堵漏、挖填灌填岩溶通道、通气降压等方法进行处理，同时采用梁板跨越。对重要建筑物应采用桩基或墩基；

(6)应采取防止地下水排泄通道堵截造成动水压力对基坑底板、地坪及道路等不良影响以及泄水、涌水对环境的污染的措施；

(7)当采用桩(墩)基时，宜优先采用大直径墩基或嵌岩桩，并应符合下列要求：①桩(墩)以下相当桩(墩)径的3倍范围内，无倾斜或水平状岩溶洞隙的浅层洞隙，可按冲剪条件验算顶板稳定；②桩(墩)底应力扩散范围内，无临空面或倾向临空面的不利角度的裂隙面可按滑移条件验算其稳定；③应清除桩(墩)底面不稳定石芽及其间的充填物。嵌岩深度应确保桩(墩)的稳定及其底部与岩体的良好接触。

此外，在建筑结构措施中，应选用有利于与上部结构共同工作，并可适应小范围塌落变位、整体性好的基础形式，如配筋的十字交叉条形基础、筏形基础、箱形基础等，同时采取必要的结构加强措施，如砖石结构加强圈梁设置、单层厂房基础梁与柱连成整体，并加强柱间支撑系统等。

5.1.2 溶洞地基的处理方法

对地基稳定性有影响的岩溶洞隙，应根据其位置、大小、埋深、围岩稳定性和水文地质条件综合分析，因地制宜采取下列处理措施^[21]：

(1)对洞口较小的洞隙，宜采用镶补、嵌塞与跨盖等方法处理；

(2)对洞口较大的洞隙，宜采用梁、板和拱等结构跨越。跨越结构应有可靠的支承面。梁式结构在岩石上的支承长度应大于梁高1.5倍，也可采用浆砌块石等堵塞措施；

(3)对于围岩不稳定、风化裂隙破碎的岩体，可采用灌浆加固和清爆填塞等措施；

(4)对规模较大的洞隙，可采用洞底支撑或调整柱距等方法处理。

5.1.3 土洞地基的处理方法

土洞一般埋藏浅，发育快，顶部强度低，发展到一定程度就会塌陷，对建筑物威胁较大，特别是对高层建筑，由于基础埋置深，上部荷载大，造成的危害更大。有时建筑物施工时，由于地质勘察布孔有限而未发现土洞，但在建筑物使用后，由于改变了地下水的条件，如人工降低地下水位，就会产生新的土洞和地表塌陷。土洞对建筑物的影响有时比溶洞还要大，因此在岩溶地段进行建设时，应查清土洞的分布、形状、深度，以及它们的发育程度，可采用钎探的方法(桂林岩溶区采用钎探进行验槽，对查清土洞或塌陷的分布很有成效)。

对地基中存在的土洞，应根据土洞在地基中所处的位置、土洞大小及形状、埋深、水文地质条件等，综合采取处理措施^{[15，47，48]}：

(1)挖填法：清除洞内软土后，铺填块石，上做碎石层，其上部用灰土或粘土夯实。一般对地下水形成的土洞，多以疏导为宜，避免堵截，又形成新的土洞，或使原土洞扩大。一般适用于浅层土洞。

(2)灌填法：在洞体范围的顶部地基基坑面上钻孔，可采用多个钻孔(但至少两个以上，以便土洞排气)，一般直径φ100～150mm，将砂或砾石灌入洞内，然后再灌入水泥浆，或直接灌入混凝土。适用于埋藏深、洞径大的土洞。

(3)梁板跨越法：对埋置较深和直径较小的土洞，且土洞周边土体的承载力和稳定性较好时，可在洞顶上部用梁板跨越，对洞体本身不再处理。

(4)桩基法：对重要建筑物，当土洞较深时，可用桩穿过土层直抵基岩。也可在土洞中灌注混凝土桩，直至建筑物基础底部，以承受上部结构荷载。

(5)处理地表水及地下水法：由地表水渗入地下而形成土洞，或地表塌陷，做好地表水疏流、防渗等工作是根治土洞的基本措施。对形成土洞的地下水，一般应控制人工降低地下水位。

地基处理应适当考虑地基、基础与上部结构的共同作用，要适应上部结构的选型，同时结构也要适应地基的变形。例如，在岩溶塌陷灌浆时，是否考虑在灌浆塌陷体的顶部预留10～20cm空间，做成砂垫层(褥垫层)，以调整灌浆塌陷体与周围地基的差异沉降。

5.1.4 岩溶塌陷的治理

5.1.4.1 岩溶塌陷治理的原则

(1)对于土洞和塌陷，除已充分论证其确属稳定不再发展的以外，一般都需要进行治理，未经治理不宜选作为建筑物的天然地基持力层。

(2)治理措施应坚持“标本兼治”，因地制宜。如由于岩溶地下水位升降波动引起的塌陷，一般应疏导地下水流通道；对于地表水渗漏引起的塌陷，应注意完善地表排水系统，防止地表水渗漏等。

(3)由于岩溶塌陷影响因素很多，一般应采取综合治理措施，如填堵结合灌浆，灌浆结合排水等，以符合既经济又安全的原则。

(4)在治理阶段，应结合监测和地基土测试工作，以检验治理措施的效果，以便发现问题及时补救。

5.1.4.2 岩溶塌陷的治理措施

对于岩溶塌陷，一般可采用以下处理措施^[9]：

(1)换填法：首先清除塌陷体中的松土，填入块石、碎石或中、粗砂，做成反滤层，然后上覆粘土夯实。对于重要建筑物，一般需要将坑底或洞底与基岩面的通道堵塞，可开挖回填混凝土或设置钢筋混凝土板，也可灌浆处理。

(2)跨越法：用于塌陷坑或土涧较深大，开挖回填有困难的处理方法。一般以梁板跨越，两端支承在可靠的岩、土体上。据广西岩溶区的处理经验，每边支承长度不小于1.0～1.5m。

(3)强夯法：把10～20t的夯锤起吊到一定高度(10～40m)；让其自由下落，造成强烈的冲击对土体强力夯实。一方面是夯实塌陷后松软的土层和塌陷坑或土洞内的回填上，以提高上体强度；另一方面可消除隐伏土洞和软弱带，是一种处理结合预防的措施。

(4)灌注法：把灌注材料通过钻孔进行注浆，其目的是强化土层或洞穴充填物、充填岩溶洞隙、隔断地下水流通道、加固建筑物地基。灌注材料主要是水泥、碎料(沙、矿渣等)和速凝剂(水玻璃、氧化钙)，水泥标号一般应大于450号，灌浆方式可采用低压间歇定量式或循环式灌注。

(5)深基础法：对于一些深度较大，跨越结构无能为力的土洞、塌陷，通常采用桩基，将荷载传递到基岩上。

(6)旋喷加固法：在浅部用旋喷桩形成一“硬壳层”，在其上再设置基础。“硬壳层”厚度根据具体地质条件和建筑物的设计而定，一般可达5～20m。

(7)地表水的疏、排、围、改治理：在塌陷的治理阶段，对地表水的治理不能忽视或放松，应在预防措施的基础上进一步完善。

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巴彦淖尔市19820645534： 溶洞地基的处理有什么要求? ？
闵庆马根： (1) 处理溶洞地基时,不得堵塞溶洞水路. (2) 对干溶洞可用砂砾石、碎石、干砌或浆砌片石及灰土等回 填密实.基底干溶洞较大,回填处理有困难时,可采用桩基处理, 桩基的设置应履行设计变更手续,并应由设计单位进行设计.

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巴彦淖尔市19820645534： 地质溶洞的处理方式有哪些 - ？
闵庆马根： 先用物探方法探明溶洞的大小等特征. 处理方法: 1清除土质,填大粒径的石料(要符合要求的) 2清除土质,注浆填实(溶洞不大,要是太大成本太高) 3现浇钢筋混凝土盖板

巴彦淖尔市19820645534： 对岩溶、土洞、地震液化和断层等地基如何分析和利用? - ？
闵庆马根： 答:在岩溶地区进行建筑,应结合岩溶发育情况、工程要求、施工条件和经济安全原则常采取以下处理措施:1.对个体溶洞与溶蚀裂隙,可采用调整柱距、采用钢筋混凝土梁板或桁架跨越的办法;2.浅层洞体顶板不稳定,可采用清、爆、挖等办...

巴彦淖尔市19820645534： 桩基施工时遇到溶洞了怎么处理? - ？
闵庆马根： 直接用混凝土回填.要是溶洞较大,不能回填.就只有找设计做变更了.桩的作用是将上部建筑物的荷载传递到深处承载力较强的土(岩)层上,或将软弱土层挤密实以提高地基土的承载能力和密实度. 端承桩是穿过软弱土层而达到坚硬土层或...

巴彦淖尔市19820645534： 建筑施工打桩时遇到溶洞该如何处理 - ？
闵庆马根： 你这是地勘和结构相关问题.作为建筑学问不合适.我是建筑的不是特别专业.个人觉得.首先你们要地勘核实溶洞大小.是否可以考虑灌浆.如不行.只能打穿加套管防止漏浆.

巴彦淖尔市19820645534： 桩基施工中出现溶洞如何处理??一个电厂的桩基工程,地点在湖南邵阳 ？
闵庆马根： 必须由设计单位拿出处理的方案,一般填毛石比较常见.

巴彦淖尔市19820645534： 各位大侠,大的溶洞如何处理？
闵庆马根： 不行,溶洞有充填..没有充填,半充填三种 如果是充填的溶洞注浆后水泥和泥土胶结不好不能形成坚固的孔壁,和继续钻探和引起坍塌.没有充填的溶洞由于溶洞有太在或者有大的缝隙,浆液会泄漏不会把溶洞充填各位大侠,还有更好的方法吗

巴彦淖尔市19820645534： 桩基在浇筑施工时遇到溶洞怎么处理? - ？
闵庆马根：钻孔桩和钻孔遇到溶洞的处理方法大不一样,混在一起是不易说得明白的,所以先说钻孔遇溶洞的处理措施. p<$z!|7m 一、首先分析一下孔壁是否稳定,会不会出现卡钻、埋...