岩溶地基土洞塌陷评价及地基处理实例[]
桂林地基土的组成主要为填土（素填土以及杂填土）、粘性土（红粘土）、粉土以及漓江阶地形成的砂、砾石、卵石等，而基岩一般则为上泥盆统融县组石灰岩。市区绝大部分地段的地基表层军均分布有数十厘米至数米厚的填土，填土一般呈松散—稍密状态，一般情况下，不能作为地基的直接持力层，同时石灰岩基岩面附近分布有软土，地基中常常发育有溶洞、土洞及产生岩溶塌陷等现象。由于地基岩土层的复杂多样化，在修筑建筑物中，当不能采用天然地基作为基础的直接持力层时，须对地基采取相应的处理。目前，复合地基处理技术在桂林岩溶区地基加固的应用已经取得成功，应用面也得到逐步拓展。由于场地本身的复杂性，在对不满足建筑要求的场地地基进行加固处理时，宜根据场地实际地质情况，选择合理的地基承载力与变形计算方法，确保建筑经济安全。
桂林市中心地段地貌属漓江一级、二级阶地，土层一般较厚，上覆土层主要为填土、粘性土、粉土、砂、砾石、卵石等，局部地段发育有土洞、塌陷等不良地质现象，其地基加固处理方法有素混凝土桩（CFG桩）、旋喷桩、深层搅拌桩等，复合地基承载力与变形计算可依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2002）相关规定进行。然而局部地段，如桂林西城区，至临桂县城一带，上覆土层厚度分布较大范围为0～15 m，主要由冲洪积、残坡积形成的粘土、红粘土、次生红粘土、粉质粘土等组成，土层相对较薄，且岩溶不良地质作用强发育。文献[39]通过对桂林市西城区大量钻孔资料和地表测绘资料的统计分析表明：覆盖层厚度越小，岩溶塌陷越发育。厚度小于6 m 区域的塌陷个数占总塌陷个数的74％以上；厚度小于10 m 区域的塌陷个数占总塌陷个数的99％以上；覆盖层厚度大于10 m 时，基本上不会发生岩溶塌陷。在这种强岩溶发育地段采用复合地基加固技术时如何保证在荷载作用下，增强体与天然地基土体能够共同直接承担荷载的作用并进行合理可行的承载力与变形计算，将是加固设计首先要考虑解决的问题。
3.4.1 桂林岩溶区深层搅拌地基处理
按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2002）的规定[40]，水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。在桂林岩溶地区，主要用来加固素填土地基、不含粗大杂质的杂填土地基以及漓江一级阶地的松软粉土等地基。桂林岩溶区深层搅拌桩的桩径一般为500 mm，桩长不超过20 m，多采用湿法施工。处理目的主要是加强地基土的地基承载力以及减少地基沉降变形。
3.4.1.1 单桩竖向承载力特征值
水泥搅拌桩单桩竖向承载力特征值应通过现场单桩载荷试验确定。有经验时单桩竖向承载力特征值R a也可按式（3.11）和式（3.12）估算，取两者中小值。
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中：up——桩的截面周长（m）;
qsi——第i层土的桩侧阻力特征值（kPa）；对淤泥可取4～7kPa；对淤泥质土可取6～12kPa；对软塑状态的粘性土可取10～15kPa；对可塑状态的粘性土可取12～18kPa；对于粉土、填土等可参考上述取值；对于新近填土，不宜计入桩侧阻力，甚至应考虑其负桩侧阻力。
li——第i层土的厚度（m）；
α——桩端天然地基土的承载力折减系数，与桩长、土层土质情况等因素有关，常取0.4～0.6;
Ap——桩的截面积（m2）;
qp——桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa）;
n——桩长范围内所划分的土层数；
η——桩身强度折减系数；喷浆深层搅拌法取0.25～0.33;
fcu——90 d龄期桩体水泥土立方体抗压强度平均值（kPa）。
3.4.1.2 复合地基的承载力特征值
竖向承载水泥搅拌桩复合地基的承载力特征值应通过复合地基载荷试验确定。有经验时水泥搅拌桩复合地基的承载力特征值可按式（3.13）估算：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中：fspk——复合地基的承载力特征值（kPa）;
Ap——单桩的截面积（m2）;
m——复合地基面积置换率；
R a——单桩竖向承载力特征值（kN）；
β——桩间土承载力折减系数。当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.1～0.4，差值大时取低值；当桩端土未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.5～0.9，差值大时或设置褥垫层时均取高值；
fsk——处理后桩间土承载力特征值（kPa），可取天然地基承载力特征值。
3.4.1.3 软弱下卧层强度验算
竖向承载水泥搅拌桩复合地基处理范围以下存在软弱下卧层时，软弱下卧层强度验算可按式（3.14）进行：
pz +pcz ≤faz （3.14）
式中：pz——相应于荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加压力值（kPa）;
pcz——软弱下卧层顶面处土的自重压力值（kPa）;
faz——软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值（kPa）。
3.4.1.4 水泥搅拌桩复合地基的变形量
竖向承载水泥搅拌桩复合地基的变形量主要包括水泥搅拌桩复合土层的平均压缩变形量s1和桩端下未加固土层的压缩变形量s2，即s=s1+s2。
（1）水泥搅拌桩复合土层的平均压缩变形量s1，可按式（3.15）计算：
s1 =（pz+pz1）l/2Esp （3.15）
水泥搅拌桩复合土层的压缩模量Esp可按式（3.16）计算：
Esp = mEp +（1 - m）Es （3.16）
式中：pz——水泥搅拌桩复合土层顶面的附加压力值（kPa）;
pz1——水泥搅拌桩复合土层底面的附加压力值（kPa）;
l——水泥搅拌桩桩长（m）;
Es——水泥搅拌桩桩间土的压缩模量（MPa）;
E p——水泥搅拌桩桩身的压缩模量（MPa）。
（2）水泥搅拌桩桩端以下未加固土层的压缩变形量s2，可采用现行国家规范《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）的有关规定计算。
3.4.1.5 水泥搅拌桩桩身的施工质量检验
（1）成桩后3天内，可用轻型动力触探（N 10）检查桩身的均匀性。检验数量宜为施工总桩数的1％，且不少于3根。
（2）成桩7天后，采用浅部开挖桩头（至设计桩顶标高处），目测检查水泥土桩均匀性，量测成桩直径。检查量为总桩数的5％。
（3）竖向承载水泥搅拌桩复合地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验和单桩载荷试验。
（4）桩间土检验采用原位测试和室内土工试验。
3.4.2 桂林岩溶区素混凝土桩（CFG桩）地基处理
素混凝土桩（CFG 桩）复合地基，主要用于处理桂林岩溶区粘性土、粉土、砂土和已完成自重压密的填土等地基。桩径一般要求取300～600 mm。但在桂林岩溶区的工程实践表明，很多工程采用桩径220 mm 的素混凝土桩，施工方便，工程成本较低，地基处理的效果良好。
3.4.2.1 复合地基承载力特征值fspk
复合地基承载力特征值fspk应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计可按式（3.13）估算。但公式中的桩间土承载力折减系数β，取0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值。
3.4.2.2 单桩竖向承载力特征值Ra
单桩竖向承载力特征值Ra的取值应符合下列规定：
当采用单桩载荷试验确定时，可将单桩竖向极限承载力除以安全系数2；但当地很少做载荷试验，因此，一般情况下，按式（3.17）估算：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中：up——桩的周长（m）;
n——桩长范围内所划分的土层数；
qsi——第i层土的桩侧阻力特征值（kPa）;
qp——桩端端阻力特征值（kPa）;
li——第i层土的厚度（m）。
3.4.2.3 桩身强度
桩体试块抗压强度平均值应满足式（3.18）的要求：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中：fcu为桩体混合料试块（边长150 mm 立方体）标准养护28 d后的立方体抗压强度平均值（kPa）。
3.4.2.4 复合地基沉降计算
复合地基沉降宜按式（3.19）计算：
s = s1 + s2 （3.19）
式中：s1——复合土层压缩量，（mm）;
s2——下卧土层的压缩量，（mm）。
s1、s2的计算可采用分层总和法，按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）的规定执行。
3.4.2.4.1 s1的计算
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中：Δpi——第i层土的平均附加应力增量，（kPa）;
hi——第i层计算土层的厚度，（m）;
Espi——第i层复合土体的压缩模量（MPa），按式（3.21）计算。
Esp = mEp +（1-m）Es （3.21）
式中：Ep——桩体压缩模量（MPa）;
Es——桩间土压缩模量（MPa）。
3.4.2.4.2 s2的计算
s2的计算公式同s1，其中作用在下卧层顶部的附加压力可采用压力扩散法或等效实体法确定。
复合地基的下卧层是指复合土层下未加固的土层。由于其未加固处理，土的工程特性没有改变，只是因其上复合土层的工程性能改善，导致下卧层的应力分布有所变化，故主要是设法计算比较合适的下卧土层的应力分布，然后再采用分层总和法计算其沉降s2。目前在工程实践中，计算复合地基下卧层附加应力分布的近似方法主要有应力扩散法、等效实体法等。
压力扩散法：该法是将复合土体作为加固的垫层，故作用于其上的荷载，即按一定的扩散角θ通过复合土体传递至下卧土层顶面。由此获得作用于下卧土层顶面的荷载平均应力，以及相应的作用范围，并以此计算下卧土层中的应力分布，求其沉降。
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
等效实体法：该法是将复合土体视为一局部的实体，犹如墩式基础。作用其上的荷载扣除周边摩阻力f后直接传至实体底面。故作用于下卧土层顶面的荷载应力为：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
上两式中：
pz——荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加压力值（kPa）;
L——基础的长度（m）;
B——基础的宽度（m）;
h——复合地基加固区的深度（m）;
a0,b0——分别为基础长度和宽度方向桩的外包尺寸（m）;
p0——复合地基加固区顶部的附加压力（kPa）；
θ——压力扩散角（°）；
f——复合地基加固区桩侧阻力（kPa）。
3.4.3 桂林岩溶区高压旋喷桩地基处理
高压旋喷桩复合地基适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。过去在桂林地区用得不多，现在越来越多用来处理岩溶地区软弱地基土层，例如，桂林市福泰房地产开发有限公司御林湾住宅小区、桂林市广运实业投资有限责任公司美居商贸城二期Al区、桂林市北斗置业发展有限公司铁西商住楼等工程中，均采用高压旋喷桩复合地基，用来局部软弱下卧层及溶槽内的软土处理、溶洞及“鹰嘴”灰岩等岩溶强烈发育区的处理，取得了很好的效果。高压旋喷桩复合地基的承载力特征值达到280 kPa以上，完全可以满足当地建筑物对地基承载力的要求。
3.4.3.1 高压旋喷桩复合地基承载力
高压旋喷桩复合地基承载力特征值fspk应通过现场载荷试验确定。初步设计可按式（3.13）估算。公式中的β为桩间土承载力折减系数，取值0～0.5，天然地基承载力较高时取大值。
3.4.3.2 高压旋喷桩单桩竖向承载力
高压旋喷桩单桩竖向承载力特征值可通过现场单桩载荷试验确定，也可按式（3.24）和（3.25）估算，取两者中的较小值：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中：fcu——与旋喷桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下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;
up——桩的截面周长（m）;
qsi——第i层土的桩侧阻力特征值（kPa）;
li——第i层土的厚度（m）;
Ap——桩的截面积（m2）;
qp——桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa）;
n——桩长范围内的土层数。
3.4.3.3 高压旋喷桩施工
以桂林市北斗置业发展有限公司铁西商住楼高压喷射注浆地基处理为例[41]，采用400 mm、500 mm桩径的DZ-3T振动式沉管桩机，其施工方法及工艺如下。
3.4.3.3.1 工艺流程
CFG 桩：先定出基础轴线，后根据CFG 桩平面布置图定出桩位→桩机对正桩位→当沉管到达设计标高后，就可以灌注混凝土→振动提拔沉管灌入拌和好的混凝土料→直至地面结束→成桩移机另一桩位。
高压喷射注浆：测放桩位→30型钻机引孔→穿过卵石→下塑料隔管→旋喷钻机对正孔位→灰浆制备→插管至设计桩底标高→喷浆试压→桩底旋喷浆液→恒速提升旋喷浆液桩顶标高→冲洗灰浆制备机具输浆管道→结束一根桩施工→移机对正下一孔位。
3.4.3.3.2 技术参数
CFG桩：桩身采用碎石（粒径3～5 cm）、石粉、水泥（强度等级32.5）；施工坍落度为30～50 mm；桩身混凝土强度等级C15，并进行配合比试验。
高压喷射注浆：旋喷速度为20转/min；提升速度为20 cm/min；旋转泵压不小于26 MPa；浆液配比为水：水泥＝1:1；相对密度为1.5。
3.4.3.3.3 施工质量检查
（1）桩头开挖检查：经开挖桩头检查，CFG 桩桩形好，桩头水泥土强度高，一般桩径大于500 mm，旋喷桩一般桩径达到600 mm左右；
（2）施工用水泥经复检合格；
（3）现场取54组水泥碎石桩混凝土试块自然养护，28 d抗压强度平均值为19.4 MPa，满足设计要求；
（4）经复合地基载荷试验检测，复合地基承载力达到280 kPa，达到设计要求；
（5）抽取施工总桩数的10％做桩基低应变检测，所测桩桩身结构完整，桩身混凝土强度等级达到C15，桩身质量达到设计要求。
3.4.4 桂林岩溶区地基灌浆处理
灌浆法是利用液压、气压或电化学的方法，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以充填、渗透或挤密等方式，进入土颗粒之间的孔隙中或土体的裂缝中，将原来松散的土体胶结成一个整体，形成强度高、防渗和化学稳定性好的固结体。
灌浆法可用于防渗、堵漏、地基加固和纠正建筑物偏斜，适用于处理砂及砂砾石地基、粘性土地及和湿陷性黄土地基等，尤其非常适合处理桂林漓江阶地以砂卵石为主的岩溶塌陷地基。
按照施工工艺和灌浆工作原理的不同，灌浆方法可分为下列几种：渗透灌浆、压密灌浆、劈裂灌浆、电化学灌浆。桂林岩溶区地基处理主要采用渗透灌浆和压密灌浆。
渗透灌浆：将注浆管埋设于需要灌浆的地层内，在灌浆泵输送压力的作用下，将调制好的浆液输送和渗透进入土的孔隙或岩石的裂缝中。如果孔隙、裂缝等通道的孔径不小而浆液的黏度不高（如水灰比大的水泥浆或其他黏度更小的浆材）且灌浆压力较大，则浆液将被压送到较远的距离以外，即浆液的扩散半径大。但当裂隙微小、连通性差且其间存在填充物时，则浆液不易扩散。岩石地基和大坝中的防渗帷幕灌浆，需要用高压水反复冲洗裂隙中的填充物，并在浆液中掺入2％水泥量的钠基膨润土，才能使浆液渗入细缝中。
渗透灌浆适用于中砂以上的砂砾石层，例如桂林漓江阶地以砂卵石为主的岩溶塌陷地基、市区松散的杂填土地基。
压密灌浆：采取较高的压力将浓浆（或水泥砂浆）经钻孔挤压入土体中而形成扩大了的球状、柱状等浆液固结体，以提高地基的承载力，减少建筑地基的变形。为了保持压密灌浆较高的压力，在钻孔套管或处理过的钻孔孔壁与注浆管之间应设置止浆塞（与大气隔开），从注浆管端部压出的“浆泡”，甚至可使局部土体向四方挤密和上抬。我国各地均有压密注浆成功的实例。
在红粘土地基中采用渗透灌浆的效果常不理想，原因是红粘土的粘粒含量较多、粒间孔隙小和透水性低等。
3.4.4.1 浆液扩散半径（r）的确定
由于当地没有成熟的确定浆液扩散半径r的设计经验，一般来说，可按灌浆体呈球形扩散来估算浆液扩散半径r，根据1938年马格（Maag）首次发表的牛顿型浆的球形扩散公式，浆液的扩散半径r可以由下式估算确定：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中：r0——灌浆管半径（cm）;
k——土的渗透系数（cm/s）;
h——与灌浆压力相当的水头高度值（cm）;
t——灌浆时间（s）;
n——土的孔隙率（%）；
β——浆液黏度对水的黏度比。
3.4.4.2 灌浆孔位布置
灌浆孔一般采取梅花形分布。
3.4.4.3 灌浆孔孔深
以穿透被处理的松散软弱层为主，一般应不低于6 m。
3.4.4.4 灌浆压力
在处理土洞地基时，若土洞内无充填物，一般可先在土洞内充填碎石或中、粗砂，然后进行渗透灌浆。渗透灌浆就是在压力的作用下，使浆液填充土洞内充填物的孔隙，并要求浆液不扰动破坏周围地基土层的结构。浆液的扩散能力与灌浆压力的大小密切相关，灌浆压力提高，可增大浆液扩散半径，增加可灌性。但是，灌浆压力太大，将有可能导致土洞周围地基土层的破坏，降低承载力，或者转变成劈裂灌浆，造成不必要的浪费；若灌浆压力太小，又不能灌满土洞内充填物的孔隙，降低处理效果。因此，进行土洞地基灌浆，必须选择一个合适的灌浆压力范围。目前，工程实践中灌浆压力的确定，多数是依据设计人员的经验来确定，部分工程通过现场试验确定。
桂林岩溶区灌浆压力经验一般为0.15～0.30 MPa，并根据吸浆量情况现场适当调整。
3.4.4.5 灌浆材料
一般采用普通硅酸盐水泥，灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，浆液配置以先稀后浓为原则。
3.4.4.6 灌浆结束标准
（1）灌浆过程中，当灌浆压力达到0.25～0.30 MPa并持续20～30 min不吸浆或吸浆量很少时即终灌；
（2）当灌浆过程中产生地面冒浆，且将冒浆部位堵塞后再灌，如此重复2～3次，再冒浆时即终灌。
3.4.4.7 质量检验
地基检测与检验可根据工程要求和当地经验采用开挖检查、钻探取心、标准贯入试验、动力触探试验、荷载试验等方法进行。
3.6.1地下水或地表水产生的潜蚀作用
在建筑物建成后，由于地基中有地下水，且地下水位经常波动，地下水（或地表水）产生的潜蚀作用或崩解作用，往往会形成土洞甚至塌陷，导致地基沉降变形，当地基产生的变形超过一定限度时，可引起建筑物的墙面开裂，危及建筑物安全。地下水潜蚀型塌陷形成的整个过程中时间可长可短，长者几年，甚至几十年，最短者只需几小时，主要取决于地下水水位变幅、频度、搬运能力、土体矿物成分、土层厚度以及地下岩溶的规模、连通性等。
3.6.1.1 地表水下渗产生的潜蚀作用
地表水的流动下渗进入地基土体中，当土层中地下水渗流的水力梯度大于临界水力梯度时，土体中的细颗粒在孔隙通道中移动并被携出，土层产生潜蚀破坏并形成土洞或塌陷。例如桂林理工大学（原桂林工学院）教四楼、原图书馆的墙体开裂，均是由于地表池内水渗漏产生潜蚀作用使地面变形所致。
3.6.1.2 酸、碱性污水入渗的化学潜蚀作用
酸、碱性工业废水具有很强的溶蚀能力，不但使场地排水设施迅速破坏，造成污水大量集中渗漏，而且入渗污水使土体中的可溶性组分被溶解淋滤，土体结构受到削弱，尤其是对于铁、钙质胶结的红粘土地基，土体强度降低，并加剧了入渗水流的潜蚀作用，形成土洞，导致盖层失稳塌陷。首先是含有各种酸（如H2SO4、HCl等）的废水排入地下后，溶解地基红粘土胶结，强度降低；其次是污水中的一些化合物（如H2S、NH3等）经过氧化作用后形成酸，增强了污水中的酸性，从而加剧了溶解作用；此外，地表废水（含污水）排入地下后，通过同离子效应或盐析作用，也会促使铁、钙质胶结物的溶解。
例如1983年桂林市第二纸造厂塌陷，该厂排出的酸性废水中pH 值小于2.0, Cl－含量达到61262 m g/L，这些废水通过排污沟渗入地下后，在附近钻孔中取地下水分析化验，结果为地下水中pH值小于6.0（区内地下水pH 值一般在6.5～8.5之间），Cl－含量在35～65 m g/L之间，最高达620.4 m g/L。据该厂处理车间勘探资料，施工49个钻孔中有26个孔遇到土洞，一些土洞中充填有酸、碱物质，塌陷即是由于含酸废水下渗，使地下水中pH 值降低，对土体中易溶盐的溶蚀作用加强，土洞规模不断扩大而导致塌陷。
3.6.2 岩溶区建筑物开裂原因调查及地基处理实例[43,44]
3.6.2.1 工程概况
桂林理工大学（原桂林工学院）老图书馆始建于1982年，建筑物主体为框架结构，三层。楼板与走廊均采用预制空心板。以前曾在多个部位尤其是卫生间附近位置、走廊及南楼东面山墙发现裂缝。大部分裂缝未见有新的发展迹象，也未做过任何岩土工程治理工作。
2000年3月图书馆的二、三楼局部走廊和局部墙体地面裂缝等裂缝发现有发展趋势。
2001年6月21日图书馆南楼南门台阶突然发生地面塌陷。桂林理工大学勘察设计研究院对塌陷进行加固处理，于2001年7月14日完成该塌陷的填充和灌浆工作，并于7月21日提交处理竣工报告。经近一年的观察证明，处理效果良好。
2001年7月23日图书馆南楼一楼、二楼局部墙体发现有裂缝，三楼楼面与北墙体有拉裂缝。这些裂缝的出现时间是在塌陷前还是在塌陷后无准确记录。
2001年9月3日该校原土木工程系开始对图书馆进行变形观测，到2002年4月19日共进行了8期共233日的观测工作，并于2002年4月提交了图书馆沉降变形观测中期技术总结，观测的结论是：图书馆的东北角区域明显上升约1.5 mm，西南角明显下沉约1.5 mm，即图书馆沉降变形存在由东北角向西南角方向有3 mm明显倾斜。
2002年4月30日现场踏勘工作，发现图书馆西南侧一楼墙体裂纹及楼面与北面墙接触处裂缝有发展，图书馆正大门南面二楼的楼梯口有新裂纹产生。
2002年6月8日，桂林理工大学勘察设计研究院开始地质钻探工作，主要是调查南楼柱基础下是否存在土洞、岩溶塌陷或软弱地层，分析开裂原因，提出地基加固及治理方案。
3.6.2.2 场地岩土工程地质条件
3.6.2.2.1 地层岩性
根据现场钻探，在该调查范围内主要分布的地层有：素填土、粉质粘土、粉土、细砂、卵石，描述如下：
素填土（ ：灰褐色—褐色，主要由粘性土组成，局部表面为砼地面。该层分布于图书馆整个场地。厚0.8～2.5 m，呈稍湿—湿、稍密状态。
粉质粘土（Q al）：黄褐、褐黄色，局部含铁锰质斑点及结核，个别地段可见到石英砂粒及云母。该层分布于整个场地，厚度差异较大，一般在0.80～3.20 m。主要呈湿—饱和，可塑状态②－2局部为硬塑状态②－1。
粉土（Q al）：褐黄色，局部可见石英砂粒及云母。局部地段砂性较强或粉质粘土呈团块状或条带状出现在粉土层中。该层厚度变化大，为0～1.90 m，分布不连续，呈饱和、中密状态。
细砂（Q al）：浅褐色，含云母片，局部地段含粘粒成分较多。该层分布于整个场地，但厚度变化大，为0.20～2.30 m，呈饱和、松散状态。
卵石（Q al）：本次勘察未完全揭穿该层。主要成分为石英砂岩，次圆状，粒径一般在30 mm左右，大者100 mm，含量约70％，局部地段有增减，在卵石骨架中为细砂、中砂充填。该层分布于整个场地，呈饱和状态。根据重型动力触探的测试及现场钻探结果，可将该层划分为⑤－1中密状态、⑤－2稍密状态、⑤－3松散状态及⑤－4稍密状态、⑤－5中密状态。其中，在钻孔3的6.4～9.10 m 深度范围，N 63.5值极低，（N63.5<1击/10 cm），将其划为⑤－3-1松散状态。
3.6.2.2.2 地下水
钻探过程中，部分钻孔遇到了地下水，地下水类型为上层滞水及潜水，前者主要赋存于填土中，后者主要赋存在粉土、砂及卵石层中。其初见水位埋藏深度2.0～6.0 m，混合稳定水位埋深为1.8～6.0 m。主要为大气降水渗透补给，潜水地下水与小东江、漓江有密切水力联系，据前人研究结果，地下水位波动幅度为3～5 m。
3.6.2.2.3 不良地质现象
钻探过程中未发现土洞及岩溶塌陷等不良地质现象。
3.6.2.2.4 地基岩土参数
场地内除填土层外，各地层的地基承载力特征值和压缩模量，根据现场钻探、原位测试及室内土工试验结果综合分析，按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）的规定，并参照其他地方规范，结合本地区的建筑经验，确定如表3.2。
表3.2 岩土参数建议值Table 3.2 Proposal values for geotechnical param eters
3.6.2.3 墙体开裂原因分析
3.6.2.3.1 墙体开裂情况
多年来，图书馆多处出现裂缝，具体位置如下：
南楼一楼局部隔墙、窗台角，出现约45°方向，宽约0.1～2 mm 的裂缝。个别梁出现5～10 mm裂缝；
南楼二楼局部隔墙发现有裂隙。正大门南面二楼楼梯部位有新裂缝。二楼走廊个别桃梁和走廊有裂缝；
南楼三楼楼面在梁中（预制板接合部位）有裂缝，与北面墙体有拉裂缝；
楼顶东面、北面女儿楼也发现有裂缝。
3.6.2.3.2 原地基基础设计概况
该图书馆为三层框架结构，采用柱下浆砌片石条形基础和钢筋混凝土独立柱基础（柱间为片石基础），条形基础宽1.0～1.2 m，南楼A轴柱子处放大为1.4 m ×2.15 m; B轴柱基础尺寸为2.8 m ×1.8 m ～3.2 m ×2.00 m。基础埋深均为－2.40 m。地基持力层主要为粉质粘土，局部为粉土（原定名分别为亚粉土和轻亚粉土，下同），地基承载力均用196kPa（即20 t m/2）。
而且，从南门塌陷中出露的浆砌片石基础看出，原基础施工质量差、相当部分水泥砂浆与片石之间基本不满缝不胶结。
从上述资料可知：南楼A、B轴，基础类型不同，基础尺寸也相差较大。
3.6.2.3.3 地下水或地表水产生的潜蚀作用
图书馆天井鱼池水有渗漏现象，经调查发现在未维修前鱼池有多处漏水，需要不断补充水才不至于鱼池的水漏干。在2001年7月南门塌陷和基础灌浆处理后，鱼池漏水量减少。这不但说明鱼池漏水，且片石基础孔隙大，并与岩溶塌陷有通道关系。该地表水的渗漏，对地基土产生浸泡软化潜蚀的作用。
此外，据分析，与图书馆紧邻的新教学楼冲孔桩基础施工时，大量抽排渣，和回灌大量混凝土，破坏了该塌区原地下水的平衡条件，使地下水位的波动变大和流动速度加快，加剧了地下水对地基土的软化潜蚀作用。
3.6.2.3.4 荷载原因
图书馆南楼三楼，靠南面半边设置仓储式书架，藏书50000多册，增加了南侧楼板及墙柱的荷载。由于南楼南北两边柱基类型和尺寸不同，南侧基础底面尺寸较小，该地基附压力增大，沉降变形增大。
3.6.2.3.5 地基条件分析
图书馆南侧场地地基持力层为粉质粘土、粉土、细砂及卵石层，地基土具有不均匀性，主要表现为：
按基础埋深2.40 m 考虑，大多基础直接持力层为粉质粘土层（硬—可塑状态），但局部（如22号孔柱位及13号孔柱位）则为软塑状态，而7号孔柱位，基础则置于粉土层上（中密状态）。粉质粘土层厚度变化较大，为0.8～2.10 m 左右；
下卧层为粉土层（中密状态）、细砂层（松散状态），分布亦不连续，厚度变化亦大（厚度分别为0～1.9 m，及0.2～2.30 m），粉土层面坡度有的地段较大。
在应力影响深度内，可压缩的松散细砂层厚度亦变化较大，如22号孔柱位为1.5 m, 18号孔柱位为0.50 m 等，这必然表现为地基沉降变形的差异。
3.6.2.3.6 地基沉降变形分析
以三条主要代表性剖面进行地基沉降变形计算。根据图书馆现有的荷载情况（书籍等堆载及活荷载）估计单柱荷载为983 kN，柱自重13.5 kN。按原基础设计尺寸，其有关参数为表3.3所列。地基沉降计算中所采用的有关参数按表3.2建议，沉降计算结果为表3.4。
表3.3 基础结构有关参数Table 3.3 Relevant parameters for base
表3.4 沉降计算结果Table 3.4 Result of settlement calculation
对于框架结构的工业与民用建筑，变形计算需进行柱基之间、柱基与墙基之间的沉降差进行评价，其计算结果为表3.5。
从以上计算可知：不论柱基础之间，还是柱间填充墙与柱基础之间的局部倾斜和沉降差均超过国家规范的允许值。
综合上述分析，图书馆南侧墙体开裂的原因就是多因素作用的结果，但最为关键的原因是地基土的不均性，导致差异沉降量过大，超过现行规范的有关规定，致使结构受损。
3.6.2.4 地基处理
为了提高地基土的强度和稳定性，对松软地层分布地段的地基进行压力灌浆处理。
表3.5 柱基间变形计算结果Table 3.5 Calculation results of deformation between the column bases
3.6.2.4.1 灌浆的原理和目的
利用压力灌浆方法将水泥浆分段充填到软弱层以及片石基础孔隙中，防止地层中的孔隙发展，形成土洞，诱发塌陷。同时，改善软弱土层的力学性能，提高地基基础的稳定性。
3.6.2.4.2 施工工艺
（1）先用工程钻机φ108 mm～Φ127 mm 钻孔，进入松散状态卵石层2～3 m 或到达稍密以上卵石层层面，下灌浆管。
（2）用DY-70型或H BW 50/1.5型灌浆泵自下而上分段灌浆。最上段止浆深度一般在1.6 m处。
（3）本次灌浆采用强度等级为32.5的普通硅酸盐水泥，灰水比为1:1～1.5:1，浆液配置以先稀后浓为原则。对吸浆量较大的钻孔地段，视现场实际情况进行调整。
（4）灌浆压力最下一段用0.2～0.3 MPa，最上一段用0.1～0.2 MPa，根据吸浆量情况进行调整注浆压力。
（5）终灌条件以灌浆压力和吸浆量控制：下段特别是在松散卵石段，如压力达到0.4MPa，并持续30 min吸浆量很少时即终灌；如吸浆量很大，压力很低，则间歇6 h后再灌；上段压力控制在0.2 MPa时，吸浆量很小时终灌。
3.6.2.4.3 质量检测
2002年8月12、13日及8月21～8月24日分别在室内、室外早期施工地段随机选取5点进行检验，以检查施工效果。本次检测采用取心观察和原位标准贯入试验结合重型圆锥动力触探方法。对于上覆的粉质粘土层及细砂层进行原位标准贯入试验；而下卧的卵石层则进行重型圆锥动力触探试验。
（1）通过钻孔取心观察发现，粉质粘土层及细砂层中见少量的水泥浆结块，而卵石层中则充满了团块状、条纹状水泥，且水泥浆部分已凝结成块，部分尚未凝固。
（2）现将检测结果与未进行地基处理前相邻勘察孔的结果，进行对比统计，见表3.6至表3.10。
表3.6 原30号勘察孔与1号检测孔原位测试成果对比Table 3.6 In-situ results comparison of the 30th investigation hole and the 1st testing hole
表3.7 原26号勘察孔与2号检测孔原位测试成果对比Table 3.7 In-situ results comparison of the 26th investigation hole and the 2nd testing hole
表3.8 原20号勘察孔与3号检测孔原位测试成果对比Table 3.8 In-situ results comparison of the 20th investigation hole and the 3rd testing hole
表3.9 原21号勘察孔与4号检测孔原位测试成果对比Table 3.9 In-situ results comparison of the No.21 investigation hole and the 4th testing hole
表3.10 原26号勘察孔与5号检测孔原位测试成果对比Table 3.10 In-situ results comparison of the 26th investigation hole and the 5th testing hole
检测结果表明：处理后卵石层的重型动力触探试验锤击数均有明显的提高，而粉质粘土层中的标贯击数无变化，说明水泥浆在卵石层中胶结较好，灌浆效果甚佳；在细砂层中其锤击数也有所提高。改善了土层的力学性能。
由于时间关系，检测部分地段的灌浆时间在2周左右，灌入的水泥浆未到固结所需的时间，随着时间的推移，水泥浆还会进一步固结。
3.3.1 工程概况
桂林市兴进实业有限责任公司电线电缆厂小区兴建7号商品住宅楼。为11～12层，全框架结构，设一层地下停车场。在钻探过程中，发现场地内94＃钻孔发育有一土洞，土洞位于地表以下深度5.00～8.50 m 处，该土洞顶面厚度5.00 m，洞高3.50 m。94＃钻孔地层组成为：0.00～27.00 m 为硬塑含卵石粉质粘土，其中13.00～15.00 m 为硬塑粘土夹层，27.00 m 遇石灰岩，硬塑含卵石粉质粘土重度γ＝19.5 kN/m 3，黏聚力为c=46kPa，内摩擦角为φ＝20.6°，拟采用筏形基础。
以94＃钻孔位置为中心，半径为3.0 m 的周围范围内均匀补充布置4个钻孔，未发现有土洞，说明该土洞只是存在于局部地段，规模不大，可认为土洞的直径近似为3.50 m。
3.3.2 土洞成因分析
场地内广泛分布的含卵石粉质粘土，为黄褐色—褐黄色，硬塑状态，由粉质粘土和卵石组成的混合土，卵石成分主要为风化状砂岩，粒径一般在30～70 mm，最大达110 mm；含量约为10％～30％，局部达40％，局部有增减，卵石分布不均匀。场地内地下水稳定水位埋深为2.00～14.40 m，相当于标高158.84～147.90 m，有少数钻孔未见地下水，由此可知该场地的地下水位差异较大。该地下水类型为赋存于粘土和含卵石粉质粘土层中的局部上层滞水。主要靠大气降水以及局部生活用水的渗透补给，据当地区域水文资料：该地下水水位年变幅为1～3 m。该区土洞的形成与发展主要受以下几种因素影响：
3.3.2.1 地下水（地表水）产生的渗透潜蚀作用
潜蚀是在地表水或地下水的渗透作用下，土体中的细颗粒在孔隙通道中移动并被携出的现象。岩溶区地下水位的下降，使地下水的水力梯度和流速增大，动水压力增强，从而对岩溶洞隙通道中的松散充填物和覆盖层产生侧向潜蚀、冲刷，土洞不断向上扩展而导致塌陷。
在岩溶区的土层中，渗透水的水力梯度加大，水力流速加快，动水压力增强，且水力坡度达到某一临界值Jk 时，土中细粒被渗流带走迁移，产生土洞甚至塌陷。太沙基（1933）根据单位体积的土体在水中的浮重和作用于该体积的渗透水相平衡原理，得到土体产生潜蚀作用的临界水力梯度Jk的表达式，与式（1.43）相同。
当土层中地下水渗流的水力梯度大于临界水力梯度Jk时，土层就有可能产生潜蚀破坏。根据在含卵石粉质粘土所采取的23 件土样分析结果显示，其土颗粒相对密度为2.68～2.77，孔隙度n为35.6％～52.4％，则其产生潜蚀的临界水力梯度为0.80～1.14，当地下水位急剧变化时，其水力坡度就有可能超过临界水力坡度，土体将产生潜蚀破坏。
此外，地表水下渗也会产生潜蚀作用。桂林属亚热带气候，降水量丰富，年均降水量为1926 mm，且具有降水相对集中的特点，夏季4～7月份降水约占全年的62％。高强度地表水的迅速流动，形成相对较高的水力梯度，下渗进入地基土体中，当土层中地下水渗流的水力梯度大于临界水力梯度时，土体中的细颗粒在孔隙通道中移动并被携出，土层产生潜蚀破坏并形成土洞或塌陷。
3.3.2.2 真空吸蚀作用
在2004年11月18日测量的94＃钻孔地下水位埋深为5.10 m，而土洞位于地表以下深度5.00～8.50 m 处，地下水位正好在土洞范围内变化，具备产生真空吸蚀作用的条件，从而导致土洞进一步发展扩大，甚至塌陷。
3.3.2.3 地下水位波动的崩解作用
一般来说，红粘土（次生红粘土）含有较多的亲水矿物，它们的结构联结力较弱，易于水化，遇水易产生崩解。当土层出现干湿交替变化，土层的含水量或饱和度产生较大变化时，土层更容易崩解。据当地区域水文资料：该地下水水位年变幅为1～3 m，有利于土层产生崩解作用。不同水质的水体对土体崩解的影响存在明显差别，其中，酸性水体的作用更具有突发性。该区地下水的pH =6.0，呈弱酸性，也有利于土体的崩解。
3.3.2.4 地下水的溶（侵）蚀作用
该区域的地层由红黏土或次生红黏土等类型组成，土颗粒之间多被铁、钙质胶结，据该场地内地下水水质分析结果表明，地下水的pH =6.0，呈弱酸性，地下水可使土体中的可溶性组分被溶解淋滤，土体结构受到削弱，尤其是对于铁、钙质胶结的红粘土地基，土体强度降低，并加剧了入渗水流的潜蚀作用，形成土洞，导致盖层失稳塌陷。
图3.1 土洞顶板稳定性示意图Fig.3.1 Diagram for roof stability in soil cave
3.3.3 土洞地基稳定性评价
3.3.3.1 极限平衡法
土体内部形成空洞前，在垂直应力和水平应力作用下处于自然平衡状态。随着土洞的出现，上部土体失去支撑，应力状态发生变化，如图3.1所示。
假若土洞平面范围为长条形，作用在土洞顶板上的压力为p0，那么p0主要由以下作用力组成：
p0 = G -2F （3.1）
式中：p0——土洞单位长度顶板上所受的压力（kN/m）;
G——土洞单位长度顶板上土层的总重量（kN/m）,G=2aγH;
a——土洞长度的一半（m）;
γ——土的重度（kN/m 3）;
H—— 地表至土洞间土层厚度（m）;
F——土洞单位长度侧壁的摩阻力（kN/m）。
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中：N 为楔形体在侧壁上的土压力（可取为土的静止土压力），N=K0 ·γH。
因此式（3.1）可变为：
p0 =2aγH－γH2 ·K0 ·ta nφ－2cH （3.3）
由式（3.3）可以看出，当p0 =0时，亦即H 增大到一定厚度时，顶板上方土体恰好处于基线平衡状态，若将这时的H 称为临界厚度H0，有
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
当H <H0时，可认为顶板不稳定。
若基底存在附加压力p（如建筑物基底附加应力），则式（3.1）变为：
p0 = G -2F +2ap =2aγH－γH2 ·K0 ·tanφ－2cH +2ap （3.5）
令p0=0时，化简式（3.5）得到临界厚度H 0为：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
当土洞平面范围为圆形时，且地基上有建筑物基底附加压力p，作用在土洞顶板上的压力pO为：
p0 = G -F ＋πa2 ·p （3.7）
式中：G＝πa2γH。
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
当土洞处于极限平衡状态时，土洞顶板的压力p0 =0，式（3.7）变为：
πa2γH－（πaγH 2 ·K0 ·tanφ＋2πa·cH）＋πa2 ·p =0 （3.8）
化简式（3.8）得到临界厚度H0为：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
将计算参数代入式（3.9），其中a=1.75 m；γ＝19.5 kN/m 3，φ＝20.6°，c =46kPa，基础地面到土洞顶面距离H =4.0 m，建筑物基底压力p=200kPa，侧压力系数K0取0.6，得到土洞地基临界安全厚度H0=4.50 m,H =4.0 m<H0=4.50 m，土洞地基不稳定。
3.3.3.2 压力拱分析法
发育于松散土层中的土洞，可认为顶板将成拱形塌落，而其上荷载及土体重量将由拱自身承担。用普氏压力拱法来评价岩溶地基的稳定性，方法简单明确。它最初是在地下工程或采矿工程中用来计算围岩压力，后来被引用来评价岩溶地基溶洞和土洞的稳定性。普氏压力拱的高度h1表达式为：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中：h——洞体的高度（m）;
a——空洞长度的一半（m）。
当溶洞或土洞洞体顶板以上岩土体的厚度大于普氏压力拱的高度h1，则认为地基处于稳定。将计算参数a=1.75 m,h=1.75 m，φ＝20.6°代入式（3.10），得到土洞地基临界安全厚度Ho=6.83 m,H=4.0 m<H0=6.83 m，土洞地基不稳定。
因此，若想采用筏形基础，须采取地基处理措施。
3.3.4 土洞塌陷地基的处理
对于场地内94＃钻孔中的土洞用砼充填满，再采用压力灌浆方法，将水泥浆液充填到土洞和土洞周围土层的孔隙中，以防止土洞的进一步发展，确保地基稳定和建筑物安全，使地基承载力特征值达到180kPa的设计要求。
3.3.4.1 工作量布置
本次地基加固的范围是根据场地勘察资料结果确定的范围，同时考虑了不良地质作用的分布范围、发展方向以及基础应力的影响深度，施工中进一步确定了软弱下卧层分布范围。
钻孔布置原则：沿土洞分布范围及基础方向在软弱下卧层范围内布置灌浆（或填砼）钻孔，灌浆（或填砼）钻孔间距为0.75～1.20 m。根据场地土洞规模，本次地基处理布置9个压力灌浆钻孔及8个填砼钻孔，填砼钻孔与压力灌浆钻孔交错布置。处理深度达到土洞地层的底面，采用32.5 MPa级普通硅酸盐水泥。
3.3.4.2 施工步骤
确定施工孔位→钻机就位→钻机成孔→安放灌浆管（花管）→拌浆→灌浆→封孔→移位。
3.3.4.3 施工方法
（1）先以GY-50-1型钻机以Φ110 mm 钻具钻至土洞底面（硬塑含卵石粉质粘土），对土洞用砂或碎石砼充填，然后放入灌浆花管，（根据现场情况也可直接用钻机将灌浆花管打入到灌浆底部），然后用H BW 50/1.5型水泥砂浆灌注泵进行水泥压力灌浆。
（2）采用自下而上分段灌浆，灌浆段为1.0～1.5 m。灌浆水泥用32.5强度等级普通硅酸盐水泥。
（3）灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，浆液配置以先稀后浓为原则。灌浆压力一般为0.15～0.30 MPa，并根据吸浆量情况现场适当调整。
3.3.4.4 终灌条件
（1）灌浆过程中，当灌浆压力达到0.25～0.30 MPa并持续20～30 min不吸浆或吸浆量很少时即终灌。
（2）当灌浆过程中产生地面冒浆，且将冒浆部位堵塞后再灌，如此重复2～3次，再冒浆时即终灌。
（3）对于吸浆量很大的孔，则采用间歇6～12 h后再灌，以控制灌浆压力及控制水泥浆液的流失。
3.3.4.5 质量检验
本次土洞地基处理于2005年4月29日施工结束，施工结束3天后对地基处理质量采用重型圆锥动力触探试验进行检测。检测结果表明，土洞已被混凝土及水泥浆填满，在土洞发育段5.00～8.50 m 范围内的地基承载力特征fak值在180kPa以上，满足设计要求。
3.3.5 结论
土洞是岩溶地基常见的不良地质现象之一，地下水（地表水）产生的渗透潜蚀作用、崩解作用等是土洞形成和发展扩大的重要原因。采用极限平衡法和压力拱分析法，对场地中发育的土洞进行稳定性判别，判别结果为不稳定，若想采用筏形基础，需对地基进行处理。在土洞中充填砼，再采用压力灌浆，灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，灌浆压力一般为0.15～0.30 MPa。经检验地基处理效果好，达到设计要求。
调整柱距处理岩溶塌陷地基的距离确定[]
处理的措施可分为两类:一类是对塌陷地基进行地基处理,如清土换填、灌浆加固等;另一类是结构设计中采用处理措施,如梁板跨越、调整柱距等。在不影响建筑物使用功能和整体稳定性的情况下,当选用独立柱基时,通过设计调整柱距,使独立柱基的基础底面不直接坐落在塌陷土体(土洞)之上,不失为一个好的处理措施。但在工程...
岩溶地区岩土工程勘察现状
（5）插钎：用一定长度钢钎（筋）按一定的间距插入上覆土层，用来查明土层中是否发育有岩溶土洞。例如广西桂林岩溶地区，在地基基坑开挖后，一般采用插钎来进一步查明土层中是否存在土洞或塌陷软弱层，实践证明该法效果显著。该方法还具有施工简单、经济实用的特点。1.1.2 岩溶地基稳定性评价 岩溶地基...
岩溶区土洞地基灌浆处理中灌浆压力的确定
岩溶地区中常常发育有土洞,在这些地区从事工程建设,若不对土洞采取有关处理措施,将会对建(构)筑物产生不利的影响,如地基不均匀沉降,建(构)筑物开裂,或者引起土洞地基塌陷失稳。灌浆是岩溶区土洞地基一种常用的地基处理方法,它施工简便,实用有效,运用广泛,岩溶地区有许多工程采用灌浆处理地基中的土洞,效果良好。
基于渗流理论的岩溶地基稳定性分析
有一点需注意的是,考虑到地基土是在水的渗透浸泡下,因此,其抗剪强度指标应该取不排水强度试验。 1.9.3.2 土洞地基失稳破坏分析 桂林岩溶区的红粘土,一般呈现上硬下软的分布特征(广西岩溶地区也大都如此),尤其是靠近基岩附近,或溶沟、溶槽地带,常分布有软、流塑粘性土,其抗冲(侵)蚀能力弱,常常有土洞发育。
岩溶区岩石地基承载力的确定
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响 4.2.2.3 底面存在溶洞时岩石地基承载力 当桩基础底面以下存在溶洞时,此时岩溶地基稳定性是主要问题,当溶洞顶板有足够的厚度,不影响地基的稳定时,可直接采用式(4-6)确定岩石地基极限承载力;当溶洞顶板厚度不够并有可能导致岩溶塌陷时,此时桩基础应穿过溶洞至下伏完整石灰岩,或...
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窄忽杰宾： 土质较差地基处理方法有: 1、重锤夯实:利用重锤自由下落所产生的较大夯击能来夯实浅层地基,使其表面形成一层较为均匀的硬壳层,获得一定厚度的持力层. 2、换土垫层:换土垫层就是将独立基础下面一定厚度的软弱土层挖除,然后以中砂、粗砂、砾石、碎石或卵石、灰土、以及其他性能稳定、无侵蚀性的材料填实.垫层应分层夯实,每层夯实后的密度应达到设计标准.
平塘县19876075396： 高层建筑工程地质勘察要点有哪些? - ？
窄忽杰宾： 高层建筑工程地质勘察要点为: 1、勘探孔布置见附图,勘探单位可根据现场情况适当调整,但应满足:控制性孔占勘察孔总数约1/3,取土样试样和进行原位测试的勘察孔在平面上均匀分布,其数量占勘探孔总数为1/3~1/2. 2、钻孔深度:...
