陳 靖

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430063)

地下水位變化對(duì)巖溶區(qū)建筑地基的穩(wěn)定性分析

陳 靖

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430063)

基于巖溶區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以地下水位的變化為主要影響因素，運(yùn)用有限元軟件對(duì)巖溶塌陷區(qū)附近的建筑物地基進(jìn)行穩(wěn)定性分析．通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)和有限元模擬數(shù)據(jù)的分析可得，地下水位的變化會(huì)引起巖溶區(qū)土洞的變化，從而影響著巖溶區(qū)建筑的穩(wěn)定性，因與塌陷區(qū)距離的差異性，建筑地基將出現(xiàn)明顯的不均勻沉降，嚴(yán)重威脅著巖溶區(qū)的生命財(cái)產(chǎn)安全;數(shù)值計(jì)算和監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)相近，數(shù)值計(jì)算對(duì)巖溶區(qū)地下水位變化時(shí)建筑地基的穩(wěn)定性分析有著一定的參考性．

巖溶；地下水；有限元；建筑地基；穩(wěn)定性

巖溶塌陷作為一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，從不同方面影響著工程建設(shè)．隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，工程建設(shè)不斷增多，越來(lái)越多的工程將不可避免的建在巖溶區(qū)[1-2]．一旦巖溶發(fā)生塌陷，則巖溶區(qū)周圍建筑將受到嚴(yán)重?fù)p壞，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及人們的生命[3]．大型工程在前期都將進(jìn)行詳細(xì)勘察，盡可能的避開巖溶區(qū)，但是中國(guó)巖溶面積廣闊，因此在很多巖溶區(qū)仍建有大量的工程建筑，其中以小型的淺基礎(chǔ)建筑為主[4]．本文以地下水的變化為主要影響因素，利用ABAQUS有限元軟件建立巖溶區(qū)數(shù)值模型，并結(jié)合益陽(yáng)市岳家橋巖溶區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析巖溶區(qū)建筑地基的穩(wěn)定性[5]．

1 巖溶區(qū)基本概況

自1979年以來(lái)，湖南省益陽(yáng)市赫山區(qū)岳家橋鎮(zhèn)發(fā)生地面塌陷累計(jì) 716處，其中溪河塌陷近100處，民房開裂近150處，并造成危房約160棟；同時(shí)2座水庫(kù)、11處攔水壩、26個(gè)水塘和2處通訊設(shè)施被破壞，受損農(nóng)田約1 333 ha，直接經(jīng)濟(jì)損失近2億元．

1.1 巖溶區(qū)基本水文和地質(zhì)情況

該地區(qū)全年降雨量豐富，多年平均降水量達(dá)1 465.10 mm，最大年降水量2 239.00 mm，同時(shí)各月降水分布不均，大部分水量集中在4-9月，約占全年降水量的65 %以上，尤4-6月最多，占全年降水的43 %，1-3月和10-12月降水量較少，約占全年降水量的34 %以下．地表水系發(fā)達(dá)，巖溶區(qū)分布著大量的溝渠和水塘，泉交河支流從該地區(qū)流過(guò)；同時(shí)地下河流眾多，距巖溶區(qū)不遠(yuǎn)處存在著大型煤礦(煤礦以1.25×104t/h 抽排地下水)．

該巖溶區(qū)地處湘中丘陵與洞庭湖沖積平原的過(guò)渡地帶，以剝蝕丘陵地貌為主，間夾少量巖溶丘陵地貌及侵蝕堆積地貌．據(jù)勘察可得，該巖溶區(qū)主要地層為耕田、粉質(zhì)粘土、圓礫、砂質(zhì)粘性土和中風(fēng)化灰?guī)r等，其中主要巖土體基本物理性質(zhì)如表1所示．

1.2 巖溶和土洞發(fā)育情況

該巖溶的形成發(fā)育與地面的塌陷，都與水密切相關(guān)．針對(duì)岳家橋巖溶塌陷區(qū)，分別對(duì) 15個(gè)塌陷坑進(jìn)行了詳細(xì)的勘察．據(jù)勘察，該場(chǎng)區(qū)巖溶深度一般在30 m以內(nèi)，溶洞絕大部分發(fā)育在純灰?guī)r中，鉆孔見溶洞率為51.6 %，見溶洞、土洞率合計(jì)為87.1 %，其塌陷坑坑口口徑一般為5.5 m-29.8 m．坑口規(guī)模一般為60 m-550 m深度一般為3 m-10 m，最深的T11坑，開始塌陷時(shí)深達(dá)20 m．

本次以T3塌陷坑為分析對(duì)象，T3塌陷坑位于岳家橋村廖家洲組，塌陷坑西北側(cè)約50 m處為泉交河支流，現(xiàn)塌陷坑4周為稻田及耕土，變形面積為805.5 m2．根據(jù)鉆探揭露：T3塌陷坑上覆第四系厚度19. 4 m，由耕土、粉質(zhì)粘土和砂質(zhì)粘性土組成，地下發(fā)育著一個(gè)近似圓形的土洞，長(zhǎng)約10 m，寬約8 m，高11.2 m．在南側(cè)距塌陷坑中心約20 m的地方存在民房，且房屋地坪已經(jīng)發(fā)生開裂．T3塌陷區(qū)簡(jiǎn)圖見圖1[6]．

表1 巖土體物理參數(shù)

圖1 T3塌陷區(qū)基本簡(jiǎn)圖

2 巖溶區(qū)監(jiān)測(cè)

因 T3塌陷坑影響較大，在距離塌陷坑中心約20 m處存在房屋建筑，T3塌陷坑為岳家橋巖溶區(qū)監(jiān)測(cè)得重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域．為有效保證巖溶塌陷區(qū)群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，做出及時(shí)有效的預(yù)報(bào)預(yù)警，并結(jié)合科研任務(wù)的需要，對(duì) T3塌陷坑進(jìn)行了地表沉降、水體參數(shù)和房屋裂縫的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)．

2.1 地表沉降分析

通過(guò)對(duì)巖溶區(qū)地表進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，可有效的監(jiān)測(cè)塌陷坑周圍的變形情況及治理效果，并抓住巖溶塌陷的前兆，盡量減少巖溶再次塌陷產(chǎn)生的損失[7]．根據(jù)塌陷區(qū)實(shí)際情況，在塌陷區(qū)地表設(shè)置兩個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)3-1和3-2，并在塌陷區(qū)較近的通視好的穩(wěn)定區(qū)設(shè)置3個(gè)水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)．T3塌陷區(qū)地表沉降累計(jì)變形曲線如圖2所示．

通過(guò)對(duì) T3塌陷區(qū)的兩個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析可得，在1月份至于7月份，地表沉降量不斷增加，但其增長(zhǎng)速度卻不斷減慢，8月份后沉降量基本穩(wěn)定，在小范圍內(nèi)波動(dòng)．3-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降量為46.21 mm，3-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降量40.48 mm．整體上3-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)比3-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量要偏小，但2個(gè)點(diǎn)的變形趨勢(shì)基本一致．

圖2 T3塌陷區(qū)地表沉降累計(jì)變形曲線

2.2 房屋裂縫分析

T3塌陷坑距離附近的房屋很近，前期的塌陷已經(jīng)導(dǎo)致附近房屋地坪產(chǎn)生嚴(yán)重的開裂，房屋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的裂縫，因此對(duì)塌陷坑周圍房屋裂紋的監(jiān)測(cè)顯得非常重要．為有效防止再次塌陷對(duì)附近房屋造成新的損壞，監(jiān)測(cè)中對(duì) T3塌陷坑周圍的兩棟距塌陷坑約30m的民房屋的新裂縫進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其編號(hào)分別F1和F2．T3塌陷區(qū)房房屋裂縫變化曲線如圖3所示．

圖3 T3塌陷區(qū)房房屋裂縫變化曲線

從圖3可以看出，通過(guò)對(duì)T3塌陷坑附近的房屋裂縫F1和F2的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，當(dāng)?shù)叵滤蛔兓瘯r(shí)，房屋裂縫不斷增加，且在汛期時(shí)房屋裂縫變形速度最快，在汛期過(guò)后，變形速度不斷減慢，處于基本穩(wěn)定．兩個(gè)房屋裂縫變形趨勢(shì)基本一致，且F1的變形量大于F2的變形量．

2.3 水體參數(shù)分析

地下水的變化是影響巖溶穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素[8]，為很好的了解地下水變化與巖溶塌陷的相關(guān)性，本次檢測(cè)中使用便攜式水位計(jì)、手持式超聲波流量計(jì)和便攜式流速儀等相關(guān)儀器，對(duì) T3塌陷坑周圍的DJ3監(jiān)測(cè)孔進(jìn)行了地下水水位、流量和流速變化監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)．T3塌陷區(qū)水位變化曲線如圖4所示．

圖4 T3塌陷區(qū)水位變化曲線

通過(guò)對(duì)圖4的T3塌陷區(qū)水位變化曲線的分析可得，巖溶區(qū)的地下水存在明顯的上下波動(dòng)，水位最高時(shí)約20.0 m，水位最低時(shí)約14.0 m，地下水位最大變化差約為6.0 m．地下水位在汛期時(shí)上升，在旱季時(shí)下降，存在明顯的季節(jié)性變化，因此地下水位的變化對(duì)巖溶區(qū)建筑穩(wěn)定性有著明顯的影響．

3 有限元法的穩(wěn)定性分析

地下水位的變化是土洞形成和發(fā)育的關(guān)鍵性因素，同時(shí)也是影響巖溶區(qū)穩(wěn)定，從而影響巖溶區(qū)建筑物穩(wěn)定性的重要因素．因 ABAQUS有限元軟件能有效反應(yīng)土體的形狀的本構(gòu)模型，能夠進(jìn)行有效壓力和孔壓的計(jì)算，因此利用ABAQUS有限元軟件對(duì)水位變化時(shí)巖溶區(qū)建筑的穩(wěn)定性分析有著很好的適用性．

3.1 巖溶區(qū)地下水位變化對(duì)建筑的影響機(jī)理

影響巖溶區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性的影響很多，但是地下水的變化是其中非常重要的因素．因巖溶區(qū)的建筑為與巖溶區(qū)表面，則巖溶區(qū)建筑物的穩(wěn)定性與巖溶場(chǎng)地的穩(wěn)定性息息相關(guān)，巖溶區(qū)地表的沉降，直接影響著建筑物的變形及其穩(wěn)定性．

地下水的變化主要包括地下水位、流速、流量和水力坡度等的變化．地下水的變化影響因素很多，可以是人工降水引起的水位變化，也可以是季節(jié)變化，降雨引起的水位變化，但在實(shí)際中各種因素相互影響，相互存在．當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，則巖溶區(qū)將出現(xiàn)浮托失重的現(xiàn)象，既水位下降，整體土體的重量將減小，浮力也將減小，整個(gè)場(chǎng)地的原有應(yīng)力平衡將被打破．其浮托力的消減變化為[1,9]：

式中：DP為浮托力消減量；γ為水位下降后的土體重度；γ為水位下降前的土體浮重度；g￠為地下水位的下降值．

土洞在土體中各種應(yīng)力的共同作用下，處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，當(dāng)土洞不斷發(fā)育、巖溶區(qū)外部環(huán)境發(fā)生變化和外部荷載等的影響下上部土體將失去支撐，應(yīng)力狀態(tài)也將發(fā)生變化，土洞頂板穩(wěn)定性示意圖如圖5所示．

圖5 土洞頂板穩(wěn)定性示意圖

式中：G為空洞單位長(zhǎng)度頂板上土層的總重量(kN/m)，且h為地表至洞頂?shù)木嚯x．

式中：P0為空洞單位長(zhǎng)度頂板上所受的壓力(kN/m)；d為空洞長(zhǎng)度的一半(m)；γ為土的重度(kN/m3)；H為地表至溶洞間土層厚度(m)；N 為楔形體在側(cè)壁上的土壓力，

當(dāng)土洞處于平衡狀態(tài)時(shí)，P0=0，則土洞臨界安全厚度H0為

3.2 有限元模型的建立

根據(jù) T3塌陷坑勘察和實(shí)際調(diào)查，如何對(duì)該場(chǎng)區(qū)地質(zhì)情況進(jìn)行簡(jiǎn)化[10]，建立該場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)概化模型，從上到下分別為粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘性土和中風(fēng)化灰?guī)r，模型參數(shù)如表1所示，其中粉質(zhì)粘土厚5 m，砂質(zhì)粘土厚14 m，底層全為灰?guī)r．根據(jù)對(duì) T3塌陷坑處地下水的監(jiān)測(cè)可知，該場(chǎng)區(qū)水位最大變化值約6 m，且一年中先下降后上升再下降的趨勢(shì)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際情況，假定最開始時(shí)地下水位在地表以下6 m，1-4月份水位下降3 m，4-8月份水位上升6 m，9-12月份水位下降3 m．

假設(shè)土洞為橢球形，其底部為半徑為5 m的圓形，高11 m，且土洞底部位于地下19 m的灰?guī)r上．在距離塌陷坑中心約20 m處存在1棟2層的淺基礎(chǔ)磚房，取房屋長(zhǎng)16 m，寬10 m．設(shè)該房屋基礎(chǔ)為1 m寬的條形基礎(chǔ)，且作用在房屋上的荷載為15 kN/m2，且假設(shè)荷載有房屋全部作用在地基上．

為有效的模擬地下水位變化對(duì)巖溶區(qū)淺基礎(chǔ)建筑的影響，利用 ABAQUS有限元軟件，建立分析模型，上層的粉質(zhì)粘土和砂質(zhì)粘土采用Mohr-Coulomb(摩爾庫(kù)倫)本構(gòu)模型，而底層灰?guī)r采用線彈性模型，對(duì)模型采用4面體網(wǎng)格，

C3D4P(4結(jié)點(diǎn)線性4面體單元, 位移與孔壓力耦合)單元進(jìn)行劃分[5]．模型簡(jiǎn)圖如圖6所示．

3.3 變形及穩(wěn)定性分析

3.3.1 建筑地基沉降變形分析

對(duì)巖溶區(qū)的建筑，一旦地下溶洞和土洞發(fā)生塌陷，則會(huì)引起地表的沉降，從而也會(huì)導(dǎo)致地基的沉降，地基的沉降無(wú)疑會(huì)給巖溶區(qū)的房屋造成一定損壞，輕則房屋開裂，重則可能導(dǎo)致房屋的倒塌和塌陷，極大的影響著巖溶區(qū)群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全．因此通過(guò)模擬地下水位變化對(duì)巖溶區(qū)建筑地基的變形，可以為巖溶的治理和巖溶塌陷的防治有著積極的作用．水位下降3個(gè)月后最終豎向位移云圖如圖7所示，水位下降時(shí)地基豎直位移變形曲線如圖8所示，水位下降時(shí)地基豎直位移極差值變形曲線如圖9所示．

圖6 數(shù)值模型簡(jiǎn)圖

圖7 水位下降3個(gè)月后最終豎向位移云圖

圖8 水位下降時(shí)地基豎直位移變形曲線

圖9 水位下降時(shí)地基豎直位移極差值變形曲線

通過(guò)對(duì)圖7、圖8和圖9的分析可知，當(dāng)?shù)叵滤幌陆岛?，巖溶區(qū)發(fā)生沉降，且最大沉降量發(fā)生在土洞拱頂處，距離土洞越近，地表沉降量也越大；同時(shí)淺基礎(chǔ)建筑的地基沉降值有明顯差別，離土洞塌陷區(qū)越近沉降量也越大，存在明顯的不均勻沉降現(xiàn)象；水位下降后，地基不均勻沉降值也不斷增長(zhǎng)，地基沉降的極差值最大約為5.00 mm．

3.3.2 巖溶區(qū)最大豎向位移分析

巖溶區(qū)建筑的不均勻沉降往往與巖溶的塌陷有關(guān)，當(dāng)?shù)叵峦炼窗l(fā)生變形沉降時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致其附近的建筑物也發(fā)生不均勻沉降．因此，通過(guò)對(duì)土洞最大豎向位移的分析對(duì)巖溶與建筑變形之間的關(guān)系．水位下降時(shí)巖溶區(qū)最大豎直位移變形曲線如圖10所示．

圖10 水位下降時(shí)巖溶區(qū)最大豎直位移變形曲線

通過(guò)對(duì)圖6和圖9的分析可得，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，以土洞為中心發(fā)生沉降，巖溶區(qū)最大沉降發(fā)生在土洞拱頂處，巖溶區(qū)最大地表沉降發(fā)生在土洞正上方的地表處；且拱頂處的沉降值皆大于土洞頂部地表處的沉降值，但兩者變形趨勢(shì)基本相同；拱頂處的最大沉降值約200.00 mm，地表的最大沉降值約110.00 mm．

4 總結(jié)

結(jié)合巖溶區(qū)勘察報(bào)告和實(shí)際調(diào)查，以益陽(yáng)市岳家橋巖溶區(qū) T3塌陷坑為例，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地下水位變化時(shí)該巖溶區(qū)的建筑地基的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，通過(guò)分析可得：

(1)地下水的變化對(duì)巖溶區(qū)土洞及周圍建筑有著明顯的影響，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可得，當(dāng)?shù)叵滤蛔兓瘯r(shí)，巖溶區(qū)的房屋隨附近土洞的變化產(chǎn)生不均勻的沉降，從而導(dǎo)致房屋裂縫不斷增大；塌陷區(qū)的地表在水位下降時(shí)沉降量不斷增加，水位上升后沉降速度明顯減慢，小范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng)，有略為上升的趨勢(shì)；后期水位下降，對(duì)地表沉降和房屋裂縫寬度的影響較小，有少量下降趨勢(shì)，這也說(shuō)明巖溶治理的效果比較明顯．

(2)通過(guò)數(shù)值分析時(shí)，在一定范圍內(nèi)地基和地表沉降與水位變化趨勢(shì)基本一致；因?yàn)閹r溶土洞的存在，離塌陷區(qū)越近，水位下降對(duì)地基升降的影響也就越大，水位的下降會(huì)對(duì)巖溶區(qū)建筑地基形成明顯的不均勻沉降，對(duì)建筑地基的穩(wěn)定性極為不利．

(3)因數(shù)值分析未能全面的考慮對(duì)巖溶區(qū)建筑穩(wěn)定性影響的因素，因此，數(shù)值分析的結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果存在著一定的差異性．但是通過(guò)進(jìn)一步的對(duì)比分析，有限元的數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的變形規(guī)律基本符合，這也說(shuō)明了有限元軟件在巖溶穩(wěn)定性分析領(lǐng)域的有效性．

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(責(zé)任編校：徐贊)

Stability Analysis of Building Foundation in Karst Area by Variations Groundwater Level

CHEN Jing
(China Railway SiYuan Surver and Design Group CO. LED., Wuhan, Hubei 430063, China)

Based on the essential geology condition in karst region area，combined with field monitoring,regarding the change of groundwater level variation as main influential factor, analyzed the stability of the building foundation near the karst collapse area by using the finite element software. The results show that:the changed of groundwater level can result in the change of karst soil cave,affected the stability of building.Because of difference of distance from subsidence area, the foundation of building will appear asymmetrical sedimentation, which menaces life, fortune and safety. The numerical calculation simulation results are close to actual monitoring data,it is definite for theoretical calculation to provide reference value when karst groundwater level change,analyzed building foundation stably.

karst; groundwater; the finite element software; building foundation; stability

P624

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.02.0007

1672–7304(2017)02–0028–05

2017-02-28

陳靖(1980-)，湖北隨州人，男，工程師，主要從事巖土與隧道設(shè)計(jì)與研究．