岩溶区石芽地基稳定性分析探讨

邓杰文 赵瑞峰 刘宏

摘 要：石芽地基是一种典型的裸露型岩溶地基，影响石芽稳定性的因素众多。本文通过建立计算模型，假定上部荷载N、岩层倾角α、锥顶角β，对不同高度的石芽进行稳定性计算，得出了各种工况下石芽稳定的临界直径。结合稳定性计算结果对石芽地基稳定性进行了探讨。

关键词：石芽地基;稳定性计算;临界直径

1 前言

碳酸盐岩地区地形地貌复杂，岩溶地基处理是影响工程投资的因素之一。石芽地基属于裸露型岩溶地基，石芽地基是由大气降水和地表水沿裸露的碳酸盐岩节理、裂隙溶蚀逐渐发展而形成，是一种最为典型的裸露型岩溶。地表溶蚀沟槽间残存的石芽高度大多数不超过3m，多以鹰嘴石等在地表出露。如石芽被表层黏土覆盖，称为埋藏型石芽地基。石芽多数分布在碳酸盐岩地区斜坡上，在河流沟谷两侧斜坡以及岩溶洼地周边也有分布。芽面极陡，石芽锥体侧面倾角一般为55°～80°，有的埋藏型芽间的溶沟、溶槽深度可达10多米，而且往往与下部溶洞和溶沟（槽）相连。基岩面起伏具有不确定性。因此，石芽地基处理不当往往会造成地基滑动破坏及基础差异性沉降和施工上的困难。

2 石芽稳定性分析

2.1 计算模型的建立

当上部荷载较大时，石芽的稳定性主要是石芽岩体在上部荷载作用下发生滑移、折断等破坏。将石芽简化为锥体后，石芽岩体沿结构面发生滑移破坏模式如图2.1，则其稳定性计算公式如下。

式中：N为上部荷载（kN）; C为层间内聚力（kPa）;α为岩层倾角（°）;β为石芽顶角（°）;H1和H2分别为石芽两侧高度（m）;φ为层间摩擦角（°）;Pa为主动土压力（kN/m）; Pp为被动土压力（kN/m）;Sa为主动土压力作用面积（m2）;SL为内聚力作用面积（m2）;Sp为被动土压力作用面积（m2）; Ka为主动土压力系数;Kp为被动土压力系数; K为石芽稳定性系数。

若不考虑内聚力c和Pa和Pp主、被动土压力作用，则石芽稳定性计算条件简化为：。

2.2 稳定性计算

对含有夹层的石芽，按下述计算思路进行稳定性计算。（1）上部荷载N：取50000kN 、25000kN、10000kN、5000kN四种;（2）岩层倾角α取16°、12°两种;（3）石芽锥顶角β：30°、40°两种;⑷层间内聚力c取20kPa，层间内摩擦角φ取10°。由上述计算结果可得各种工况下石芽稳定的临界直径如表2.1和典型计算曲线图2.2～图2.5，石芽稳定的上部荷载N与临界直径D关系曲线图2.6。

3 石芽地基处理方法探讨

因岩溶地基有一定的隐伏性、复杂性，岩溶地基处理一直是广大工程技术人员不断探索的课题之一，随着岩溶地基处理技术的不断探索和发展，截止目前，对于浅部石芽地基的处理常用以下两种：

3.1 挖填法：适用于浅表层石芽地基等，施工时挖除石芽间的黏土等充填物，然后以灰土、碎块石或毛石素混凝土等进行回填处理，以增强地基的整体强度和持力层的完整性，或者凿岩机凿去局部高度较高的石芽，然后铺盖褥垫层后进行碾压处理，以调整地基的变形量，减小差异性沉降，从而保证基础的稳定性;

3.2 梁板跨越法：适用于基础下有竖向发育溶洞、溶蚀沟槽、漏斗、跨度较大石芽，小型溶洞。即施工时采用一定厚度的钢筋混凝土梁、板进行跨越处理，或用刚性较大的平板基础覆盖，减少基底集中应力，而不对其下溶蚀地基进行处理。

一般情况下石芽间的溶蚀沟槽常被黏土充填，因此强度较低，压缩性较高，当上部荷载较小时石芽处理，主要考虑溶槽与石芽间的充填黏土组合形成不均匀地基的差异沉降。但当上部荷载较大时，无论是用挖填法还是梁板跨越法，均需对石芽地基滑移稳定性问题加以考虑。

4 结语

通过本文对石芽进行的稳定性分析计算，取得以下两点初步认识：

4.1 当上部工程荷载较大时易引起石芽发生折断、滑移、倾倒等破坏。在设计及施工过程中，必须查清基岩面的起伏，岩层倾角，石芽锥顶角及高度，岩石强度等影响因素，并加以重视，当上部工程荷载较大时石芽地基处理应重点考虑石芽岩体的滑移等稳定性问题。

4.2 通过计算得出，当上部荷载较大，荷载N=50000kN时，岩层缓倾（12°～16°）时，石芽稳定临界的直径D为5.5m，对应的高度H为7.5m;当上部荷载N较小时，石芽稳定临界的高度D为1.5m，对应的石芽高度H为2m。即当石芽高度H为3m时，在荷载很小的情况下，需要清除的石芽顶部高度应大于1m，确保石芽有足够大的直径，从而确保石芽地基的稳定。

参考文献：

[1] 刘之葵， 梁金城， 朱寿增， 等. 岩溶区含溶洞岩石地基稳定性分析[J]. 岩土工程学报， 2003， 25（5）.

[2] 刘宏， 赵跃平， 邬相国， 等.强溶蚀带岩溶地基稳定性研究[J]. 礦业研究与开发， 2011， 31（3）.

[3] 张倬元， 王士天， 王兰生. 工程地质分析原理[M]. 北京：地质出版社， 1994.

[4] 袁道先. 中国岩溶动力系统[M]. 北京：地质出版社， 2002