岩溶区土洞地基承载力的确定
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发布时间：2022-05-14 19:32
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时间：2023-10-26 07:30
土洞是岩溶地区常见的一种岩溶作用产物。在岩溶地区从事工程建设，对土层地基进行地基基础设计时，人们往往更多地把注意力集中在土洞地基的稳定性评价或岩溶塌陷的评价。而对于土洞对地基土层承载力的影响则考虑得较少或不知如何定量计算，国内目前少见有这方面的文献报道。尤其是《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002的第6.5.2条或《岩土工程勘察规范》GB50021—2001的第5.1.10条第一款，均规定：“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底宽，或大于六倍条形基础底宽，且在使用期间不具形成土洞条件时，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响”。从而使工程设计人员认为只要满足上述规范要求，就可不考虑土洞对地基(包括地基承载力)的不利影响。实际上，地基中存在的土洞，当采用弹塑性理论计算的地基承载力时，它是有影响的，例如当按《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002 的第5.2.5条的规定，根据土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值，就应该考虑土洞的存在对地基承载力的影响。
4.3.1 根据弹塑性理论计算的地基土承载力
地基承载力是地基土承担荷载的能力。在建筑物荷载的作用下，地基土产生变形，当荷载较小时，地基处于弹性平衡状态，地基基础安全稳定。随着荷载的增加，地基土变形增大，并在小范围内产生剪切破坏，称为“塑性区”。对一般的土而言，经验表明，即使地基中出现一定范围的塑性区，也不至于危及建筑物的安全与正常使用，地基能够稳定，仍具有安全的承载能力。通常将塑性区的最大深度控制在基础宽度的1/4，此时相应的荷载用p1/4表示，称为临界荷载。
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
式中：γ为土的重度；d为基础的埋深；b为基础的宽度；c为地基土内聚力；φ为地基土的内摩擦角。
《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002以及许多地方地基基础规范，对采用土的抗剪强度指标确定的地基承载力，也就是通常所说的理论方法计算地基承载力，均是以临界荷载p1/4作为地基承载力特征值fa的计算依据。
fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck(4-10)
公式中的符号意义见《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002式(5.2.5)；
4.3.2 土洞地基的地基土塑性状态判别
4.3.2.1 地基中任意点土体的应力状态
设地基土的重度为γ，基础底面处附加应力为P0=P-γd的根据土力学原理，地基中任意一点M处，由于建筑物附加应力，在该点处所产生的附加应力为(图4-3)：
图4-3 均布条形荷载作用下地基中的主应力
Fig.4-3 Stress in foundation under the action of uniformly distributed strip load
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
地基中任一点M处的应力，除有基底附加应力P0=P-γd引起的附加应力外，还有土的自重应力γh(h为地面到M点的深度)，假设土的自重应力服从静水压力分布，那么M点处的大小主应力由式(4-11)为变为式(4-12)：
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
4.3.2.2 地基中土洞周围土体的应力状态
4.3.2.2.1 圆形断面土洞周围土体的应力状态
设在地基中M点处发育有一半径为a的圆形土洞。并设地基土是均质的、各向同性的弹性体，可把在地基中的土洞周围应力分布问题视作一个双向受压无限板孔的应力分布问题(图4-4)，采用极坐标来求解土洞周围土体应力。此问题在弹性理论中已有现成的平面问题齐尔西解。对弹性体中存在的一孔洞，从已有的岩石力学知识可知，圆孔周边产生应力集中的影响区域为距圆心5a半径范围(a为圆孔半径)，其余范围可忽略应力集中的影响，仍按弹性体考虑。因此，只要地面(基底)到土洞中心点的距离大于5a，就可以用齐尔西解答来解决土洞周围土体的应力分布问题。其求解应力的公式为(4-13)式。
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
图4-4 地基中圆形土洞周围土体的应力
Fig.4-4 Stress distribution on round soil cave in foundation
式中：σr为土洞周围土体中的径向应力；σθ为土洞周围土体中的切向应力；τrθ为土洞周围土体中的剪切应力；θ为与σ3方向的夹角。
圆形断面土洞周边上的应力，在土洞周边r=a处，据式(4-13)，可得：
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
由式(4-14)可知，在土洞周边处，切向应力σθ最大，径向应力σr=0，剪应力τrθ=0。将式(4-12)代入式(4-14)，便得到圆形断面土洞周边上的应力状态。
4.3.2.2.2 其他断面形状土洞周围土体的应力状态
岩溶区地基中的土洞断面形状，大部分为圆形或似圆形，除此之外，还有其他的形状，如近似正方形、矩形、拱形、马蹄形等。对于这些断面形态的土洞，其周围的应力状态较复杂，目前还很难用解析解答来表示，通常用光弹试验或有限元方法等来确定其应力状态。从工程角度来说，只需要土洞周边某些关键点的应力状态，然后对这些关键点进行塑性破坏判别，可满足工程要求，关键点处的应力状态可根据《岩土工程手册》中的表10-4-2来计算查求。
4.3.2.3 地基中土洞周围土体塑性破坏的判别
在土洞洞壁周边处，由于τrθ=0，所以σθ、σr分别为大、小主应力。根据莫尔—库仑准则，土中一点处于极限平衡状态时，可建立以σθ，σr表示土中一点的剪切破坏条件，即土的极限平衡条件关系式：
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
对圆形土洞而言，将式(4-12)代入式(4-14)，再将式(4-14)代入土的极限平衡条件关系式(4-15)，便可得到土洞洞壁土体刚好处于塑性破坏时，基础基底压力p的大小为：
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
当θ=0°时，cos2θ=1，式(4-16)中算得的p值最小，若基础底面压力超过此值，土洞洞壁土体将出现塑性破坏，此时的值就是基底的容许压力值，见式(4-17)。
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
4.3.3 土洞地基承载力的确定
4.3.3.1 土洞的地基土承载力的确定
含有土洞的地基土承载力的确定，应满足以下两个条件，并取以下两者地基土承载力的小值：
(1)应保证基底以下土体塑性破坏的深度不超过基础宽度的1/4，即按《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002的式(5.2.5)进行计算得到的地基土承载力fa；
(2)在建筑物荷载的作用下，应保证土洞周围土体不出现塑性破坏，依据式(4-17)所得到的基底容许压力p的大小。
有一点需要说明的是：由于土洞周围存在临空面，它不允许出现“一定范围的塑性区”，即像一般地基那样，塑性破坏的范围允许不超过基础宽度的1/4。
4.3.3.2 算例
岩溶区某建筑物，假设采用条形基础，基础宽度b为1.5m，埋深d为1.0m，地下水位埋深为1.0m，地基中地面以下4.0m深度处发育有一半径为0.20m的圆形段面土洞，土洞中心点至条形基础边缘连线的夹角β0=20°。地基土为硬塑红粘土，重度γ=18kN/m3，饱和重度 γsat=20kN/m3，内聚力 c=60kPa，内摩擦角φ=22°，如图4-5。
图4-5 土洞地基示意图
Fig.4-5 Diagram for soil cave foundation
土洞地基承载力的确定：
(1)由于地下水的存在，土洞周围土体的应力状态将产生变化。在式(4-12)中，由于土的自重应力减小，算得的M 点处的大小主应力 σ1、σ3也将减小；此外，在式(4-14)中，土洞周边的径向应力σr及环向应力σθ的值，均应该加上静水压力pw=γwhw=10×3=30kPa，(γw为水的重度；hw为地下水面至土洞中心的距离)。即有地下水时，土洞洞壁周边上的径向应力σr及环向应力σθ为：
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
再将式(4-12)、式(4-18)，代入土的极限平衡条件关系式(4-15)，便可得到土洞洞壁土体刚好处于塑性破坏时，基底的容许压力p为(在土洞θ=0°位置处的点最先破坏)：
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
(2)按《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002的式(5.2.5)计算得到的地基土承载力fa=433.5kPa；
取以上两者的小值，即地基土承载力为197.2kPa。
4.3.4 地下水位及洞内充填物对土洞地基承载力的影响
4.3.4.1 地下水位下降对土洞地基承载力的影响
在上述算例中，若遇旱季，地下水位大幅度下降，假定地基中无地下水，其余条件不变，则土洞地基承载力的确定如下：
(1)按《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002的式(5.2.5)进行计算得到的地基土承载力fa=440.8kPa；
(2)将有关参数代入式(4-17)，得到土体不出现塑性破坏，基底的最大容许压力p=69.6kPa。
取以上两者计算结果的小值，地基土承载力应该取为69.6kPa，而不是规范计算的440.8kPa，两者结果相差很大。
4.3.4.2 洞内充填物对土洞地基承载力的影响
岩溶地区发育的土洞，洞内往往有充填物，大多被软流塑黏性土充填。还是上例，若其余条件不变，土洞内被软塑粘土充填，软塑粘土的地基承载力特征值fak=100kPa，液性指数IL=0.90。则土洞地基承载力的确定如下：
土洞内软塑粘土的地基承载力特征值fak=100kPa，这就意味着充填的软塑粘土，能向土洞洞壁提供100kPa的径向应力。理论上来说，软塑粘土能向土洞洞壁提供的径向应力应更大，因为其承载力还没有经过深度修正，但从安全及承载能力发挥等因素考虑，取充填软塑粘土向土洞洞壁提供的径向应力σr=100kPa。则土洞洞壁周边上的径向应力σr及环向应力σθ为：
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
将式(4-12)、式(4-19)，代入土的极限平衡条件关系式(4-15)，计算得到土洞洞壁刚好处于塑性破坏时，基底的容许压力p=531.4kPa(在土洞θ=0°位置处最先破坏)；而按《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002的式(5.2.5)计算得到的地基土承载力fa不变，仍然为433.5kPa；取两者的小值，即土洞地基的承载力fa=433.5kPa。由此可知，土洞内的充填物，对地基土的承载力提高很大，充填物的存在，基本上可以消除土洞本身带来的对地基承载力的不利影响。
但有一点需要注意：充填物必须充满填塞整个土洞，给整个土洞的洞壁提供径向应力σr，才有利于地基土承载力的提高；否则，效果不大。
由上分析可知，《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002第5.2.5条计算地基承载力，是以弹塑性理论为基础，并将地基中塑性区的最大深度控制在基础宽度的1/4 为依据。当岩溶地基中存在土洞，土洞在自重应力和基底附加应力的作用下，土洞周围的土体将产生应力集中，当采用弹塑性理论计算地基承载力时，应同时确保土洞周围的土体不产生塑性破坏，此时可计算得到基底的最大容许压力p，取最大容许压力p和地基规范计算得到的地基承载力特征值fa两者的小值，便是土洞地基的地基承载力。
通过分析，得到以下两点结论：①土洞地基中的地下水对地基承载力影响较大，地下水位下降，将降低地基承载力；②地基中土洞内的充填物，对地基土的承载力提高很大，充填物的存在，基本上可以消除土洞本身带来的对地基承载力的不利影响。
