调整柱距处理岩溶塌陷地基的距离确定^[]

Question

如题所述

Answer 1

岩溶区的塌陷通常是局部分布，且规模不大，在进行适当的处理措施后，还是可以选作为建筑物的地基持力层。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。但在工程实践中，柱距调整应为多少才是合理的，目前未见有报道，也没有现成的理论计算公式，多数工程设计人员还是凭经验设计，有些设计人员认为只要基础坐落在好土上(基底垂直投影范围内无塌陷土体)即可。其实，通过计算分析，基础底面距塌陷土体应该有一定的距离，否则，基础底面的压力有可能对塌陷土体侧面产生挤压，而影响整个地基的稳定性。

5.4.1 基础底面对塌陷土体产生的土压力

塌陷土体一般比周围未塌陷土体松软，其抗剪强度也较低，同时周围未塌陷土体产生向塌陷体位移的趋势(产生主动土压力)，而塌陷体则产生被挤压的趋势(产生被动土压力)，地基中塌陷体与周围土体处于平衡状态时，可认为周围土体产生主动土压力与塌陷体产生被动土压力相等。因此，要使地基保持稳定，塌陷体产生的被动土压力P_p，必须大于未塌陷地基产生的主动土压力P_a，即必须满足(5-22)；否则，未塌陷地基土体将破坏，产生新的塌陷。

P_p-P_a＞0 (5-22)

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：K_p为被动土压力系数，

；K_a为主动土压力系数，

； h 为计算点距地基土表面的距离(m)；γ 为土体重度；c为土体的内聚力(kPa)；φ为土体的内摩擦角(°)。

当有基础底面压力作用时，可按局部超载作用情况下的计算方法处理，自基底压力两端点O及O′点作两条辅助线 OD 和 O′E，都与水平面成 θ 角，θ=(45+φ/2)，认为D点以上和E点以下的土压力都不受基底压力的影响，D、E之间的土压力按均布荷载计算，MN 面上的土压力如图5-4 中阴影部分。

图5-4 局部超载作用下土压力示意图

Fig.5-4 Active earth pressure dingram with the partial overload

5.4.2 未塌陷地基土体局部稳定性判

在塌陷体深度MN范围内，其任一深度处塌陷体所产生的被动土压力，均应大于周围未塌陷地基土体所产生的主动土压力，才能保持未塌陷地基土体的稳定，否则，地基将产生局部破坏。

某岩溶地基粉土层中，发育有一宽为3.2m的塌陷体，垂直深度为7.20m，现采用调整柱距的处理措施，基础为独立柱基，尺寸2m×2m，埋深1.0m，基础外边缘至塌陷体边缘距离为1.0m(基础中心至塌陷体中心距离为3.6m)未塌陷地基土为粉土，其重度γ₁=18kN/m³，c₁=13kPa，φ₁=22°，上部荷载传至基础底面的附加压力p₀=160kPa。塌陷体为松散粉土，根据其力学指标分为两层，第一层自地面为0～2.80m，重度γ₂=17kN/m³，c₂=10kPa，φ₂=12°；第二层自地面2.80～7.20m(厚度4.40m)，重度γ₃=17kN/m³，c₃=5kPa，φ₃=6°。如图5-5：

图5-5 塌陷地基应力分布示意图

Fig.5-5 Distribution diagram for earth pressure in collapsed foundation

未塌陷地基土体局部稳定性判别：

根据计算，独立柱基对塌陷体AB线上的影响范围为2.48～5.45m。

(1)在h=0.00～2.48m范围内，塌陷体被动土压力强度P_p与地基未塌陷土体主动土压力强度P_a之差为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

将相关参数 γ₂，c₂，γ₁，c₁，

，

代入(5-25)式得： P_p-P_a=17.7h+42.3

由此可见，在h=0.00～2.48m范围内，

据式(5-22)判别：P_p-P_a=17.74h+42.3＞0(地基安全)

(2)在h=2.48～2.80m范围，塌陷体被动土压力强度P_p与地基未塌陷土体强度P_a之差为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

将相关参数代入得：P_p-P_a=17.74 h-30.5

在h=2.48～2.80m范围内，P_p-P_a=17.74 h-30.5＞0(地基安全)

(3)在h=2.80～5.45m范围内，塌陷体被动土压力强度P_p与地基未塌陷土体主动土压力强度P_a之差为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

将相关参数代入得：P_p-P_a=12.77 h-44.1

当h=2.80～3.45m时，P_p-P_a=12.77 h-44.1≤0(周围未塌陷地基破坏)

当h=3.45～5.45m时，P_p-P_a=12.77 h-44.1≥0(地基安全)

(4)当h=5.45～7.20m时，经计算得：

P_p-P_a=12.77 h+28.7＞0(地基安全)

由上述计算可知，尽管独立柱基边缘距离塌陷体边缘1m，但地基土体仍然在2.80～3.45m范围内产生局部的破坏。

5.4.3 未塌陷地基土体稳定性的影响因素

当地基土体出现局部破坏时，可调整基础至塌陷体的距离，或调整基础的埋深，可改变地基土体产生局部破坏的局面。

5.4.3.1 基础边缘距塌陷体边缘距离的影响

当基础埋深不变，地基土其余参数不变，仅改变基础边缘距塌陷体边缘距离时，地基土体稳定性判别结果见表5-2。

表5-2 仅调整基础距离时地基土稳定性判别　Table5-2 Stability judging of foundation soil with the adjusting of foundation distance

5.4.3.2 基础埋深的影响

当仅改变基础埋深，其余条件不变，地基土体稳定性判别结果见表5-3。

表5-3 仅改变基础埋深时未塌陷土体稳定性判别　Table5-3 Stability judging for non-collapsed soil with the variation of foundation buried depth

因此，有时可采用调整柱距与改变基础埋深相结合的办法。上例中，当基础边缘至塌陷体边缘距离调整为1.50m，则基础需加深至1.23m，即可保证周围地基土体安全稳定。

5.4.3.3 地下水位的影响

上例中，其余条件均不变，当存在地下水时，若地下水埋深为2.0m，忽略地下水对土体强度和重度改变的影响，仅考虑地下水位本身的影响。由于地基土及塌陷土体均为粉土，因此，在计算塌陷体被动土压力强度P_p及未塌陷地基土体主动土压力强度P_a时，均宜采用水、土分算土压力，即：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：γ′₁、γ′₂、γ′₃为地基土或塌陷土体的浮重度(kN/m³)；γ_w为水的重度(kN/m³)。

将前述例中的相关参数代入(5-22)式，计算得到：地基土体的破坏范围由2.80～3.45m增大到2.80～5.45m，由此可见，地下水位的改变，对地基稳定性的影响是显著的。

5.4.4 地基整体稳定性判别

地基中由于存在松软的塌陷体，除了会导致未塌陷土体产生局部破坏外，还有可能导致未塌陷土体产生整体滑动破坏，图5-6。地基土体ABC在基础荷载及地基土自重的作用下，有可能沿AB面滑动，对塌陷体BCF产生侧向被动挤压，塌陷体BCF 抗被动挤压能力的大小，对地基土体ABC 的整体稳定性起关键控制作用。

图5-6 塌陷土体产生整体滑动破坏示意图

Fig.5-6 The entire slip destroy diagram of collapsed soil

根据土力学原理，塌陷体 BCF 受被动挤压滑动面与竖直面夹角应为

(φ₂为塌陷体内摩擦角)。 由此计算得到 BC=CF/tg

=2.59m。由图中几何关系可得AC=4.89m，AB=5.43m。计算得到AB潜在滑动面与水平面夹角δ=27.9°。

取垂直纸面单位长度验算土体ABC的稳定性。

土体ABC重量

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

基础附加荷载N=160×1=160 kN

塌陷体BCF所能提供的被动土压力E_P：

其中C点：被动土压力强度

；

B点：被动土压力强度

；

E_P=(24.7+91.8)×2.59 ÷ 2=150.9kN

因此，土体ABC产生的下滑力F=(N+G+E_P×sinδ)×sinδ=161.3kN

抵抗力T=E_P×cosδ+(N+G+E_P×sinδ)cosδ×tgφ₁+c₁×AB=133.4+304.6×tg22+13×5.43=327.0 kN

(安全稳定)]]