岩溶地基房屋开裂及地基处理
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发布时间：2022-04-22 00:01
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时间：2023-12-01 22:49
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*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*，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*，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。
