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某岩溶发育地区稳定性综合评价及预防措施
2019-05-17
以京杭大运河徐州段某码头场地为例,从场地工程地质特性出发,将场地地基稳定性 影响因素划分为岩溶地面塌陷、饱和砂(粉)土液化及软土沉陷 3种,在此基础上结合模糊数学方 法对场地岩溶发育程度进行定量分析。结果表明,研究区岩溶地面塌陷模糊判别指数 W值介于 025~075,属相对稳定亚区;饱和砂(粉)土场地液化指数小于 6,场地液化分区属轻微液化区;软 土分布不均,且厚度变化大,可采用提前加载压固处理消除影响。研究成果为类似岩溶发育地区的 稳定性评价提供可行的参考经验
Serial No. 600 April. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 600期 2019 年 4 月第 4 期 某岩溶发育地区稳定性综合评价及预防措施 1 1 2 刘ꢀ 彬 ꢀ 徐ꢀ 坤 ꢀ 李忠运 ( 1. 江苏省第二地质工程勘察院;2. 陕西地矿第三地质队有限公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 以京杭大运河徐州段某码头场地为例,从场地工程地质特性出发,将场地地基稳定性 影响因素划分为岩溶地面塌陷、饱和砂(粉)土液化及软土沉陷 3 种,在此基础上结合模糊数学方 法对场地岩溶发育程度进行定量分析。 结果表明,研究区岩溶地面塌陷模糊判别指数 W 值介于 0. 25 ~ 0. 75,属相对稳定亚区;饱和砂(粉)土场地液化指数小于 6,场地液化分区属轻微液化区;软 土分布不均,且厚度变化大,可采用提前加载压固处理消除影响。 研究成果为类似岩溶发育地区的 稳定性评价提供可行的参考经验。 关键词ꢀ 地基稳定ꢀ 岩溶塌陷ꢀ 模糊数学ꢀ 液化指数 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 04. 058 ꢀ ꢀ 岩溶作为一直广泛发育于碳酸盐类岩石中的一 2 1ꢀ 研究区概况 1. 1ꢀ 地形地貌 种地质现象,存在我国近 340 万 km 的国土上,地下 水扰动影响下会促进岩溶的进一步发育,在工程建 设中,如果不能准确地评价岩溶区的地基土稳定性, 当地面建筑建设后,地基土承受过大的荷载,易造成 研究区位于徐州市著名的九里山余脉东北侧, 地貌单元为黄泛冲积平原,地形平坦,地势开阔。 自 然地面废黄河高程在 33. 50 ~ 35. 50 m。 研究区地 貌见图 1。 [ 1-4] 地面塌陷,从而引起严重的破坏后果 。 我国作为岩溶发育广泛的大国,在工程建设中, 对岩溶地基的评价与处理作了很多研究工作,也形 [ 5] 成了很多有益的经验。 郑智等 对龙岩市岩溶塌 陷地质结构进行分析并揭示了其致塌机理;吴亚楠 [ 6] 对泰安市城区的岩溶塌陷演化过程进行了研 等 [ 7] 究;贺怀振等 采用模糊综合评判模型对徐州地铁 [ 8-9] 沿线岩溶塌陷稳定性进行了研究;武鑫等 结合徐 州城市地质调查结果对当地岩溶地质灾害易发情况 [ 10-13] 针对工程实际中遇到的岩 进行了研究;贺伟等 溶地质问题进行了理论研究及治理。 本文结合研究区实际工程地质条件,根据实际 勘探结果,对影响场地稳定性的 3 种影响因素进行 分析,在此基础上运用模糊数学方法对岩溶地面塌 陷模糊判别指数 W 值进行定量计算,进而进行稳定 性分区,并划分为不稳定区、基本稳定区、稳定区,最 后根据分区结果提出建议。 图 1ꢀ 徐州地区地貌略图 1 1 . 2ꢀ 区域地质及构造 . 2. 1ꢀ 区域地质 研究区地层分区属华北地层区、徐宿地层小区, 下伏基岩为奥陶系下统碳酸盐岩;场地上覆土层为 上更新统粉土、淤质土及黏性土,各组地层特征分述 如下: ꢀ ꢀ 刘ꢀ 彬(1990—),男,工程师,221000 江苏省徐州市鼓楼区下淀 路 163 号 。 1 95 总第 600 期 现代矿业 2019 年 4 月第 4 期 第四系全新统( Q4 ) 上部为棕黄色、棕灰色粉 土,中部为灰色粉土、淤质土互层,下部为灰色黏性 土,土层厚 10 ~ 12 m。 第四系上更新统(Q3 ) 以棕黄色、灰黄色、褐黄 色、棕红色黏性土为主,含少量铁锰结核及钙质结 核,核径为 1 ~ 3 cm,土层厚 25 ~ 35 m。 奥陶系下统马家沟组(O1 m)上部为紫灰色厚层 豹皮状白云质灰岩夹薄层灰岩;下部为灰色厚层灰 岩,底部含燧石结核,岩层厚 159 ~ 202 m。 奥陶系下统肖县组(O1 x) 上部为灰-紫灰色薄- 中厚层灰岩、白云质灰岩,微层理发育,具角砾状构 造,赋存铁矿;下部为灰、土黄、紫色薄-厚层角砾状 灰岩、泥质白云岩,含燧石,岩层厚 121 ~ 363 m。 图 2ꢀ 评估区区域构造纲要图 1 . 2. 2ꢀ 区域构造 研究区位于华北地台、鲁西台背斜、徐淮断陷褶 束北端徐州复式背斜核部位置,区域上构造形迹主 要为 NE 向次级褶皱和与之同生的 NE、NW 向断裂, 这些断裂构造的延伸长度及延展深度均较小,对区 域地壳的稳定性不构成影响。 很湿,中密,无光泽,摇振反应迅速,干强度低,韧性 低,厚 3 ~ 4 m。 Ⅰ -4 全新统淤积相淤质黏土为黏灰色、灰黑 色,软塑-流塑,中-高压缩性,光滑,干强度中等,韧 性中等,厚 1 ~ 2 m。 研究区内北部分布有一条近 NE 向正断层,该 断层倾向北,倾角较陡,区域上长约 24 km,为压扭 性断层。 该断层隐伏于第四系之下,地表未见出露。 研究区外围规模较大的断裂构造主要有场地南 侧约 5 km 的 NW 向废黄河断裂带和东侧约 100 km 的郯庐断裂带。 根据历史记载,评估区及外围附近 未曾发生过 5 级以上的地震,震害皆来自邻区影响。 Ⅰ -5 全新统冲积相粉土为黏灰褐色、棕灰色, 很湿,中密,无光泽,摇振反应迅速,干强度低,韧性 低,厚 1 ~ 2 m。 Ⅰ -6 全新统冲淤积相粉质黏土为黏灰褐色,软 塑-可塑,中压缩性,光滑,干强度中等,韧性中等,厚 [ 14] 4 ~ 6 m。 根据《建筑抗震设计规范》 ( GB 50011—2010) , Ⅱ -1 上更新统冲洪积相黏土为黏褐黄色,局部 评估区抗震设防烈度为 VII 度,设计基本地震加速 度值 0. 10g,地震烈度分组为第一组。 综合评定评 估区区域地壳稳定性较好。 砖红色,可塑-硬塑,中-低压缩性,光滑,干强度高, 韧性高,含砂礓及铁锰结核,厚度大于 30 m。 1 . 3. 2ꢀ 岩体工程地质特征 区域上构造形迹主要有东西向构造、徐州弧形 构造及新华夏系构造。 区域地质构造详见图 2。 评估区岩体主要为碳酸盐岩,隐伏于第四系土 体之下。 岩体主要呈中-厚层状构造,结构面主要有 层面、节理及裂隙,浅部岩石破碎程度为较完整-较 破碎,风化程度为中等-微风化,岩溶发育程度为中 等-强烈,属硬质岩石,岩石基本质量等级为Ⅲ ~ Ⅳ 级。 1 1 . 3ꢀ 岩土体特征 . 3. 1ꢀ 土体工程地质特征 研究区土层结构为粉土、一般黏性土间层-老黏 性土双层结构,总厚约 30 ~ 45 m,共分 7 个地质层 组: Ⅰ -1 全新统冲积相粉土为棕黄色、土黄色,很 2ꢀ 影响因素分析 湿,中密,无光泽,摇振反应迅速,干强度低,韧性低, 厚 3 ~ 4 m。 2. 1ꢀ 岩溶地面塌陷 岩溶地面塌陷是指可溶岩分布区岩、土体因地 下水活动形成溶洞、土洞,洞体逐步坍塌、上移,最终 移动到地表附近导致地面塌陷、地面建筑塌落到地 面以下的一种地质灾害。 Ⅰ -2 全新统淤积相淤质黏土为灰色、灰黑色, 软塑-流塑,中-高压缩性,光滑,干强度中等,韧性中 等,厚 1. 5 ~ 2 m。 Ⅰ -3全新统冲积相粉土为黏棕黄色、棕灰色, 徐州地区岩溶地面塌陷地质灾害分布比较普 1 96 ꢀ ꢀ 刘ꢀ 彬ꢀ 徐ꢀ 坤等:某岩溶发育地区稳定性综合评价及预防措施ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 4 月第 4 期 遍,仅以徐州市区为例,自 1986 年电业局宿舍、溶剂 厂、新生街、东陇海线等地先后发生了岩溶地面塌 陷,造成地面塌陷、房屋倒塌、交通中断,人民生命财 产受到严重威胁。 2. 3ꢀ 软土沉陷 软土是指天然孔隙比大于或等于 1,且天然含 水量大于液限的细粒土。 评估区软土主要为淤泥质 黏土,厚 2 ~ 6 m,分布不均一,具有高含水量、高孔 隙比、高压缩性、低强度、低渗透性特征,灵敏度大, 均匀性差,具流变性、触变性等不良地质特征,工程 地质条件差。 该类土体受到外界扰动、较大的振动 或地震影响时,原生结构易遭受破坏,从而使其丧失 或降低原生结构强度,变成不能承载的流体状态,从 而产生侧向滑移、震陷、沉降、地基失稳或沿基底面 向两侧挤出等现象,形成灾害。 统计发现徐州市区已发生的塌陷点均位于故黄 河高漫滩及附近地段。 钻探资料表明,塌陷点土层 结构多为砂性土单层结构,其次为砂性土-老黏性土 双层结构,且砂性土厚度很大,多大于 20 m,而老黏 性土厚度很小,多小于 5 m;塌陷点下伏基岩为奥陶 系肖县组灰岩、贾汪组泥质白云岩;塌陷发生的时间 多为市区岩溶水超量开采、水位在基岩面附近作频 繁升降运动的时段。 3ꢀ 模糊数学判别 岩溶地面塌陷发生的机理是塌陷区岩溶水超采 导致水位在基岩面附近做频繁升降运动,在潜蚀、真 空负压作用下形成土洞并逐渐扩大、上移,最终形成 地面塌陷,是岩溶地面塌陷三要素共同作用的结果, 岩溶地面塌陷形成过程见图 3。 3. 1ꢀ 判别原则 依据地质灾害危险性现状评估和预测评估的结 果,充分考虑评估区的地质环境条件的差异和潜在 的地质灾害隐患点的分布、危险程度,确定判别区段 危险性的量化指标;根据“区内相似、区际相异” 的 原则,采用定性、半定量分析方法,预测评估对象遭 遇地质灾害后产生的危害程度及损失大小,按大、 中、小三级对评估区进行地质灾害危险性等级分区, 并依据地质灾害危险性、防治难度和防治效益,对建 设场地的适宜性作出评估,提出防治地质灾害的措 施和建议。 3 3 . 2ꢀ 量化指标确定 . 2. 1ꢀ 岩溶地面塌陷 关于岩溶地面塌陷稳定性的定量评价方法,本 文选定与岩溶地面塌陷关系密切的岩溶发育程度 ( ( D)、老黏性土厚度(M)、孔隙水与岩溶水水力联系 J)、岩溶地下水位在土层底板上下的升降波动时 图 3ꢀ 岩溶地面塌陷形成过程示意 间(T)4 项因素建立如下模糊数学判别模型: éμ1 ù 2 . 2ꢀ 饱和砂(粉)土液化 饱和砂(粉) 土在地震作用或强烈的人类活动 振动)影响下,由于不能及时排水而形成超孔隙水 n μ2 ( W = i∑= 1ai μi = (a1 ,a2 ,…,an ) , (1) … 压力,当超孔隙水压力与围压相等时,土的有效应力 为零,此时砂土颗粒处于悬浮状态,土体变成流体, 在短时间内失去强度和承载能力,这种地质现象即 为饱和砂(粉)土液化。 ëμn û 式中,W 为岩溶地面塌陷模糊判别指数;ai 为评价 因素权数;μ 为评价因素。 根据各评价因素及其隶属函数的分析,按归一 化要求确定各评价因素的权数为 a1 = a2 = a3 = a4 = 饱和砂( 粉) 土液化常引起地面沉降变形、滑 塌、地裂或喷砂,造成建筑物、道路及农田等工程设 施的损坏、失效,是一种严重的地质灾害。 饱和砂(粉) 土只有在一定条件下才会发生液 化,其一是要有特定的场地环境和土体特征 ( 内 因),其二是要有足够强烈的诱发因素(外因),二者 缺一不可。 41 , 由此将模糊数学判别模型转换为 1 [μ(D) + μ(M) + μ(J) + μ(T)] . (2) W = 4 ꢀ ꢀ 此时隶属度及 W 取值范围均为[0,1],W 值越 大,塌陷的可能性亦越大。 1 97 总第 600 期 现代矿业 2019 年 4 月第 4 期 由式(2)计算发现,已塌陷及隐伏土洞发育地 段的 W 值在 0. 75 ~ 1,目前情况下还不可能发生塌 陷地段的 W 值在 0 ~ 0. 25,据此确定各级别区模糊 判别指数区间值:Ⅰ区为易塌陷区(W = 0. 75 ~ 1), 理,同时加强基础的整体性和刚度,并结合上部结 构、构造措施预防岩溶地面塌陷的危害,必要时主要 建(构)筑物基础可采用嵌岩桩。 对比评估区和徐 州市已发生的岩溶地面塌陷点地质条件,差异较大, 评估区属岩溶地面塌陷相对稳定亚区(Ⅱ区),本次 评估认为拟建工程不需采取专门措施进行岩溶地面 塌陷防治。 Ⅱ 区为相对稳定区(W = 0. 25 ~ 0. 75),Ⅲ区为稳定 区(W=0 ~ 0. 25)。 3 . 2. 2ꢀ 饱和砂(粉)土液化 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 有关饱和砂(粉)土液化的防治,工程界已积累 了大量丰富、成熟的经验。 根据地方经验,拟建工程 主要建筑物可采用桩基础;一般建筑物可采用碎石 桩、粉喷桩等复合地基方案消除或降低饱和砂(粉) 土的液化影响,或采取上部结构处理措施。 有关规定选用场地液化指数 ILE 作为饱和砂(粉) 土液化分区的定量指标:严重液化区 ILE >18,中等液 化区 ILE =6 ~ 18,轻微液化区 ILE <6。 3 . 2. 3ꢀ 软土沉陷 目前软土沉陷的工程处理措施主要是加固土 体、提高强度。 场地内软土与粉土在剖面上呈互层 产出,软土沉陷的预防和处理措施可与饱和砂(粉) 土的液化处理结合进行,或进行超载预压处理。 鉴 于目前研究区局部地段已发生软土沉陷现象,为防 止改造工程建成后软土沉陷现象进一步加剧,建议 在工程建设前对堆场进行预堆载处理。 本文对软土沉陷暂不作定量评价,仅作定性分 析。 . 3ꢀ 量化结果分析 根据《江苏省徐州市岩溶地面塌陷灾害地质勘 3 查报告》,评估区全部范围岩溶地面塌陷模糊判别 指数 W 值介于 0. 25 ~ 0. 75,属相对稳定亚区( Ⅱ 区)。 4 ꢀ 结ꢀ 论 根据收集资料分析,本次评估区采用标准贯入 试验判别法,取场地历史最高水位埋深 0. 00 m,按 ( 1) 评估区内全部范围可划分为岩溶地面塌 陷、饱和砂(粉) 土液化及软土沉陷 3 种影响因素, 评估区地质灾害危险性等级划分为危险性小。 2 0 m 判别深度进行计算得,场地层Ⅰ-1 粉土、Ⅰ-3 粉土、Ⅰ-5 粉土均为液化土层,按孔计算得出单孔 液化指数 ILE 在 0. 01 ~ 10. 93,平均值为 3. 87,综合 评定场地地基液化等级为轻微。 ( 2)根据模糊数学定量判别结果,岩溶地面塌 陷模糊判别指数 W 值介于 0. 25 ~ 0. 75,属相对稳定 亚区(Ⅱ区),可不采取专项措施治理。 评估区软土厚薄不均,局部地段厚达 6 m,但总 体厚度较小,且仅分布于评估区内局部地段,产状较 为平缓且稳定,埋深较浅,层间夹相对透水层粉土, 渗透固结速度较快,沉陷量小,易于加固处理,属沉 陷危险性小的区域。 ( 3)可采用碎石桩、粉喷桩等复合地基方案消 除或降低饱和砂(粉)土的液化影响,或采取上部结 构处理措施提升拟建建筑的整体刚度;建议在饱和 砂(粉)土的液化治理过程中采用超载预压消除软 土沉陷。 综上所述,评估区目前尚未发生地质灾害,人类 工程活动不强烈,地质环境条件没有大的变化,工程 建设虽然因大面积地面堆载会诱发软土沉陷等地质 灾害,但预计沉陷量较小,采取适当的预防措施后, 工程建设本身不会遭受地质灾害的危害,评估区地 质灾害危险性等级划分为危险性小。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ [ 1]ꢀ 罗小杰,沈ꢀ 建. 我国岩溶地面塌陷研究进展与展望[J]. 中国 岩溶,2018(1):101-111. 2]ꢀ 段先前,褚学伟,李ꢀ 博. 基于集对分析的岩溶塌陷危险性预 测评价[J]. 安全与环境学报,2016,16(4):72-76. 3]ꢀ 李建朋,聂庆科,刘泉声,等. 基于权重反分析的岩溶地面塌陷 危险性评价方法研究[J]. 岩土力学,2018,39(4):1395-1400. 4]ꢀ 王恒恒,张发旺,郭纯青,等. 基于层次分析法的城市岩溶塌陷 危险性评价———以武汉市南部为例[ J]. 中国岩溶,2016,35 3 . 4ꢀ 灾害处理措施 岩溶地面塌陷防治措施的要点在于保证场地地 质环境的稳定,控制在评估区及外围附近凿井开采 地下水。 就工程本身而言,可首先查明地下是否存 在岩洞、土洞,存在时查明其位置和规模,对建(构) 筑物安全构成影响的洞体可采用注浆法进行加固处 ( 6):667-673. [5]ꢀ 郑ꢀ 智,简文彬. 龙岩市岩溶塌陷地质结构及其致塌机理[J]. 地质灾害与环境保护,2017(4):38-43. (下转第 197 页) 1 98
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