覆盖型岩溶土洞泡沫混凝土复合地基模型试验研究

黄 鹏，简文彬,3，洪儒宝,4，张少波，陈鸿志

(1.福州大学 环境与资源学院， 福建 福州 350108；2.福州大学 岩土工程与工程地质研究所， 福建 福州 350108；3.地质工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350108；4.福建省地质环境监测中心， 福建 福州 350001)

我国是世界上岩溶最发育的国家之一，可溶岩分布地区占国土面积的1/3以上[1]，福建省的可溶岩主要分布在其西南部。近年来，福建省岩溶塌陷发生频次越来越多，据不完全统计，岩溶塌陷已造成人员伤亡数十人，造成的直接和间接经济损失超过数十亿元，占全省地质灾害造成的经济损失20%以上，而龙岩市是福建省岩溶塌陷的重灾区，岩溶塌陷数量占全省岩溶塌陷地质灾害数量的80%以上[2]。随着城市化建设的快速推进，岩溶地区的工程建设项目在规模和数量上急剧增大，建筑物常常遇到隐伏岩溶地基承载力不足、不均匀沉降、地基滑动、地表坍塌等问题，这些问题受到业界的普遍关注[3-5]。

在福建龙岩地区，岩溶地基中往往发育一定厚度的软弱土覆盖层，其下大多数存在有竖向的呈串珠状的溶洞。由于溶洞顶板厚度小，且起伏不定，难以作为合适的桩基持力层。若将桩穿越多层溶洞选择下伏完整基岩作为桩端持力层，又导致成桩过长，不仅增加施工成本，同时易在施工过程中造成溶洞塌陷。因此，研究覆盖型岩溶区建筑地基处理，对加强岩溶地基稳定性分析评价有着重要的技术价值和经济意义[6]。

目前国内已有采用复合地基处理覆盖型岩溶地区的地基[7-14]，其有限的应用显示出非常好的技术效果和经济效益，具有开展进一步深入研究和扩大应用范围的重要价值。

泡沫混凝土作为一种新型材料，在建筑工程方面已得到广泛应用[15-16]。其轻质、水下不分散的特殊性能[17-18]是普通混凝土不能胜任的。在复杂的岩溶地质环境条件下，采用泡沫混凝土充填溶洞形成复合地基，可有效防止溶洞坍塌。

本文以覆盖型岩溶为研究对象，通过建立室内模型，采用泡沫混凝土材料作为充填材料，进行了复合地基变形特性试验研究。探讨在分级荷载作用下不同桩长形成的复合地基的沉降规律，桩间土压力、溶洞顶、底部在处理前后的土压力变化规律，以及桩土荷载分担比的变化规律。

1 模型试验

1.1 模型试验装置

本模型试验装置主要由加压装置、反力装置、模型桶以及测读系统组成。加压装置由平衡反力架、液压千斤顶、液压泵及加载钢板组成；测读系统主要由微型土压力盒、百分表、带显示屏的荷载传感器、数据采集系统等组成，如图1所示。其中，模型桶横截面直径为0.5 m，高度1 m，由钢板加工制成，模型桶侧壁设一开口。加载钢板尺寸同为直径0.5 m，厚度5 mm，刚度满足均匀加载要求。

图1模型试验装置图

1.2 试验材料

试验用地基土采用龙岩市岩溶发育地区覆盖层的土体，土体主要为含碎石粉质黏土；采用淤泥模拟溶洞充填物，经烘干后碾碎，过5 mm的筛子，之后重新配制而成；砂垫层采用中粗砂，铺设厚度2 cm。土的物理力学指标如表1所示。

表1 试验用土物理力学指标

泡沫混凝土的制备，水泥采用425普通硅酸盐水泥，发泡剂为MS-1型复合发泡剂。同时添加纤维素醚增加稠度，提高泡沫混凝土的水下不分散性能；添加减水剂，减少拌合用水量。为更符合实际工程情况，提高泡沫混凝土的水下性能，制备的泡沫混凝土密度调节至略大于水的密度，物理力学指标如表2所示。

表2 泡沫混凝土物理力学指标

1.3 监测器件埋设方案

图2给出了复合地基模型试验中土压力盒的布置情况。试验共埋置了10个土压力盒，在桩顶平面上，桩顶中心、桩间土中心、模型桶边缘均设置土压力盒。同时，桩间土中心、模型桶边缘处20 cm、40 cm、60 cm深度均设置土压力盒，用于测定地基土受压时不同深度处桩间土、边缘土的影响。土压力盒直径16 mm，厚度4.2 mm。

图2土压力盒平面布置图

1.4 试验方案

考虑到实际工程情况，溶洞可能是完全中空，也可能被软弱土体所充填，不同的情况采取不同的处理措施，因此试验也设置两类工况进行模拟。第一类是溶洞无充填状态，采用泡沫混凝土充填溶洞且作桩，形成复合地基；第二类是溶洞被淤泥所充填，采用泡沫混凝土作桩形成复合地基。

泡沫混凝土桩的模拟施工采用挖孔成桩，填土完成后用洛阳铲开挖桩位，利用泡沫混凝土的可注性进行灌注并设置不同长度的桩。

桩体采用泡沫混凝土作桩，桩径50 mm，桩间距100 mm，采用正方形布置，在溶洞平面范围内设置四根，具体布置如图2所示。

试验共9组，每组试验做2次，具体方案见表3。

表3 模型试验方案

1.5 试验步骤

(1) 在模型填筑之前，对现场取回的土样进行取样测定土体含水率，若含水率偏小，则加水搅拌至所需含水率；若含水率偏大，则将土体铺平晾晒，直至满足试验要求，控制含水率为28%～32%之间。

(2) 在模型桶内涂上凡士林，铺设塑料膜以适当消除边界效应，再以密度控制法进行分层填土。覆盖层土体分层填筑，每层填筑5 cm(夯实后高度)，控制地基土重度在18 kN/m3～18.5 kN/m3。

(3) 分层填筑时，进行下个分层夯实前，将夯实土层表面捣松，以增强与下一层的土体咬合力，避免出现层与层之间的明显分界。

(4) 当堆填至土压力盒预埋深度时，将土压力盒铺设到所需位置并固定，同时检查传感器读数是否异常。

(5) 填筑完毕后，从模型桶侧壁开口处开挖，开挖出所需模拟溶洞形状及大小。溶洞设置为底面直径30 cm、高为15 cm半球型溶洞，顶部埋深25 cm。开挖完成后将洞口用粉质黏土回填，关闭模型桶开口，形成一密闭土洞。

(6) 利用洛阳铲开挖桩孔，用于灌注泡沫混凝土。泡沫混凝土即时制备，即时灌注，灌注7日之后进行荷载试验。

(7) 在土体顶面铺设2 cm砂垫层作为褥垫层。之后在砂垫层上放置刚性加载板用于施加面荷载。

(8) 安装百分表以及加载钢板，检查土压力盒数据是否正常。

(9) 加载采用液压泵+千斤顶进行加载，通过带显示器的荷载传感器进行控制，每一级荷载为2 kN(10 kPa)。

(10) 每一级沉降稳定后，记录时间及百分表读数，同时与土压力数据进行对应。

2 试验结果与分析

2.1 荷载-沉降曲线

试验的荷载(p)-沉降(s)曲线如图3、图4所示。在较低的荷载范围内(200 kPa)，地基基本处于弹性变形状态。

图3荷载(p)-沉降(s)曲线(工况1)

试验1-0未进行任何处理时沉降最大，在荷载达到150 kPa～160 kPa时，溶洞开始坍塌，沉降量急剧增大，试验终止。试验1-1采用泡沫混凝土对溶洞进行充填，沉降降低至20 mm左右。试验1-40、1-50、1-60分别对溶洞进行充填，同时增加长度40 cm、50 cm、60 cm泡沫混凝土桩作复合地基，沉降均接近，为13 mm。由此可见，在溶洞被泡沫混凝土充填的情况下，桩体与充填体形成整体，桩长的增加，地基变形并没有明显变化。

图4荷载(p)-沉降(s)曲线(工况2)

试验2-0的沉降介于试验1-0与试验1-1之间，符合实际情况。由于试验模型为有侧限，溶洞没有坍塌，曲线没有出现陡降。试验2-40的沉降达到17 mm，而试验2-50与试验2-60沉降值比较接近，均接近15 mm。这说明在工况2的情况下，桩长的增加，有利于提高桩体承载力，从而提高整个复合地基承载力，减少沉降。桩长40 cm增加至50 cm时，地基承载力提升较大，而50 cm增加至60 cm时，地基承载力没有显著提升。

2.2 地基土压力

为比较不同桩长下地基土压力的变化情况，取承压板荷载p=150 kPa测得的土压力进行对比。图5、图6即工况1在150 kPa荷载作用下，模型桶中心处、边缘处不同深度处的土压力。

图5 中心处地基土压力随深度的变化(工况1，p=150 kPa)

图6边缘处地基土压力随深度的变化(工况1，p=150 kPa)

试验1-0即在未进行任何处理的情况下，模拟的溶洞洞顶和洞底的土压力接近于0，溶洞底部下卧层土压力也较小，而边缘处的土承担了较大的荷载，土压力达到228 kPa、266 kPa。试验1-1即对溶洞填充泡沫混凝土后，由于泡沫混凝土的模量较地基土较高，变形更小，所以中心部分承担的荷载大于边缘部分承担荷载，溶洞顶部处的土压力最大，中心处土压力均大于边缘处土压力。

加入不同长度泡沫混凝土桩，充填体+桩结合形成增强体，与桩间土共同作用的复合地基。桩间土压力明显减低，中心20 cm处土压力仅60 kPa，但溶洞底部的土压力最大，这是由于泡沫混凝土充填体将桩体部分承担荷载传递至溶洞底部，较均匀地扩散，减少桩体底部集中力，泡沫混凝土桩形成端承桩。与此同时，相较于试验1-0、试验1-1，边缘土压力均更小，复合地基加固区承担了较多的荷载。

试验2-0未处理时则同试验1-2(仅充填泡沫混凝土)情况相反，由于溶洞内充填软弱土体，变形较大，溶洞上部土层承担的荷载小于边缘部分的土。加入不同长度的泡沫混凝土桩后，桩体承担了一部分荷载，中心土压力与边缘土压力均明显减小。试验2-40的桩间土与边缘土压力略大于试验2-50与试验2-60的土压力，试验2-50与试验2-60的情况接近，与沉降规律相同。由此可以说明，在仅有泡沫混凝土桩的情况下，桩长的增加有利于提高地基承载力，但存在一定的“有效桩长”，继续增加桩长并不能大幅度提高地基承载力。

2.3 桩土荷载分担比

在桩顶及桩间土中心布置土压力盒，量测泡沫混凝土桩与桩间土的所承担的土压力，二者比值为桩土荷载分担比。

工况1试验不同桩长对应的桩土荷载分担比接近，均接近6。在80 kPa之后桩土荷载分担比趋于稳定，桩体与桩间土共同形成较稳定的加固区，桩与土承担荷载比例达到稳定值。

试验2-40的桩土荷载分担比仅4左右，而试验2-50与试验2-60的桩土荷载分担比均近5。在荷载达到80 kPa前，桩体承担荷载比例较大，桩土荷载分担比略有上升。荷载达到80 kPa之后，由于单桩承载力有限，此时荷载继续增加，桩体承担比例降低，桩土荷载分担比降低。

3 结 语

本文通过室内模型试验，以福建省龙岩地区常见的覆盖型岩溶土洞为研究对象，通过设计不同工况，改变不同桩长研究了两种不同工况下的复合地基的变形特性，得到以下结论：

(1) 在覆盖型岩溶土洞地区，采用充填泡沫混凝土桩复合地基可以有效提高地基承载力，减少地基沉降。

(2) 对于溶洞无充填的情况下，利用泡沫混凝土的轻质性、可注性，以及良好的水下不分散性能对溶洞进行充填，可以有效防止溶洞坍塌，同时不增加过大的附加应力。如有更高的变形要求，可同时开挖桩孔，直接进行灌注成桩。桩体到达溶洞底部，与充填体形成一个整体即可，桩体穿越溶洞并不能有效提高复合地基承载力。由于充填体与桩体能形成一整体，可以有效提高单桩承载力，同时桩底应力可以被充填体有效扩散，降低对地基下卧层的附加应力。充填体与桩体以及桩间土共同形成复合地基，相比于桩基基础，桩体应力较小，可以充分利用覆盖层土体的承载力。

(3) 对于溶洞被淤泥或其他软弱土体充填的情况，利用泡沫混凝土作桩，穿越溶洞，与桩间土形成复合地基共同承担荷载。桩长增加，桩侧摩阻力增大，单桩承载力提高，地基承载力得到提高。但桩长继续增加，地基承载力提高有限，存在“有效桩长”。