巖溶與巖溶塌陷(土洞)(王蘭生)

1、巖溶與巖溶塌陷（土洞）,5.5.1 定義5.5.2 發(fā)育條件與基本特征5.5.3 巖溶類型與形態(tài)5.5.4 巖溶與巖溶塌陷機理5.5.5 巖溶地區(qū)勘察評價方法5.5.6 巖溶地基處理方法,1. 巖溶 巖溶(喀斯特)是可溶性巖石在水的溶(侵)蝕作用下，產生的各種地質作用、形態(tài)和現象的總稱?？扇軒r包括碳酸鹽類巖石以及石膏、巖鹽、芒硝等其他可溶性巖石。就巖溶對工程危害而言，由于石膏、巖鹽等易溶巖的溶解速度大

2、，因此，巖土工程評價中不但要評價其現狀，更要著眼于工程有效使用期限內溶蝕作用繼續(xù)對工程的影響。由于碳酸鹽類巖石在我國各類可溶巖中，分布范圍占有絕對優(yōu)勢，因此應主要掌握碳酸鹽類巖石中的巖溶問題。 2.巖溶塌陷（土洞） 巖溶塌陷是在有覆蓋土的巖溶發(fā)育區(qū)，在特定的水文地質條件下，巖面以上的土體遭到流失遷移而形成土中的洞穴和洞內塌落堆積物以及引發(fā)地面變形破壞的總稱。土洞是巖溶的一種特殊形態(tài)，不良地質現象，由于

3、發(fā)育速度快、分布密，對工程的影響有時甚至大于巖洞。,5.5 巖溶與巖溶塌陷（土洞） 5.5.1 定義,5.5.2 發(fā)育條件與基本特征,1.巖溶的發(fā)育條件: (1)具有可溶性的巖層； (2)具有一定的地下水的循環(huán)交替條件，即地表水有補給下滲，地下水有流動的途徑和排泄的條件。 巖溶過程化學反應式： CaCO3+H2O+CO2 Ca(HCO3)2,,,,,幾種典型化的水循環(huán)交替條件,（a）厚層灰?guī)r裸露補給河

4、谷排水；（b）薄層灰?guī)r裸露補給河谷排水；（c）透水蓋層滲入分散補給河谷排水；（d）河流洪水倒灌補給；（e）河流集中補給鄰谷排水；（f）河谷水經斷層間接補給鄰谷排水；（g）單斜層裸露補給遠谷排水；（h）向斜層裸露補給遠谷排水；虛線為地下水位；實線及箭頭示流線,（a）平水期,（b）洪水期,灰?guī)r裸露伏流河補給及降水直接補給水循環(huán)立體圖,2.巖溶塌陷（土洞）的發(fā)育條件與規(guī)律 土洞或地表塌陷的形成和發(fā)展，受到區(qū)域地

5、質構造、水文地質、 巖溶發(fā)育、地表排水以及人為改變地下水動力條件等諸因素的影響。其中土、巖溶水的活動是必不可少的條件。由于各地區(qū)內外因條件的差異，決定了巖溶塌陷發(fā)展的不均性。(1)與土質和土層厚度的關系 土洞多發(fā)育于黏性土中，在砂土及碎石土中比較少見。土質厚薄對土洞的形成、由土洞發(fā)展到地表塌陷所需的時間以及塌陷形成后的斷面形狀都有一定影響。(2)與巖溶發(fā)育特征和程度的關系 土洞是巖溶作用的產物，因此它

6、的分布同樣受到決定巖溶發(fā)育的巖性、巖溶水、地質構造等因素的控制(3)與水的關系 水是形成土洞的外因和動力。,5.5.3 巖溶類型與形態(tài),不同氣候環(huán)境下的巖溶形態(tài)組合標志,5.5.4 巖溶與巖溶塌陷機理,巖溶塌陷一般系為巖溶地區(qū)土層中的塌陷、巖溶基巖中的塌陷和上覆土層同下伏基巖一起坍塌的塌陷的統(tǒng)稱。在覆蓋型巖溶地區(qū)，由于土層中土洞的發(fā)展，導致地面陷落而產生地表變形和破壞所形成的負地形，稱為巖溶塌陷。,巖溶塌陷雖有突發(fā)性，

7、但其前身的土洞，是在某些因素作用下，多數是長期發(fā)育而形成的。因而，對土洞的調查、勘探、治理和預報是巖溶塌陷區(qū)重要的巖土工程工作之一。 覆蓋型巖溶地區(qū)的巖溶塌陷是由覆蓋層中的土洞發(fā)展而發(fā)生的，其演化過程如見圖5.1所示。自然的因素是長期地和經常地通過影響地下水的水質、水量、水力來溶蝕可溶巖、潛蝕土層而孕育、發(fā)展土洞的；人為的因素則通過這些作用加速土洞的發(fā)展，加強塌陷的規(guī)模，加劇塌陷的危害。 巖溶塌陷的形成的基本條件為以下三方面：

8、1．基巖的巖溶發(fā)育程度 巖溶塌陷處下伏基巖的巖溶發(fā)育程度是強烈的，而巖溶發(fā)育程度弱的地段則塌陷少見。巖溶塌陷主要是與淺部巖溶發(fā)育程度密切相關。 淺部巖溶是指基巖表面的溶芽和溶溝槽部分，和低基巖面以下約10m范圍內的洞穴或溶隙發(fā)育段?？捎勉@探、物探等方法測量。基巖面的起伏程度，可用單位面積的溶溝槽數量、基巖面埋深的均方差來表征。,2．土層的性質 土層是土洞形成和塌陷發(fā)生的物質基礎。

9、土層的成因類型、礦物成分、巖性、顆粒成分、結構構造、物理力學性質、水理性質、狀態(tài)、厚度等，影響著土洞的形成和發(fā)展的快慢，土層的厚度，還控制或影響塌陷的形態(tài)與規(guī)模。 3．地下水的活動特征 地下水的活動是土洞的形成、發(fā)展，以致破壞的最活躍的因素。特別是水位在基巖上下波動的幅度和頻度，對崩解和搬運土粒和流土。的速度有重要作用。地下水的活動還改變土的含水量、塑性狀態(tài)或因濕脹干縮而出現裂隙等。5.5.5 巖溶

10、地區(qū)勘察評價方法 1．勘察工作要點 各階段巖溶地區(qū)建筑巖土工程勘察要求與方法見下表。,,接下表,,接下表,,2．測試和觀測要求 (1)當追索隱伏洞隙的聯(lián)系時，可進行連通試驗； (2)評價洞隙穩(wěn)定時，可采用洞體頂板巖樣及充填物土樣作物理、力學試驗。必要時可進行現場頂板巖體的載荷試驗； (3)頂板為易風化或軟弱巖石時，可進行抗風化試驗； (4)當需查明土的性狀與土洞形成的關系

11、時，可進行濕化、脹縮、可溶性及剪切試 驗； (5)查明地下水動力條件和潛蝕作用，地表水與地下水的聯(lián)系，對預測土洞、地表塌陷的發(fā)生和發(fā)展時，可進行水位、流速、流向及水質的長期觀測。3.巖土工程評價 巖溶評價可分為建筑區(qū)場地穩(wěn)定性評價與地基范圍內個體巖溶形態(tài)評價兩部分，建筑區(qū)場地穩(wěn)定性評價即在較大范圍內，按巖溶發(fā)育強度在乎面上區(qū)劃出對建筑穩(wěn)定性不同影響的分區(qū)，作為場地選擇、建筑總平面布置的依據。而對地基穩(wěn)定分析所及深度內

12、，單個巖溶形態(tài)(主要指洞隙空間)的穩(wěn)定評價可分為定性和半定量兩種方法，當前使用較廣的仍然是以定性的方法為主。,(1)場地宏觀評價 在巖溶場地宏觀分區(qū)評價時，可參照巖溶的基本特征與規(guī)律，考慮下列各點： 1)場地上主要建筑物的位置盡量避開巖溶發(fā)育強烈地段，宜選擇在非(弱廠可溶巖分布的地段上。 2)從巖溶對建筑穩(wěn)定性和適宜性出發(fā)，在總平面布局上，使各類安全等級建筑物的布置與巖溶發(fā)育程度分區(qū)相適應。 3)當

13、地形條件受限或生產工藝流程必須在穩(wěn)定性條件較差的地段布置建筑物時，宜使建筑長軸方向與巖溶發(fā)育帶方向垂直或斜交，以減少工程處理工作面。 4)場地地坪設計標高的確定，有條件時宜使建筑物基底與某一水平巖溶洞隙帶之間保持一定距離，或使其能在土石方施工時被開挖揭露。 5)避開巖溶水位高又是集中流動的地帶，避免基礎及地下構筑物攔堵地下水的正常流泄，尤其是場地為狹長的溝谷和近似封閉的洼地時，更要充分估計水的季節(jié)性動態(tài)變化的不良影響。

14、 以上原則對巖溶塌陷（土洞）發(fā)育區(qū)同樣適用。,(2)巖溶地基的定性評價 定性評價是一種經驗的比擬方法，簡便易行，但在使用中又具有明顯的隨意性，評價結果往往是因人(經驗水平)而異，但若能據影響穩(wěn)定評價的各項因素進行充分地綜合分析，并能在勘察與工程實踐中不斷驗證修訂，仍可得出中肯的正確結論。定性評價可參照下列方法進行： 1) 根據洞隙的各項邊界條件，對比下表所列影響洞體穩(wěn)定譜因素綜合分析，做出評價。

15、 2) 按被評價洞隙的條件，與當地相同條件的已有成功與失敗工程實例進行比擬評價。在已有的工程中，曾見到一些基底下埋藏有各類形態(tài)和尺寸洞隙的建筑物，它們大多未經處理至今完好無恙。許多實例說明，巖體中雖有洞隙存在，但仍可將其作為天然地基或稍加處理。 3) 據已有調查實例的歸納及工程實踐的經驗總結，巖溶洞隙穩(wěn)定性評價還可作如下考慮。 ①對于非重大或安全等級屬二、三類的建筑物,當屬下列條件之一者, 可考慮巖溶對地基穩(wěn)定性的

16、影響； a．基礎置于微風化硬質巖石上，延伸雖長但寬度小(如1～2m內)的豎向溶蝕裂隙和落水洞的近旁地段； b．基底以下的土層厚度較大，如獨立基礎大于3倍基寬，條基大于6倍基寬且場地不具形成土洞的條件；,,c．雖基底與洞體頂板間土層厚度小于②所列，但巖溶條件符合下列條件之一時也可不考慮： a)洞體被密實沉積物填實，且無被水沖蝕的可能； b)洞徑或溶隙寬度較小，基礎底

17、面積大于其平面投影尺寸，并有足夠支承長度； c)微風化硬質巖石中，洞頂板厚度接近或大于洞跨。 ②當遇下列情況之一時，未經進一步論證分析或妥善處理，不宜作為建筑物天然地基： a.巖溶水通道堵塞或涌水，有可能造成場地暫時性淹沒； b.高濃度酸性生產廢水流經巖溶通道的地段； c．凡以上定性評價或經巖土工程勘察鑒定屬不穩(wěn)定或處于臨界狀態(tài)的巖溶洞隙。 當自然或洞體條件難于直接做出評價時，

18、其穩(wěn)定性可借助半定量的一些方法進行評價。,(3)巖溶地基的半定量評價 當前雖有一些對洞體穩(wěn)定評價的定量方法，但是，洞體受力狀況、圍巖應力場的演變十分復雜，要確定洞體破壞的形式和取得符合實際的巖體力學參數又很困難，兼之受到探測手段的局限，很難查清洞體與圍巖的邊界條件與性能指標。因此，定量方法難以在工程實踐中應用，半定量的評價方法較為實用，但目前尚屬摸索提高的階段。茲介紹幾種簡單、大多數工程可以辦到的半定量的評價方法，供試算時參考。

19、,1)荷載傳遞線交會法 在剖面上從基礎邊緣按30~45擴散角向下作應力傳遞線，當洞體位于該線所確定的應力擴散范圍之外時，可認為洞體不會危及基礎的穩(wěn)定。由定性評價中的洞體頂板厚跨比(Z／L)可知，當集中荷載作用于洞體中軸線，Z／L為0．5時，應力擴散線為頂板與洞壁交點的連線，它與水平面夾角相當于混凝土的應力擴散角45；當Z／L為0．87時，相當于松散介質的應力擴散角30。 2)洞體頂板坍塌自行堵塞估算法 洞

20、體頂板被裂隙切割呈塊狀、碎塊狀，頂板塌落后體積松脹，當塌落向上發(fā)展到一定高度，洞體可被松脹物自行堵塞。在沒有地下水搬運的情況下，可以認為洞體空間已被支撐而不再向上擴展了。設洞體空間體積為Vo，塌落體體積y松脹后不僅充填了塌落空間，還充填了Vo，此時塌落高度Z可由式(5.5.5)確定。,（5.5.1） 即 （5.5.2） 式中 k——頂板巖石的松脹系數，

21、對巖石取l.l～1.3，視坍落后塊度定；對土取1.05～l.10 設洞體頂板為中厚層灰?guī)r，洞體截面積為F，洞高Ho，假定塌落前后洞體均為柱形，則： (5.5.3) (5.5.4)

22、(5.5.5) 如高度Z以上還有外荷載，則還應加以荷載作用所需的厚度，才是洞體頂板的安全厚度。,3)結構力學近似分析法 ①按頂板抗彎厚度驗算： 根據洞頂板巖體的實際狀況和完整性，按假定的梁或板的受力條件，驗算所需的安全厚度。當洞體頂板為厚層塊狀，完整性較好時，可視為四周嵌固的板驗算其穩(wěn)定性，板的最大彎矩在長邊支點的中心處，反算所需的頂板安全厚度: (5

23、.5.6)式中 q——長邊每延米均布荷載； L、b——洞的長、短徑；,δ——巖體彎曲強度，對灰?guī)r一般取抗壓強度的0，10～0．125。 當洞體邊界條件接近以下受力狀況時，如平行洞的長軸方向裂隙發(fā)育，可視為兩端固定梁驗算。若還有平行短徑方向裂隙，甚至已延伸至跨中，可視為簡支梁或懸臂梁考慮。 按δ=M／W反求所需的頂板厚度。 W為頂板截面抵抗矩；M為不同受力狀況時的彎矩值。 ②按頂板抗剪的安全厚度驗

24、算，由下列極限平衡條件求得頂板厚度Z”： （5.5.7） 式中 F——上部荷載傳至頂板的豎向力(kN)； G——頂板巖土自重(kN)； U——洞體平面的周長； ——頂板巖體的抗剪強度，對灰?guī)r一般取抗壓強度的0.06～0.13。,4)成拱分析法 當頂板巖體被密集裂隙切割呈塊狀或碎塊狀時，可認為頂板

25、將成拱狀塌落，而其上荷載及巖體則由拱自身承擔，按普氏松散介質破裂拱理論，此時破裂拱高H為： （5.5.8）式中： b——洞體跨度(m)； Ho——洞體高度(m)； ?——洞壁巖體的內摩擦角( 度)； f——洞體圍巖的堅實系數，對松散介質，f=tan?。 破裂拱高加上部荷載作用所需的巖體厚度才是洞頂

26、板的安全厚度。若洞的頂板呈拱形，拱角以下巖體完整穩(wěn)定且無橫向擴展的可能。也可近似地用石砌拱圈厚度加足夠安全儲備類比確定拱頂的安全厚度。,5)電阻應變片測試法 對已查明的淺層洞體，為驗證在外荷載下洞頂板巖體的應力狀態(tài)或已知裂隙面的變形情況，可在洞頂加載荷，沿縱橫洞軸方向貼設電阻應變片及布置撓度量測，在加荷過程中追蹤測量。根據測得的最大應力與巖體抗剪強度對比，若后者大于前者5～10倍，則認為巖溶洞體的頂板是可靠的。為了解頂板巖體中某

27、些裂隙處是否存在應力集中及明顯的變形，可在裂面上及其一側分別貼電阻應力片量測，若二者無明顯差別，則說明裂隙的存在并不影響頂板整體受力。 (4)土洞的評價 在巖溶區(qū)進行巖土工程勘察時，首先可在巖溶發(fā)育區(qū)內，劃出條件適宜土洞形成的區(qū)段，作為建筑區(qū)總圖布置的依據。例如可將巖溶發(fā)育區(qū)中，地下水最高水位高于基巖面的土層分布區(qū)以及其他有利于土洞發(fā)育的地段劃為土洞發(fā)育區(qū)。以便工程總體布局上避開成片密集分布的土洞發(fā)育帶。 具備

28、下列條件的部位都可能是有利于土洞發(fā)育的地段，對于工程來說應視為不利于建筑的地段。,1)土層較薄，土中裂隙發(fā)育，地表無植被或新挖方區(qū)，地表水人滲條件好，其下基巖有通道、暗流或呈負巖面的地段； 2)石芽或出露的巖體與上覆土層交接處，巖體裂隙通道發(fā)育且是地面水經常集中的人滲部位； 3)土層下巖體中2組結構面交會，或處于寬大裂隙帶上； 4)隱伏的深大溶溝、溶槽、漏斗等地段，鄰近基巖面以上有軟弱土層分布； 5)人工

29、降水的降落漏斗中心；當巖溶導水性相對均勻，在漏斗中地下水流向的上游部位；當巖溶水呈集中管道流時，在漏斗中地下水流向的下游部位； 6)地勢低洼、地面水體近旁。 巖土工程評價中，可參照上述條件進行土洞分布區(qū)的預測，同時可以根據已查明的土洞平面分布密度進行發(fā)育與穩(wěn)定程度的評價。如以地表塌陷的數字來劃分發(fā)育帶在有些著作中也可見到一些劃分的推薦數值，如以每平方公里中土洞數與地表塌陷數作為土洞分布或地基穩(wěn)定性的定量評價指標。,但是

30、，這一標準不適用于條件不同地區(qū)間的比擬。由前所述，由于土洞成因，土層厚薄，水的運行條件的差異，就不能僅憑目前單位面積上已有的土洞數或塌陷數認定其對工程的危害程度。 對于土洞單體穩(wěn)定性評價的問題，曾有按人工洞室評價的方法去評價土洞的穩(wěn)定。事實上，在自然條件下形成的土洞與土體中的人工洞穴不同，前者是在自然條件下發(fā)生和發(fā)展，其埋藏深度一般較淺，分布密集，突發(fā)性強，有時雖可以處于暫時穩(wěn)定，但一旦條件具備，便可繼續(xù)發(fā)展。以目前的勘探手段尚

31、難查明單個土洞的幾何要素，而且，鉆探、釬探、觸探穿過土洞頂板，就可成為地表水下滲的通道，促使土洞喪失穩(wěn)定而繼續(xù)發(fā)展。后者是深埋于土體的人工空間，斷面尺寸可以隨土質而定，頂部可鑿成拱形，必要時可加以襯砌，兩者情況迥然不同。因此在工程實踐中，對已查明的土洞無不進行工程處理，迄今尚未見某個土洞經穩(wěn)定計算，未經處理其上建筑物使用完好的先例。 5.5.6 巖溶地基處理方法 1．巖溶地基處理的一般原則 (1)重要建筑物宜避開巖溶

32、強烈發(fā)育區(qū)； (2)當地基含石膏、巖鹽等易溶巖時，應考慮溶蝕繼續(xù)作用的不利影響；,(3)不穩(wěn)定的巖溶洞隙應以地基處理為主，并可根據其形態(tài)、大小及埋深，采用清爆換填、淺層楔狀填塞、洞底支撐、梁板跨越、調整柱距等方法處理； (4)巖溶水的處理宜采取疏導的原則； (5)在未經有效處理的隱伏土洞或地表塌陷影響范圍內不應作天然地基。對土洞和塌陷宜采用地表截流、防滲堵漏、挖填灌填巖溶通道、通氣降壓等方法進行處理，同時采用梁板

33、跨越。對重要建筑物應采用樁基或墩基； (6)應采取防止地下水排泄通道堵截造成動水壓力對基坑底板、地坪及道路等不良影響以及泄水、涌水對環(huán)境的污染的措施； (7)當采用樁(墩)基時，宜優(yōu)先采用大直徑墩基或嵌巖樁，并應符合下列要求： 1)樁(墩)以下相當樁(墩)徑的3倍范圍內，無傾斜或水平狀巖溶洞隙的淺層洞隙，可按沖剪條件驗算頂板穩(wěn)定； 2)樁(墩)底應力擴散范圍內，無臨空面或傾向臨空面的不利角

34、度的裂隙面可按滑移條件驗算其穩(wěn)定； 3)應清除樁(墩)底面不穩(wěn)定石芽及其間的充填物。嵌巖深度應確保樁(墩)的穩(wěn)定及其底部與巖體的良好接觸。,2．巖溶的處理 (1)地基不均性的處理：參見地基處理有關部分的敘述。 (2)洞隙塌滑不穩(wěn)定的處理 1)結構措施 關于總平面布置及豎向設計等方面的建筑措施，可參照“場地宏觀評價”的有關內容。 在結構措施中，應選用有利于與上部結構共同工作，并可適應小范圍

35、塌落變位、整體性好的基礎形式，如配筋的十字交叉條基筏基、箱基等，同時采取必要的結構加強措施，如磚石結構加強圈梁設置、單層廠房基礎梁與柱連成整體，并加強柱間支撐系統(tǒng)等。 當洞隙深大，而兩側有可靠巖體時，可采用跨越結構，根據荷載及跨度，可選用調整柱距，有足夠支承的梁、板、拱及懸挑等方式。,2)地基基礎措施 ①當條件允許時，盡量采用淺基，充分利用上覆性能較好的土層為持力層或使基底與洞體間保留相當厚度的完好巖體。 ②當以

36、巖石作持力層時，局部加深基礎，通過鉆孔灌注樁或墩穿過單個洞體，使基礎荷載傳遞到下部完好的巖體上 ③對已外露的淺埋洞隙，可采用挖填置換，清理洞隙后以碎石或混凝土回填。當洞體深度較大，而兩側巖體完好，可挖填至一定深度，回填體斷面呈倒梯形，對有地下水活動的洞體，應回填反濾層并留有水流排泄之通道。 ④當頂板薄、跨度大時，可在洞底設置附加支撐以減少洞跨，也可加固洞頂，用漿砌塊石嵌補洞頂巖體及洞隙邊坡。 ⑤當洞體開口較小，開

37、挖清理困難時，可用灌漿填塞，灌填材料視要求而定，可選用砂石砂漿或混凝土，也可用小壓力灌漿法加固基底下一定厚度的溶隙及破碎巖體。 3)水的整治 對水的處理應貫徹宜疏勿堵的原則，對地表水做好有組織的排水，對地下水以疏導為主，即使堵也應留有出路，設置反濾層以減少淘蝕。,3．巖溶塌陷（土洞）地表塌陷的處理 (1)地表水形成的土洞 它的形成和發(fā)展往往與人類活動有關，如排水不暢，水流集中下滲所致。應認真做好地面水截留、

38、防滲、補滲，杜絕水流人建筑區(qū)。對已形成之土洞，可采用挖填配合梁板跨越處理。 (2)地下水形成的土洞 1)淺埋土洞：洞體淺，其底部往往有松軟土，當地下水位高時，其厚度可能較大。全部清除困難時，可在余土上拋石夯實，其上做反濾層。由于殘留土的變形及地下水的活動，處理后?？稍侔l(fā)生，故而其上還得做梁板，據廣西地區(qū)經驗，每邊支承長度不小于1.0～1．5m。 2)深埋土洞：清除填土困難較大，廣西地區(qū)的經驗可采用鉆孔灌砂(

39、或壓力灌注細石混凝土)·與梁板跨越聯(lián)合處理。貴州有些工程，在巖面上用爆破樁頭以堵塞土洞與巖溶的通道，其上回填砂或粘土。,3)人工降水形成的巖溶塌陷（土洞） 由人工降水形成的土洞與塌陷，可在極短時間內成群出現，工程措施原則應是觀測和預防。一旦發(fā)生即使處理了，由于并未停止水動力條件的改變，仍可再生。如何確定塌陷區(qū)的位置以確定建筑安全距離，目前尚研究得不夠，有些僅對場地選擇，取(排)水點位置及取水方案提出一些防治意見。

40、 ①選擇在地勢較高的地段及地下水靜動水位均低于基巖面的地段進行建筑。 ②場地應與取(排)水點中心有一定距離。塌陷范圍小于抽水井的降落漏斗，據已有資料，大面積降水時，塌陷范圍約在降落漏斗中心的0.3～0.7直徑范圍之內 ③合理控制取(排)水工程的水位降深值，據某工程資料，塌陷區(qū)邊緣地下水降深值大于2.0m，塌陷范圍l與水位降深S和滲透系數K之乘積有較好的相關關系。 ④塌陷區(qū)內不宜把土層作為基礎持力層，一般多采用柱