岩溶与岩溶塌陷(土洞)(王兰生)

岩溶与岩溶塌陷（土洞）•5.5.1定义•5.5.2发育条件与基本特征•5.5.3岩溶类型与形态•5.5.4岩溶与岩溶塌陷机理•5.5.5岩溶地区勘察评价方法•5.5.6岩溶地基处理方法1.岩溶岩溶(喀斯特)是可溶性岩石在水的溶(侵)蚀作用下，产生的各种地质作用、形态和现象的总称。可溶岩包括碳酸盐类岩石以及石膏、岩盐、芒硝等其他可溶性岩石。就岩溶对工程危害而言，由于石膏、岩盐等易溶岩的溶解速度大，因此，岩土工程评价中不但要评价其现状，更要着眼于工程有效使用期限内溶蚀作用继续对工程的影响。由于碳酸盐类岩石在我国各类可溶岩中，分布范围占有绝对优势，因此应主要掌握碳酸盐类岩石中的岩溶问题。2.岩溶塌陷（土洞）岩溶塌陷是在有覆盖土的岩溶发育区，在特定的水文地质条件下，岩面以上的土体遭到流失迁移而形成土中的洞穴和洞内塌落堆积物以及引发地面变形破坏的总称。土洞是岩溶的一种特殊形态，不良地质现象，由于发育速度快、分布密，对工程的影响有时甚至大于岩洞。5.5岩溶与岩溶塌陷（土洞）5.5.1定义5.5.2发育条件与基本特征1.岩溶的发育条件:(1)具有可溶性的岩层；(2)具有一定的地下水的循环交替条件，即地表水有补给下渗，地下水有流动的途径和排泄的条件。岩溶过程化学反应式：CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2几种典型化的水循环交替条件（a）厚层灰岩裸露补给河谷排水；（b）薄层灰岩裸露补给河谷排水；（c）透水盖层渗入分散补给河谷排水；（d）河流洪水倒灌补给；（e）河流集中补给邻谷排水；（f）河谷水经断层间接补给邻谷排水；（g）单斜层裸露补给远谷排水；（h）向斜层裸露补给远谷排水；虚线为地下水位；实线及箭头示流线（a）平水期（b）洪水期灰岩裸露伏流河补给及降水直接补给水循环立体图2.岩溶塌陷（土洞）的发育条件与规律土洞或地表塌陷的形成和发展，受到区域地质构造、水文地质、岩溶发育、地表排水以及人为改变地下水动力条件等诸因素的影响。其中土、岩溶水的活动是必不可少的条件。由于各地区内外因条件的差异，决定了岩溶塌陷发展的不均性。(1)与土质和土层厚度的关系土洞多发育于黏性土中，在砂土及碎石土中比较少见。土质厚薄对土洞的形成、由土洞发展到地表塌陷所需的时间以及塌陷形成后的断面形状都有一定影响。(2)与岩溶发育特征和程度的关系土洞是岩溶作用的产物，因此它的分布同样受到决定岩溶发育的岩性、岩溶水、地质构造等因素的控制(3)与水的关系水是形成土洞的外因和动力。5.5.3岩溶类型与形态分类依据岩溶类型气候主要类型：1．热带型；2．亚热带型；3．温带型次要类型：1．高寒地区型；2二—手早地区型发育时代1，古岩溶，中生代及中生代以前发育的岩溶2．近代岩溶，新生代以来发育的岩溶岩溶出露条件1．裸露型，岩溶岩层裸露，仅低洼地区有零星小片覆盖2，半裸露型，岩溶岩层以裸露为主，在谷地、大型洼地及河谷附近有较大面积被第四纪沉积物覆盖3．覆盖型，岩溶岩层大面积被厚的(一般为几十米以上)第四纪沉积物所覆盖，地面一般没有岩溶岩层的分布4。埋藏型，岩溶岩层大面积埋藏于非岩溶岩层之下岩溶作用及岩溶形态组合1．溶蚀为主类型，包括石林溶沟、溶丘洼地、峰丛洼地”、峰林谷地、孤峰坡地或残丘坡地等2．溶蚀一侵蚀类型，包括岩溶高山深谷、岩溶中山峡谷、岩溶低山沟岩、海岸岩溶、礁岛岩溶等3．溶蚀构造类型，包括垄脊箱谷、垄脊谷地、岩溶断陷盆地、岩溶断块山地等按河谷发育部位阶地坡地分水岭按水动力特征近河谷排泄基准面岩溶、远排泄基准面岩溶、构造带岩溶地台区类型河谷侵蚀岩溶、沿裂隙发育的岩溶、构造破碎带岩溶、埋藏的古岩溶类别地表岩溶形态地下岩溶形态岩溶形态石芽、石林、溶隙、溶洞、溶蚀准平原、溶沟、溶槽、溶蚀洼地，溶蚀平原、溶碟、漏斗、溶蚀谷地、峰丛、峰林、落水洞、竖井、干谷、盲谷、孤峰溶孔、落井、溶潭、伏流、溶穴、溶泉、天窗、暗河不同气候环境下的岩溶形态组合标志形态标志气候环境地表形态地下形态宏观大形态小形态堆积物大形态小形态堆积物干旱、半干旱常态山干谷单个溶痕石灰岩角，钙壳或钙质结核风蚀岩层穿沿。除雪山底部外很少大洞雪山底部洞穴中，可见涡穴、贝窝雪山底洞穴，可见各种小型次生化学沉积物寒带、高寒地区常态山干谷、浅洼地尖溶痕石灰岩角砾、流水钙华雪山或现代冰川下可发育大’型洞穴少量涡穴贝窝、边槽次生化学沉积物较少冰川纹泥、崩塌堆积，少量寒冷区生物堆积温带丘陵地丘陵洼地碟型洼地溶盆尖溶痕，土下溶痕溶盆流水钙华、少量洞外钟乳石、有的地区有石灰岩角砾常见大型洞穴系统、形态取决于水动力条件常有涡穴、贝窝、边槽悬吊岩等较多次生化学沉积物，常有崩塌堆积，冲积层。温带生物堆积热带、亚热带峰林地形多边形洼地，溶盆石林尖溶痕，土下溶痕溶盆红壤土、大量洞外钟乳石常见大型洞穴系统、形态取决于水动力条件较多的小型溶蚀形态大量次生化学沉积物，崩塌堆积，冲积层，热带、亚热带生物堆积5.5.4岩溶与岩溶塌陷机理岩溶塌陷一般系为岩溶地区土层中的塌陷、岩溶基岩中的塌陷和上覆土层同下伏基岩一起坍塌的塌陷的统称。在覆盖型岩溶地区，由于土层中土洞的发展，导致地面陷落而产生地表变形和破坏所形成的负地形，称为岩溶塌陷。岩溶塌陷虽有突发性，但其前身的土洞，是在某些因素作用下，多数是长期发育而形成的。因而，对土洞的调查、勘探、治理和预报是岩溶塌陷区重要的岩土工程工作之一。覆盖型岩溶地区的岩溶塌陷是由覆盖层中的土洞发展而发生的，其演化过程如见图5.1所示。自然的因素是长期地和经常地通过影响地下水的水质、水量、水力来溶蚀可溶岩、潜蚀土层而孕育、发展土洞的；人为的因素则通过这些作用加速土洞的发展，加强塌陷的规模，加剧塌陷的危害。岩溶塌陷的形成的基本条件为以下三方面：1．基岩的岩溶发育程度岩溶塌陷处下伏基岩的岩溶发育程度是强烈的，而岩溶发育程度弱的地段则塌陷少见。岩溶塌陷主要是与浅部岩溶发育程度密切相关。浅部岩溶是指基岩表面的溶芽和溶沟槽部分，和低基岩面以下约10m范围内的洞穴或溶隙发育段。可用钻探、物探等方法测量。基岩面的起伏程度，可用单位面积的溶沟槽数量、基岩面埋深的均方差来表征。图6.1.4.1岩溶塌陷框图影响因素基本条件自然的（气候、水文、动植物活动）人为的（抽排水、蓄引水、渗污）地下水的活动土洞（潜蚀）一定厚度的土层（溶蚀）强发育的地下岩溶重力（去土、加载、减托）吸蚀，冲爆，振动地表塌陷2．土层的性质土层是土洞形成和塌陷发生的物质基础。土层的成因类型、矿物成分、岩性、颗粒成分、结构构造、物理力学性质、水理性质、状态、厚度等，影响着土洞的形成和发展的快慢，土层的厚度，还控制或影响塌陷的形态与规模。3．地下水的活动特征地下水的活动是土洞的形成、发展，以致破坏的最活跃的因素。特别是水位在基岩上下波动的幅度和频度，对崩解和搬运土粒和流土。的速度有重要作用。地下水的活动还改变土的含水量、塑性状态或因湿胀干缩而出现裂隙等。5.5.5岩溶地区勘察评价方法1．勘察工作要点各阶段岩溶地区建筑岩土工程勘察要求与方法见下表。勘察阶段勘察要求勘察方法和工作量可行性研究应查明岩溶洞隙、土洞的发育条件，并对其危害程度和发展趋势作出判断，对场地的稳定性和建筑适宜性做出初步评价宜采用工程地质测绘及综合物探方法。发现有异常地段，应选择代表性部位布置钻孔进行验证核实并在初划的岩溶分区及规模较大的地下洞隙地段适，当增加勘探孔。控制孔应穿过表层岩溶发育带，但深度不宜超过30m初步勘察应查明岩溶洞隙及其伴生土洞、地表塌陷的分布发育程度和发育规律，并按场地的稳定性和建筑适宜性进行分区接下表详细勘察应查明建筑物范围或对建筑有影响地段的各种岩溶洞隙及土洞的形态、位置、规模、埋深、围岩和岩溶堆填物性状，地下水埋藏特征；评价地基的稳定性在岩溶发育区的下列部位应查明土洞和土洞群的位置：1．土层较薄、土中裂隙及其下岩体岩溶发育部位2．岩面张开裂隙发育，石芽或外露的岩体交接部位3．两组构造裂隙交汇或宽大裂隙带4．隐伏溶沟、溶槽、漏斗等，其上有软弱土分布负岩面地段5、降水漏斗中心部位。当岩溶导水性相当均匀时，宜选择漏斗中地下水流向的上游部位；当岩溶水呈集中渗流时，宜选择地下水流向的下游部位6．地垫低洼和地面水体近旁宜按建筑物轴线布置物探线，并宜采用多种方法判定异常地段及其性质。对基础下和邻近地段的物探异常点或基础顶面荷载大于2000kN的独立基础，均应布置验证性钻孔。当发现有危及工程安全的洞体时，应采取加密钻孔或物探等措施。必要时可采取顶板及洞内堆填物的岩土试样，其勘探应符合下列规定：1．当基底下土层厚度不足时，应将勘探孔全部或部分钻人基岩。当在预定深度内遇见洞体时，应将部分勘探孔钻人洞底以下；当遇中等风化基岩时，其深度不应小于洞底以下2m2．当需查明浅埋岩溶的岩组分界、断裂及岩溶土洞的形态或验证其他勘探手段的成果时，应采取岩土试样或进行原位测试，并应布置适量的探槽或探井3．在土洞发育地段，应沿基础轴线或在每个单独基础位置上以较大密度布置静力触探或小口径钎探，查明土洞、地表塌陷的分布接下表施工勘察应针对某一地段或尚待查明的专门事项进行补充勘察和评价。当基础采用大直径嵌岩桩或墩基时，尚应进行专门的桩基勘察。应根据岩溶地基处理设计和施工要求布置。在土洞、地表塌陷地段，可在已开挖的基槽内布置触探和钎探。对大直径嵌岩桩或墩基，勘探点应按桩或墩布置，勘探深度应为其底面以下桩径的3倍并不小于5m，当相邻桩底的基岩面起伏较大时应适当加深。对重要或荷载较大的工程，庳在墩底加设小口径钻孔，并应进行检测工作2．测试和观测要求(1)当追索隐伏洞隙的联系时，可进行连通试验；(2)评价洞隙稳定时，可采用洞体顶板岩样及充填物土样作物理、力学试验。必要时可进行现场顶板岩体的载荷试验；(3)顶板为易风化或软弱岩石时，可进行抗风化试验；(4)当需查明土的性状与土洞形成的关系时，可进行湿化、胀缩、可溶性及剪切试验；(5)查明地下水动力条件和潜蚀作用，地表水与地下水的联系，对预测土洞、地表塌陷的发生和发展时，可进行水位、流速、流向及水质的长期观测。3.岩土工程评价岩溶评价可分为建筑区场地稳定性评价与地基范围内个体岩溶形态评价两部分，建筑区场地稳定性评价即在较大范围内，按岩溶发育强度在乎面上区划出对建筑稳定性不同影响的分区，作为场地选择、建筑总平面布置的依据。而对地基稳定分析所及深度内，单个岩溶形态(主要指洞隙空间)的稳定评价可分为定性和半定量两种方法，当前使用较广的仍然是以定性的方法为主。(1)场地宏观评价在岩溶场地宏观分区评价时，可参照岩溶的基本特征与规律，考虑下列各点：1)场地上主要建筑物的位置尽量避开岩溶发育强烈地段，宜选择在非(弱厂可溶岩分布的地段上。2)从岩溶对建筑稳定性和适宜性出发，在总平面布局上，使各类安全等级建筑物的布置与岩溶发育程度分区相适应。3)当地形条件受限或生产工艺流程必须在稳定性条件较差的地段布置建筑物时，宜使建筑长轴方向与岩溶发育带方向垂直或斜交，以减少工程处理工作面。4)场地地坪设计标高的确定，有条件时宜使建筑物基底与某一水平岩溶洞隙带之间保持一定距离，或使其能在土石方施工时被开挖揭露。5)避开岩溶水位高又是集中流动的地带，避免基础及地下构筑物拦堵地下水的正常流泄，尤其是场地为狭长的沟谷和近似封闭的洼地时，更要充分估计水的季节性动态变化的不良影响。以上原则对岩溶塌陷（土洞）发育区同样适用。(2)岩溶地基的定性评价定性评价是一种经验的比拟方法，简便易行，但在使用中又具有明显的随意性，评价结果往往是因人(经验水平)而异，但若能据影响稳定评价的各项因素进行充分地综合分析，并能在勘察与工程实践中不断验证修订，仍可得出中肯的正确结论。定性评价可参照下列方法进行：1)根据洞隙的各项边界条件，对比下表所列影响洞体稳定谱因素综合分析，做出评价。2)按被评价洞隙的条件，与当地相同条件的已有成功与失败工程实例进行比拟评价。在已有的工程中，曾见到一些基底下埋藏有各类形态和尺寸洞隙的建筑物，它们大多未经处理至今完好无恙。许多实例说明，岩体中虽有洞隙存在，但仍可将其作为天然地基或稍加处理。3)据已有调查实例的归纳及工程实践的经验总