岩溶与岩溶塌陷(土洞)(王兰生).ppt

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CaCO3H2OCO2CaHCO32,,,,,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,不同气候环境下的岩溶形态组合标志,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。,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。,,接下表,,接下表,,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结，岩溶洞隙稳定性评价还可作如下考虑。①对于非重大或安全等级属二、三类的建筑物,当属下列条件之一者,可考虑岩溶对地基稳定性的影响；a．基础置于微风化硬质岩石上，延伸虽长但宽度小如1～2m内的竖向溶蚀裂隙和落水洞的近旁地段；b．基底以下的土层厚度较大，如独立基础大于3倍基宽，条基大于6倍基宽且场地不具形成土洞的条件；,,c．虽基底与洞体顶板间土层厚度小于②所列，但岩溶条件符合下列条件之一时也可不考虑a洞体被密实沉积物填实，且无被水冲蚀的可能；b洞径或溶隙宽度较小，基础底面积大于其平面投影尺寸，并有足够支承长度；c微风化硬质岩石中，洞顶板厚度接近或大于洞跨。②当遇下列情况之一时，未经进一步论证分析或妥善处理，不宜作为建筑物天然地基a.岩溶水通道堵塞或涌水，有可能造成场地暂时性淹没；b.高浓度酸性生产废水流经岩溶通道的地段；c．凡以上定性评价或经岩土工程勘察鉴定属不稳定或处于临界状态的岩溶洞隙。当自然或洞体条件难于直接做出评价时，其稳定性可借助半定量的一些方法进行评价。,3岩溶地基的半定量评价当前虽有一些对洞体稳定评价的定量方法，但是，洞体受力状况、围岩应力场的演变十分复杂，要确定洞体破坏的形式和取得符合实际的岩体力学参数又很困难，兼之受到探测手段的局限，很难查清洞体与围岩的边界条件与性能指标。因此，定量方法难以在工程实践中应用，半定量的评价方法较为实用，但目前尚属摸索提高的阶段。兹介绍几种简单、大多数工程可以办到的半定量的评价方法，供试算时参考。,1荷载传递线交会法在剖面上从基础边缘按3045扩散角向下作应力传递线，当洞体位于该线所确定的应力扩散范围之外时，可认为洞体不会危及基础的稳定。由定性评价中的洞体顶板厚跨比Z／L可知，当集中荷载作用于洞体中轴线，Z／L为0．5时，应力扩散线为顶板与洞壁交点的连线，它与水平面夹角相当于混凝土的应力扩散角45；当Z／L为0．87时，相当于松散介质的应力扩散角30。2洞体顶板坍塌自行堵塞估算法洞体顶板被裂隙切割呈块状、碎块状，顶板塌落后体积松胀，当塌落向上发展到一定高度，洞体可被松胀物自行堵塞。在没有地下水搬运的情况下，可以认为洞体空间已被支撑而不再向上扩展了。设洞体空间体积为Vo，塌落体体积y松胀后不仅充填了塌落空间，还充填了Vo，此时塌落高度Z可由式5.5.5确定。,（5.5.1）即（5.5.2）式中k顶板岩石的松胀系数，对岩石取l.l～1.3，视坍落后块度定；对土取1.05～l.10设洞体顶板为中厚层灰岩，洞体截面积为F，洞高Ho，假定塌落前后洞体均为柱形，则5.5.35.5.45.5.5如高度Z以上还有外荷载，则还应加以荷载作用所需的厚度，才是洞体顶板的安全厚度。,3结构力学近似分析法①按顶板抗弯厚度验算根据洞顶板岩体的实际状况和完整性，按假定的梁或板的受力条件，验算所需的安全厚度。当洞体顶板为厚层块状，完整性较好时，可视为四周嵌固的板验算其稳定性，板的最大弯矩在长边支点的中心处，反算所需的顶板安全厚度5.5.6式中q长边每延米均布荷载；L、b洞的长、短径；,δ岩体弯曲强度，对灰岩一般取抗压强度的0，10～0．125。当洞体边界条件接近以下受力状况时，如平行洞的长轴方向裂隙发育，可视为两端固定梁验算。若还有平行短径方向裂隙，甚至已延伸至跨中，可视为简支梁或悬臂梁考虑。按δM／W反求所需的顶板厚度。W为顶板截面抵抗矩；M为不同受力状况时的弯矩值。②按顶板抗剪的安全厚度验算，由下列极限平衡条件求得顶板厚度Z”（5.5.7）式中F上部荷载传至顶板的竖向力kN；G顶板岩土自重kN；U洞体平面的周长；顶板岩体的抗剪强度，对灰岩一般取抗压强度的0.06～0.13。,4成拱分析法当顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时，可认为顶板将成拱状塌落，而其上荷载及岩体则由拱自身承担，按普氏松散介质破裂拱理论，此时破裂拱高H为（5.5.8）式中b洞体跨度m；Ho洞体高度m；洞壁岩体的内摩擦角度；f洞体围岩的坚实系数，对松散介质，ftan。破裂拱高加上部荷载作用所需的岩体厚度才是洞顶板的安全厚度。若洞的顶板呈拱形，拱角以下岩体完整稳定且无横向扩展的可能。也可近似地用石砌拱圈厚度加足够安全储备类比确定拱顶的安全厚度。,5电阻应变片测试法对已查明的浅层洞体，为验证在外荷载下洞顶板岩体的应力状态或已知裂隙面的变形情况，可在洞顶加载荷，沿纵横洞轴方向贴设电阻应变片及布置挠度量测，在加荷过程中追踪测量。根据测得的最大应力与岩体抗剪强度对比，若后者大于前者5～10倍，则认为岩溶洞体的顶板是可靠的。为了解顶板岩体中某些裂隙处是否存在应力集中及明显的变形，可在裂面上及其一侧分别贴电阻应力片量测，若二者无明显差别，则说明裂隙的存在并不影响顶板整体受力。4土洞的评价在岩溶区进行岩土工程勘察时，首先可在岩溶发育区内，划出条件适宜土洞形成的区段，作为建筑区总图布置的依据。例如可将岩溶发育区中，地下水最高水位高于基岩面的土层分布区以及其他有利于土洞发育的地段划为土洞发育区。以便工程总体布局上避开成片密集分布的土洞发育带。具备下列条件的部位都可能是有利于土洞发育的地段，对于工程来说应视为不利于建筑的地段。,1土层较薄，土中裂隙发育，地表无植被或新挖方区，地表水人渗条件好，其下基岩有通道、暗流或呈负岩面的地段；2石芽或出露的岩体与上覆土层交接处，岩体裂隙通道发育且是地面水经常集中的人渗部位；3土层下岩体中2组结构面交会，或处于宽大裂隙带上；4隐伏的深大溶沟、溶槽、漏斗等地段，邻近基岩面以上有软弱土层分布；5人工降水的降落漏斗中心；当岩溶导水性相对均匀，在漏斗中地下水流向的上游部位；当岩溶水呈集中管道流时，在漏斗中地下水流向的下游部位；6地势低洼、地面水体近旁。岩土工程评价中，可参照上述条件进行土洞分布区的预测，同时可以根据已查明的土洞平面分布密度进行发育与稳定程度的评价。如以地表塌陷的数字来划分发育带在有些著作中也可见到一些划分的推荐数值，如以每平方公里中土洞数与地表塌陷数作为土洞分布或地基稳定性的定量评价指标。,但是，这一标准不适用于条件不同地区间的比拟。由前所述，由于土洞成因，土层厚薄，水的运行条件的差异，就不能仅凭目前单位面积上已有的土洞数或塌陷数认定其对工程的危害程度。对于土洞单体稳定性评价的问题，曾有按人工洞室评价的方法去评价土洞的稳定。事实上，在自然条件下形成的土洞与土体中的人工洞穴不同，前者是在自然条件下发生和发展，其埋藏深度一般较浅，分布密集，突发性强，有时虽可以处于暂时稳定，但一旦条件具备，便可继续发展。以目前的勘探手段尚难查明单个土洞的几何要素，而且，钻探、钎探、触探穿过土洞顶板，就可成为地表水下渗的通道，促使土洞丧失稳定而继续发展。后者是深埋于土体的人工空间，断面尺寸可以随土质而定，顶部可凿成拱形，必要时可加以衬砌，两者情况迥然不同。因此在工程实践中，对已查明的土洞无不进行工程处理，迄今尚未见某个土洞经稳定计算，未经处理其上建筑物使用完好的先例。5.5.6岩溶地基处理方法1．岩溶地基处理的一般原则1重要建筑物宜避开岩溶强烈发育区；2当地基含石膏、岩盐等易溶岩时，应考虑溶蚀继续作用的不利影响；,3不稳定的岩溶洞隙应以地基处理为主，并可根据其形态、大小及埋深，采用清爆换填、浅层楔状填塞、洞底支撑、梁板跨越、调整柱距等方法处理；4岩溶水的处理宜采取疏导的原则；5在未经有效处理的隐伏土洞或地表塌陷影响范围内不应作天然地基。对土洞和塌陷宜采用地表截流、防渗堵漏、挖填灌填岩溶通道、通气降压等方法进行处理，同时采用梁板跨越。对重要建筑物应采用桩基或墩基；6应采取防止地下水排泄通道堵截造成动水压力对基坑底板、地坪及道路等不良影响以及泄水、涌水对环境的污染的措施；7当采用桩墩基时，宜优先采用大直径墩基或嵌岩桩，并应符合下列要求1桩墩以下相当桩墩径的3倍范围内，无倾斜或水平状岩溶洞隙的浅层洞隙，可按冲剪条件验算顶板稳定；2桩墩底应力扩散范围内，无临空面或倾向临空面的不利角度的裂隙面可按滑移条件验算其稳定；3应清除桩墩底面不稳定石芽及其间的充填物。嵌岩深度应确保桩墩的稳定及其底部与岩体的良好接触。,2．岩溶的处理1地基不均性的处理参见地基处理有关部分的叙述。2洞隙塌滑不稳定的处理1结构措施关于总平面布置及竖向设计等方面的建筑措施，可参照“场地宏观评价”的有关内容。在结构措施中，应选用有利于与上部结构共同工作，并可适应小范围塌落变位、整体性好的基础形式，如配筋的十字交叉条基筏基、箱基等，同时采取必要的结构加强措施，如砖石结构加强圈梁设置、单层厂房基础梁与柱连成整体，并加强柱间支撑系统等。当洞隙深大，而两侧有可靠岩体时，可采用跨越结构，根据荷载及跨度，可选用调整柱距，有足够支承的梁、板、拱及悬挑等方式。,2地基基础措施①当条件允许时，尽量采用浅基，充分利用上覆性能较好的土层为持力层或使基底与洞体间保留相当厚度的完好岩体。②当以岩石作持力层时，局部加深基础，通过钻孔灌注桩或墩穿过单个洞体，使基础荷载传递到下部完好的岩体上③对已外露的浅埋洞隙，可采用挖填置换，清理洞隙后以碎石或混凝土回填。当洞体深度较大，而两侧岩体完好，可挖填至一定深度，回填体断面呈倒梯形，对有地下水活动的洞体，应回填反滤层并留有水流排泄之通道。④当顶板薄、跨度大时，可在洞底设置附加支撑以减少洞跨，也可加固洞顶，用浆砌块石嵌补洞顶岩体及洞隙边坡。⑤当洞体开口较小，开挖清理困难时，可用灌浆填塞，灌填材料视要求而定，可选用砂石砂浆或混凝土，也可用小压力灌浆法加固基底下一定厚度的溶隙及破碎岩体。3水的整治对水的处理应贯彻宜疏勿堵的原则，对地表水做好有组织的排水，对地下水以疏导为主，即使堵也应留有出路，设置反滤层以减少淘蚀。,3．岩溶塌陷（土洞）地表塌陷的处理1地表水形成的土洞它的形成和发展往往与人类活动有关，如排水不畅，水流集中下渗所致。应认真做好地面水截留、防渗、补渗，杜绝水流人建筑区。对已形成之土洞，可采用挖填配合梁板跨越处理。2地下水形成的土洞1浅埋土洞洞体浅，其底部往往有松软土，当地下水位高时，其厚度可能较大。全部清除困难时，可在余土上抛石夯实，其上做反滤层。由于残留土的变形及地下水的活动，处理后常可再发生，故而其上还得做梁板，据广西地区经验，每边支承长度不小于1.0～1．5m。2深埋土洞清除填土困难较大，广西地区的经验可采用钻孔灌砂或压力灌注细石混凝土与梁板跨越联合处理。贵州有些工程，在岩面上用爆破桩头以堵塞土洞与岩溶的通道，其上回填砂或粘土。,3人工降水形成的岩溶塌陷（土洞）由人工降水形成的土洞与塌陷，可在极短时间内成群出现，工程措施原则应是观测和预防。一旦发生即使处理了，由于并未停止水动力条件的改变，仍可再生。如何确定塌陷区的位置以确定建筑安全距离，目前尚研究得不够，有些仅对场地选择，取排水点位置及取水方案提出一些防治意见。①选择在地势较高的地段及地下水静动水位均低于基岩面的地段进行建筑。②场地应与取排水点中心有一定距离。塌陷范围小于抽水井的降落漏斗，据已有资料，大面积降水时，塌陷范围约在降落漏斗中心的0.3～0.7直径范围之内③合理控制取排水工程的水位降深值，据某工程资料，塌陷区边缘地下水降深值大于2.0m，塌陷范围l与水位降深S和渗透系数K之乘积有较好的相关关系。④塌陷区内不宜把土层作为基础持力层，一般多采用柱墩基。广东某工程采用钢桁架代替排架，金属挂板代替围护墙，尽量减轻结构自重，并能承受20m范围的塌陷变形。,贵州构建厂抽水塌陷1993.5.2据岩溶所）,广西玉林莲塘塌陷,广西合山电厂灰场塌陷1999年5月6日,贵州六盘水塌陷1992年,桂林体育场塌陷1996年,贵昆线铁路岩溶塌陷1985年,奉节宝塔坪塌陷1997.5.30,武汉洪山区青菱乡塌陷2000.4.06,岩溶塌陷形成演化过程示意图,