复杂岩溶地区溶洞与土洞发育机制及其危险性分析

复杂岩溶地区溶洞与土洞发育机制及其危险性分析

石学录1，2徐明江1，2宋兵1，2

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摘要：岩溶区的溶洞、土洞及其产生的塌陷越来越受到人们的关注。目前对它们的研究多集中在岩溶塌陷的发育机制及预防等方面，且定性评价多于定量评价，在岩溶地基处理方面的理论研究还不够成熟和完善。对溶洞与土洞进行明确的区分，同时了解土洞与溶洞在发育机制上的不同，可以因地制宜，针对不同的区域选取不同的处理方法，可以大大的增加桩基础与基础性工程的安全性。

关键词：溶洞；土洞；发育机制

Abstract：Thecaves，soilcavesandtheircollapsesinkarstareashaveattractedmoreandmoreattention.Atpresent，mostoftheirresearchfocusesonthedevelopmentmechanismandpreventionofkarstcollapse，andqualitativeevaluationismorethanquantitativeevaluation.Thetheoreticalresearchonkarstgroundtreatmentisnotmatureenoughandperfect.Acleardistinctionbetweencavesandsoilcaves，aswellasunderstandingthedifferencesinthedevelopmentmechanismbetweensoilcavesandcaves，canbeadaptedtolocalconditions，anddifferenttreatmentmethodsfordifferentregionscangreatlyincreasethesafetyofpilefoundationsandbasicengineering.

Keywords：cave；soilcave；developmentmechanism

引言

岩溶，又称喀斯特地貌，是指可溶性岩石（碳酸盐岩、硫酸盐岩和卤化物岩等）在地质力（地表水、地下水等）的长期作用下形成的特殊地貌形态和水文地质现象的总称。我国是碳酸盐岩溶为主的国家，是世界上岩溶发育最广泛的国家之一，总面积达346万km2，占国土面积1/3，以桂、黔和滇东部地区分布最广[1]。在岩溶发育的地区进行工程建设时，浅部土层层位与性状变化大，采用浅基础难以满足承载力和变形的要求，工程中多选择用冲、钻孔灌注桩。溶洞发育的大小相差悬殊，形状千变万化，断面形态极不规则，给岩溶地区的桩基设计和施工带来了很大的困难。在未探明桩位溶洞发育的情况下很难对桩基的承载力做准确的设计，同时施工时易发生漏浆，若处理不当，将引起坍孔、地面沉降、埋钻甚至桩孔报废等严重事故[2]。

1、溶洞与土洞发育机制

对溶洞与土洞进行明确的区分，同时了解土洞与溶洞在发育机制上的不同，可以因地制宜，针对不同的区域选取不同的处理方法，可以大大的增加桩基础与基础性工程的安全性。

1.1溶洞的发育机制

岩溶区溶洞的发育过程，本质上是水对碳酸盐岩的溶解作用。而碳酸盐岩被水溶解的过程，就是组成这类岩石的碳酸盐矿物如方解石、白云石等和水之间发生的化学反应。天然状态下，碳酸盐岩的溶解是一个复杂的物理化学过程，它既有物质之间的化学反应，也有物质微粒的扩散运动[2]。而碳酸钙是碳酸盐岩类的重要成份，分析碳酸钙的溶解过程，可以代表碳酸盐岩类溶解的基本情况。

此外，不同类型及不同性质的断裂、褶皱、节理等构造，其力学作用机制和岩石破碎程度不同。地质构造与溶洞发育的关系极为密切。实践表明，它不仅控制着溶洞发育的方向，而且还影响着溶洞发育的规模和大小。

1.1.1不同性质的断裂对溶洞发育的控制

断裂构造使岩层产生大量裂隙，为岩溶水活动和溶岩作用提供了极为有利的条件。野外调查和实践表明，溶岩常常沿着断裂破碎带发育，并具有以下一些特征：

1）.张性断裂带溶洞发育程度通常很强烈

因张性断裂带受拉张应力作用，破碎带的宽度一般不大，但张裂程度较大，断裂面粗糙不平，断层角砾岩的角砾棱角尖锐，大小混杂，结构疏松，裂隙率高，常为岩溶水的有利通道，故通常岩溶作用和岩溶化程度最为强烈。沿断裂带发育的溶洞比较多，规模也比较大。

2）.压性断裂带的岩溶一般不发育

压性断裂带受强裂的挤压应力作用，其宽度一般较大，特别是区域性的大断裂，破碎带的宽度有时可达数百米至一公里以上。压性断裂带多为碎裂岩、超碎裂岩和断层泥所组成，一般呈致密胶结状态，孔隙率低，不利于岩溶水的流通，相对于其它类型的断层而言，其岩溶作用最弱，岩溶溶洞发育程度也最轻微。值得注意的是，有时在压性断裂带的上盘（或下盘）也可能出现强烈的岩溶溶洞发育现象[1][2]。

3）.扭性断裂带岩溶作用的深度一般较大

由于扭性断裂带受剪应力作用，既有岩石的细粒化，也存在次一级的构造裂隙。断裂面多陡倾或近直立，延伸较深较远，有利于岩溶水向纵深方向活动故岩溶作用及溶洞发育的深度一般较大。

4）.构造节理与层间裂隙的交接处岩溶作用强烈

层间裂隙主要是在构造作用下，由于岩层层面之间的相对位移而产生的裂隙。当向斜轴部岩层总厚度为冀部岩层总厚度的数倍时，此种增厚在脆性岩层中常表现为层间裂隙的扩大，这就为溶洞的发育提供了良好的条件。实践表明，很多溶洞现象是沿节理及层面裂隙发育的。

1.1.2地壳运动对岩溶发育的影响

现代地壳运动的表现之一是间歇性升降运动，相应地引起侵蚀基准面的变化。当岩溶地区上升时，基准面相对下降，地下水随着向下溶蚀，岩溶水垂直循环带变厚，发育垂直的岩溶形态。在地壳活动相对稳定时期，岩溶水向当地主要基准面排泄，水平运动强烈，长期稳定在一定高程内，形成较大的水平溶洞。地壳的间隙性上升，造成侵蚀基准面的改变，岩溶水适应其变化，形成了溶洞成层发育现象。侵蚀基准面的改变促使河流阶地的发育，因此阶地与成层分布的溶洞往往对应发育，每一层溶洞的高度与某一级阶地的高度相当。

1.2土洞的发育机制

土洞是岩溶区常见的一种岩溶作用产物，它的形成和发育与土层的性质、水的活动、岩溶的发育等因素有关。其中地下水或地表水的活动是土洞发育最重要最直接的影响因素。地下水或地表水的活动和运移，将对土层产生潜蚀作用及崩解作用而形成土洞。此外，土洞洞体形成后，其洞壁周围将产生应力集中现象，当地下水位发生变化时，将进一步改变土洞洞壁周围土体的应力状态，并有可能致使洞体周边处产生破坏，土洞进一步扩大而最终导致塌陷。

1.2.1潜蚀作用

潜蚀作用、崩解作用和真空吸蚀作用对土洞的发育均有影响。潜蚀是在地表水或地下水的渗透作用下，土体中的细颗粒在孔隙通道中移动并被携出的现象。在岩溶区的土层中，渗透水的水力梯度加大，水力流速加快，动水压力增强，且水力坡度达到某一临界值介时，土中细粒被渗流带走迁移，产生土洞甚至塌陷。

其中，为土颗粒比重；n为土体的孔隙度。

般来说，潜蚀作用多发生在粘粒含量相对较少，颗粒相对较粗的土层中，纯粘土中一般较少发生，粘土中由于含有较多的亲水矿物，在地下水的作用下较易发生崩解作用。潜蚀作用还与土颗粒的级配和颗粒大小有关，级配良好的砂、土，其空隙相对较大，较易产生潜蚀破坏，其临界水力梯度相对较低，抵抗渗透变形的能力较弱：配级不良的砂、土，粗颗粒空隙常被细颗粒充填，其空隙相对较小，较难发生潜蚀；而粘性土，由于其孔隙通道细小，粒间具有一定的粘结力，较不易产生单个颗粒的潜蚀作用，但在粗、细颗粒交界处，则容易产生接触冲刷或接触流土而形成土洞。例如在桂林漓江两岸，广泛地存在粘性土、粉土、砂等二元或多元结构，当地下水位变化时，渗透水流垂直于层面运动，将细颗粒带入粗粒层中而产生接触流土，并最终发育成土洞乃至塌陷[1]。

1.2.2崩解作用

粘性土由于浸水而发生崩解散体的现象叫崩解，崩解是由于土体没入水中后，水进入孔隙或裂隙中的情况不平衡，因而引起粒间扩散层增厚的速度也不平衡，以致粒间斥力超过引力的情况也不平衡，故产生了应力集中，使土体沿着斥力超过引力最大的面崩落下来。土体的成分、结构是影响崩解性的主要因素。

地下水位升降是土层崩解乃至塌陷最活跃的因素，地下水位变化愈频，土体崩解崩解愈快。根据不同水位变幅的崩解试验，土层的崩解率总体上随着水位的变幅的增大而增大，而水流速度的改变对土层崩解的影响在短期内是不大的[3]。

2、溶洞与土洞对地基稳定性及其承载力的影响

岩溶区由于岩溶的作用，建（构）筑物地基中分布有对地基基础稳定性有较大影响的溶洞，有时甚至因溶洞的存在而改变基础设计方案，在利用岩石地基（含溶洞）作为地基持力层时，岩石地基的稳定性显得尤为关键和重要。在工程实践中，大部分地区的勘察设计人员评价岩溶区岩石地基一般都有当地或自己的经验和习惯处理办法。

2.1溶洞的影响

影响含溶洞岩石地基稳定性的因素很多，有岩体的物理力学性质、构造发育情况（褶皱、断裂等）、结构面特征、地下水赋存状态、溶洞的几何形态、溶洞顶板承受的荷载（工程荷载及初始应力）、人为影响因素等，它们是地基稳定性分析评价的重要依据。

2.1.1断裂构造的影响

岩溶地基失稳的主要表现形式是岩溶塌陷，岩溶塌陷是物质迁移转换的产物。物质的转移必须有一定的通道才能得以实现，可溶性基岩中的断裂、裂隙虽不能容纳过多塌落物质，但它可通过其中的水流将物质迁移它处，使土层中逐渐形成土洞，最终使上部覆盖层失稳。因此，断裂构造的力学性质、构造岩的胶结特性、裂隙发育程度、规模及其与其它构造的组合关系等，在一定程度上控制了岩溶地基的稳定性[4][5]。

断裂构造的存在，总体来说对岩溶地基稳定性不利。断裂构造的力学性质、规模、构造岩的胶结特征、裂隙发育程度及与其它构造的组合关系，在一定的程度上决定了岩溶地基的稳定性[5][6]。张性或张扭性断裂的断裂面较粗糙，裂口较宽，构造岩多为角砾岩、碎裂岩等，且多呈棱角状，粒径相差大、胶结较差、结构较松散、孔隙较大、透水性强，对岩溶地基稳定性不利，如桂林市西城区许多岩溶地基的塌陷失稳，均分布在张性或张扭性断裂带上或其附近；而压性或压扭性断裂的裂面较平直、光滑、裂口闭合、胶结较好、结构较致密、透水性差，不利于地下水活动，对地基稳定性影响较小[7]。

2.1.2褶皱构造的影响

在纵弯摺皱作用下，较易在褶皱转折端处形成空隙—虚脱现象，同时在褶皱核部易形成共扼剪节理及张节理，这些部位的空隙及裂面粗糙，胶结较差，地下水活动较频繁，对含溶洞岩石地基稳定性不利；而平缓的大型褶皱，对地基稳定性影响较小[8]。

2.2土洞的影响

土洞是指埋藏在岩溶地区可溶性岩层的上覆土层内的空洞。土洞是岩溶区土层地基中常见的一种岩溶作用产物，它产生的破坏塌陷将影响地基的稳定性土洞地基的稳定性。影响土洞地基失稳的因素有许多，如地下水、地表水、地震和振动、重力和人工加载等，其中地下水和地表水是最关键最重要的因素[1][6][9]

3、溶洞与土洞的地基处理

岩溶区存在溶洞和土洞或岩溶塌陷，将严重影响建筑地基的稳定性，降低地基的承载能力，及加大地基的沉降变形。若对存在的溶洞、土洞或岩溶塌陷进行地基处理，可避免其对建筑地基的所造成的不利影响[6]。

3.1溶洞与土洞的地基处理原则

对地基稳定性有影响的岩溶洞隙，应根据其位置、大小、埋深、围岩稳定因地制宜采取下列处理措施[10]。

3.2溶洞与土洞的地基处理方法

3.2.1溶洞的地基处理方法

对洞口较小的洞隙，宜采用镶补、嵌塞与跨盖等方法处理；对洞口较大的洞隙，宜采用梁、板和拱等结构跨越。跨越结构应有可靠的支承面。梁式结构在岩石上的支承长度应大于梁高1.5倍，也可采用浆砌块石等堵塞措施；对于围岩不稳定、风化裂隙破碎的岩体，可采用灌浆加固和清爆填塞等措施；对规模较大的洞隙，可采用洞底支撑或调整柱距等方法处理[11][12]。

3.2.2土洞的地基处理方法

土洞一般埋藏浅，发育快，顶部强度低，发展到一定程度就会塌陷，对建筑物威胁较大，特别是对高层建筑，由于基础埋置深，上部荷载大，造成的危害更大。有时建筑物施工时，由于地质勘察布孔有限而未发现土洞，但在建筑物使用后，由于改变了地下水的条件，如人工降低地下水位，就会产生新的土洞和地表塌陷。土洞对建筑物的影响有时比溶洞还要大，因此在岩溶地段进行建设时，应查清土洞的分布、形状、深度，以及它们的发育程度，可采用钎探的方法[1][4][9]。

4、总结与展望

岩溶区溶洞的发育必须具备有可溶性岩石、岩石中的通道、流动的水及水具侵蚀性。质纯层厚的石灰岩中较易发育溶洞。地质构造（皱褶、断裂）的性质、规模对溶洞的发育起着重要的控制作用。张性构造部位有利于溶洞发育，而压性构造部位则不利于溶洞的发育。

因此，根据区域性正确的区分溶洞与土洞，选取合适有效的处理方法，对桩基础的稳定性，基础工程的安全性都至关重要。

参考文献

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[2].刘春生，石振明，刘鎏，等.复杂岩溶地区桩位岩溶探测方法研究综述[C]//全国工程物探与岩土工程测试学术大会.2017.

[3].谢富贵.岩溶地区桥梁桩基承载特性研究[D].长安大学，2007.

[4].莫运明.岩溶区溶洞及土洞对建筑物地基稳定性影响的处理方法探讨[J].企业导报，2011（11）：253-254..

[5].赵明华，张锐，胡柏学，等.岩溶区桩端下伏溶洞顶板稳定性分析研究[J].公路交通科技，2009，26（9）：13-16.

[6].吴大成.溶洞、土洞对地基的影响及其处理方法[J].云南水力发电，2016（6）..

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[8].杨士友.覆盖型岩溶地区土洞的形成条件及其工程隐患[J].低碳世界，2014（3x）：104-105.

[9].王良川.岩溶区路基下伏溶洞顶板稳定性分析及加固处理[J].矿冶工程，2015，35（5）：17-21.

[10].陈良进.地基溶洞及土洞处理的质量控制[J].河南科技，2010（12）.

[11].李道飞.岩溶地区溶洞顶板稳定性分析[J].河南科技，2013（18）：48-49.