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1、基础工程地质学 工程动力地质作用 上篇 基础工程地质学 绪论第一章活断层工程地质研究第二章地震工程地质研究第三章斜坡变形破坏工程地质研究第四章岩溶工程地质研究第五章泥石流工程地质研究 基础工程地质学 第四章岩溶工程地质研究第1节概述第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理第3节岩溶发育影响因素第4节岩溶地表塌陷研究第5节岩溶地基稳定性问题 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第1节概述 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第1节概述引入 岩溶问题可以说是各类工程动力地质问题中最复杂 最难的 岩溶广泛分布 问题无法回避 问题的特殊性 岩溶空间分布不均 地下岩溶发育 影响因素多变 对于工程而言是个隐函数 主
2、要工程地质问题 房屋建筑 岩溶地表塌陷地下工程 岩溶突涌水水利工程 岩溶渗漏 解决思路 第一步 据岩溶形成条件 影响因素找规律 第二步 分析岩溶与工程的相互关系 第三步 针对问题特殊性 得出解决方案 关键 预测准确 对策切实可行 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第1节概述 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第1节概述岩溶 岩溶作用及其产生的地貌现象和水文地质现象 又称喀斯特 岩溶作用 地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用 岩溶发育区特征 形成各种岩溶地貌 冲沟少 地表水系不发育 岩体透水性增大 地下水空间分布不均 变化大 流态复杂 地表水 地下水分水岭不一致 岩溶分布 碳酸盐岩
3、占国土总面积的1 5 地表约1 7 其中 贵州 51 广西 33 湖南 湖北 云南 20 强 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第1节概述岩溶形成基本条件 具有可溶性的岩石 具有溶蚀能力的水 具有良好的水循环交替条件 水循环交替条件是其中最活跃的因素 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理岩溶作用机理复杂 包括 地表 地下水溶蚀 地表水侵蚀 地下水机械潜蚀 冲蚀 地下洞穴高压水气冲爆 其中以溶蚀作用为主 为始端 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理一 碳酸盐岩溶蚀过程 CaCO3水解 Ca2 CO32 CO2溶于水 即 H2O CO2
4、H2CO3 H HCO3 前两步结合 CO32 H HCO3 由于CO32 减少 反应朝正方向发展 即 CaCO3 H2O CO2 Ca2 2HCO3 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理二 系统中二氧化碳来源 问题 CaCO3为难溶盐 岩溶为何强烈发育 混合溶液 无机酸成分 侵蚀性CO2的存在 大气中CO2含量较低 土壤中CO2含量较高 因土壤中微生物化学作用很强 有机物分解各种有机酸并产生大量CO2 降雨 地表水经土壤进入岩体 将大气和土壤中的CO2带入 侵蚀性二氧化碳 系统 Ca2 CO32 HCO3 CO2 H2CO3 平衡 化学反应不朝某方向进行 CO2加
5、入将打破平衡 使CaCO3再溶解 超出系统平衡所需的那部分CO2称之 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理三 混合溶蚀效应及其他 1 混合溶蚀效应 不同化学成分 不同温度 的溶液 两种以上饱和或非饱和溶液 混合 对CaCO3的溶蚀性有所增强 有利于混合溶蚀作用的部位 垂直与水平径流交汇处 各成分水汇合处 强径流带 裂隙交汇带 地下水排泄区 地下水与地表水混合处 河岸带 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第2节碳酸盐岩溶蚀作用机理2 离子效应 酸效应 混合溶液中含各种有机酸 即H 加入促进CaCO3溶蚀量增加 盐效应 加入不同化学成分的溶液 其中强电解质溶液与Ca
6、2 和CO32 结合 使溶蚀增加 同离子效应 当与CaCO3成份相同的离子加入时 起到抑制溶蚀的作用 溶液中Ca2 和CO32 增加 导致析出CaCO3 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第3节岩溶发育影响因素地层岩性 化学成分 结构气候条件 降水量 气温地形地貌 高差 侵蚀基准面地质结构 岩性组合 地质构造新构造运动 升 降 平 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第3节岩溶发育影响因素一 岩性 主控基本条件 1 岩石化学成分 灰岩越纯 岩溶越发育 比溶蚀度Kv表溶蚀强度 比溶解度Kcv表溶蚀速度 比溶蚀度Kv 试样溶蚀量 标准试样溶蚀量比溶解度Kcv 试样溶解速度 标准试样溶解速度
7、按比溶蚀度Kv和比溶解度Kcv排序 灰岩 云灰岩 泥灰岩 方解石 大理石 泥质灰 灰云 泥质灰云 白云 泥质白云 规律 方解石含量高于白云石 岩溶发育 酸不溶物含量高 岩溶不发育 含黄铁矿 石膏成分 有利于岩溶发育 含有机质 沥青 不利于岩溶发育 图示 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第3节岩溶发育影响因素2 岩石结构 问题 环境 岩性相同的岩石 其岩溶发育程度有很大差异 岩石的结构制约了岩溶发育强度 按溶蚀性指标排序 泥晶 粒屑 亮晶 灰岩类 泥晶 细晶 中晶 粗巨晶 白云岩类 原因 岩石的孔隙度高 比溶蚀度 比溶解度值高 岩溶相应发育 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第3节岩溶
8、发育影响因素二 气候 主控基本条件 1 降水量 决定水量 水的性质 补给丰缺 化学成分 间接影响岩溶类型 发育规模 速度 水量 补给好 循环强烈 则岩溶发育 水质 进入系统的CO2及各种酸越多 岩溶越发育 2 气温 气温高 化学反应速度快 岩溶相应发育 温度高 生物代谢快 产生CO2增多 岩溶发育速度增 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第3节岩溶发育影响因素三 地形地貌 主控基本条件 1 地形 高差大 渗径短 径流强 交替条件好 岩溶发育强 2 地貌 区域侵蚀基准面和排泄基准面取决于地貌形态 控制地下水的运动趋势和方向 进而控制岩溶发育程度 一般河谷两岸发育最强 谷坡段较弱 分水岭较强
9、基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第3节岩溶发育影响因素四 地质构造 主控基本条件 1 岩性组合 按易溶程度排序 厚而纯 可溶岩夹非可溶岩 互层 非可溶岩夹可溶岩 2 地质构造 断裂 提供地下水运移通道 水循环条件好则岩溶发育强烈 不同方向断裂交汇 混合溶蚀作用加强 褶皱 轴部岩性破碎 岩溶发育 宽缓褶皱较紧闭型岩溶发育 其展布方向常控制岩溶的空间分布 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第3节岩溶发育影响因素五 新构造运动 主控基本条件 主要考虑地壳升降及稳定期 1 相对稳定 有充分的条件循环交替 溶蚀 垂向 水平岩溶均发育 规模较大 稳定期越长岩溶越发育 2 地壳上升 河谷深切 排泄
10、条件好 垂直岩溶发育 侧蚀弱 3 地壳下降 循环弱 岩溶发育也弱 一般间歇性升降 升平 升平可形成多层水平溶洞 据以判断地壳相对运动期次 制约岩溶发育 类型 规模 速度 分布 发展趋势 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第4节岩溶地表塌陷研究岩溶地表塌陷 覆盖型岩溶 当地基主要受力层范围内有溶洞暗河 土洞等时 上部荷载或抽排地下水引起洞顶坍塌 岩溶地表塌陷现状 全球广泛分布岩溶塌陷是全球性地质灾害 据统计 已有中国 美国 南非 法国 英国 德国 俄罗斯 波兰 捷克 南斯拉夫 比利时 土耳其 加拿大 意大利及以色列等17国发生过严重岩溶地面塌陷 我国有24个省 市 自治区 300多个市县共发
11、生过岩溶塌陷1400例以上 塌陷坑总数超过4万个 其中以桂 黔 湘 赣 川 滇 鄂等省区最为严重 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第4节岩溶地表塌陷研究岩溶塌陷分布特征 人类活动强烈地区有包括武汉 深圳 唐山 杭州 桂林等在内的30多个大中城市 420个县市处于塌陷高风险区 岩溶塌陷主要诱发因素 人类活动在已有岩溶塌陷灾害中 约70 为人类活动所诱发 过量开采地下水 是产生岩溶塌陷的主要原因 其它如拦蓄地表水 基础工程 铁路公路施工以及爆破作业等 也会诱发岩溶塌陷 抽汲岩溶水 武汉中南轧钢厂 1977年始出现成群塌陷 成坑700 800个 最大23m 深10m 武汉陆家街 1988年 塌
12、陷影响城市交通 水电 厂矿 居民 停课停产半个月 辽宁瓦房店抽岩溶水 塌陷4km2 成坑25个 达70m 深10m 影响长大铁路 路基破坏 轨道悬空 中断行车8小时 恢复后限速5 10km h 开采岩溶水 山东泰安1977年开始塌陷 对津浦铁路产生影响 多次中断行车 贵州水城是该省工业中心 1967年始 建地下水开采井16口 抽水强度0 643m3 S 水位降深10 42 至1990年 出现塌坑900余个 20 30 深 10 广东凡口铅锌矿疏干岩溶水 1965 1981年间产生塌坑数千个 最大40m余 深30m余 危及房屋6800m2 铁路4000m余 恩口煤矿区疏干岩溶水 成5800个塌坑
13、 毁9座水库 万亩农田 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第4节岩溶地表塌陷研究一 岩溶地表塌陷1 岩溶地表塌陷机理 地下水位变化形成动水压力 在土层中产生潜蚀 下伏溶洞提供运移空间 潜蚀形成土洞 成拱隐伏于地下 或直接塌至地表 后期水动力条件变化引起塌陷 2 土洞形成条件 下伏基岩中垂直 开口 岩溶发育 运移 上覆土层较松散有一定厚度 成拱 水动力条件变化大 动因 灾害后果 地面工程设施严重受损 使脆弱的岩溶环境更加恶化 使土地资源遭受破坏 形成机理 潜蚀 真空吸蚀 压强差 地下水气冲爆 研究内容土洞产生条件与地表塌陷机理 地表塌陷发生条件及地表塌陷分布规律 基础工程地质学第四章岩溶工程
14、地质研究 第4节岩溶地表塌陷研究3 塌陷产生条件 覆盖型岩溶区 下部岩溶发育 上部土洞已形成 二元结构 水动力条件变化大 动因 4 塌陷分布规律 岩溶发育程度覆盖层性质及厚度水文地质条件 覆盖型岩溶区 上覆土层厚度小 10m 严重塌 30m 难塌 岩溶发育强烈地带 断裂带 硫化矿带 抽排地下水降落漏斗中心附近 地下水主要径流方向 地下水排泄区 地下水位随河水位变化 地形低洼处 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第4节岩溶地表塌陷研究二 塌陷预测与防治 1 塌陷预测 内容 塌陷地点 时间 强度 可能的后果 方法 方法据发生条件及分布特征确定可能的范围 判定强度 据水动力条件及其变化预测发生时
15、间 定性 运用数学方法预测 模糊评判 定量 建立塌陷与水位降深的关系 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第4节岩溶地表塌陷研究1 塌陷预测 步骤查明场地条件 岩溶发育规律 进行岩溶发育程度及地下水条件分区 据已有塌陷分布特征确定综合预测指标 考虑影响因素及发展趋势进行塌陷分区 编制分区预测图 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第4节岩溶地表塌陷研究2 塌陷防治 预防 找出致塌动因 水位动态 降雨 人工抽排 动静荷载 列车振动 建筑荷载 消除或合理控制 供排水方案设计 浅层停抽 改用深层水 禁止强抽强排 使水位缓慢变化 建筑物位置选择 治理 回填 强夯加固 跨越 深基础 基础工程地质学第
16、四章岩溶工程地质研究 第5节岩溶地基稳定性问题一 岩溶地基稳定性问题1 地基承载力不足 覆盖型岩溶 盖层松软 强度低 荷载过大时引起剪切破坏 2 地基不均匀下沉 覆盖型岩溶 下浮石芽 落水洞 漏斗 造成基岩面起伏 导致不均匀下沉 3 岩溶地表塌陷 覆盖型岩溶 当地基主要受力层范围内有溶洞暗河 土洞等时 上部荷载或抽排地下水引起洞顶坍塌 4 地基滑移 裸露型岩溶 当基础靠近落水洞 漏斗 垂直岩溶时 基础向临空面滑移 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第5节岩溶地基稳定性问题二 定性评价1 评价内容岩溶发育及分布规律 个体岩溶形态 大小 形状 顶板厚 岩性 充填情况 地下水条件 上覆土层岩性及厚度 土洞发育情况 地表建筑荷载特点 荷载大小 加荷速率 地质环境变化特点 水位变动 抽排强度 其它 动荷 降雨强度等 基础工程地质学第四章岩溶工程地质研究 第5节岩溶场地稳定性评价2 初评 下部基岩起伏 上覆软土 考虑地基不均匀沉降 基础附近有落水洞 考虑向临空面滑移 洞径 基宽 顶板厚压缩层 无土洞 水位变化小 可不考虑下伏溶洞影响 盖层洞跨 顶板 洞跨 岩体完整 承载力强 可不考虑下伏洞体稳
