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1、第十章 岩溶场地第一节 概 述岩溶又称喀斯特，是指水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为特征(包括水的机械侵蚀和崩塌作用以 及物质的携出、转移和再沉积)的综合地质作用，以及由此所产生的现象的统称。我国的岩溶无论是分布地域还是气候带，以及形成时代上都有相当大的跨度，使得不同地区岩溶发育 各具特征。但无论是何种类型岩溶，其共同点是：由于岩溶作用形成了地下架空结构，破坏了岩体完整性， 降低了岩体强度，增加了岩石渗透性，也使得地表面强烈地参差不齐，以及碳酸盐岩极不规则的基岩面上 发育各具特征的地表风化产物红粘土，这种由岩溶作用所形成的复杂地基常常会由于下伏溶洞顶板坍 塌、土洞发育大规模地面塌陷、岩溶地下水
2、的突袭、不均匀地基沉降等，对工程建设产生重要影响。岩溶场地可能发生的岩土工程问题有如下几个方面：(1) 地基主要受压层范围内，若有溶洞、暗河等存在，在附加荷载或振动作用下，溶洞顶板坍塌引起 地基突然陷落。(2) 地基主要受压层范围内，下部基岩面起伏较大，上部又有软弱土体分布时，引起地基不均匀下沉。(3) 覆盖型岩溶区由于地下水活动产生的土洞，逐渐发展导致地表塌陷，造成对场地和地基稳定的影 响。(4) 在岩溶岩体中开挖地下洞室时，突然发生大量涌水及洞穴泥石流灾害。从更广泛的意义上，还包 括有其特殊性的水库诱发地震、水库渗漏、矿坑突水、工程中遇到的溶洞稳定、旱涝灾害、石漠化等一系 列工程地质和环境
3、地质问题。第二节 岩溶岩土工程评价岩溶评价可分为场地评价与单体岩溶评价两部分。场地评价即在较大范围内，按岩溶发育强度划分出 不同稳定性地段，作为建筑场地选择和建筑总平面布置的依据，而对地基稳定所涉及的单体岩溶形态的分 析评价，则可分为定性和半定量两种方法。一、岩溶地基类型 由于岩溶发育，往往使可溶岩表面石芽、溶沟丛生，参差不齐；地下溶洞又破坏了岩体完整性。岩溶 水动力条件变化，又会使其上部覆盖土层产生开裂、沉陷。这些都不同程度地影响着建筑物地基的稳定。根据碳酸盐岩出露条件及其对地基稳定性的影响，可将岩溶地基划分为裸露型、覆盖型、掩埋型三种， 而最为重要的是前两种。缺少植被和土层覆盖，碳酸盐岩裸
4、露于地表或其上仅有很薄覆土。它又可分为石芽地基和溶洞地基两 种。(1) 石芽地基：由大气降水和地表水沿裸露的碳酸盐岩节理、裂隙溶蚀扩展而形成。溶沟间残存的石 芽高度一般不超过3m。如被土覆盖，称为埋藏石芽。石芽多数分布在山岭斜坡上、河流谷坡以及岩溶洼地 的边坡上。芽面极陡，芽间的溶沟、溶槽有的可深达10 余米，而且往往与下部溶洞和溶蚀裂隙相连。基 岩面起伏极大。因此，会造成地基滑动及不均匀沉陷和施工上的困难。(2) 溶洞地基：浅层溶洞顶板的稳定性问题是该类地基安全的关键。溶洞顶板的稳定性与岩石性质、 结构面的分布及其组合关系、顶板厚度、溶洞形态和大小、洞内充填情况和水文地质条件等有关。 2、覆
5、盖型碳酸盐岩之上覆盖层厚数米至数十米(一般小于30m)。这类土体可以是各种成因类型的松软土，如风 成黄土、冲洪积砂卵石类土以及我国南方岩溶地区普遍发育的残坡积红粘土。覆盖型岩溶地基存在的主要 岩土工程问题是地面塌陷，对这类地基稳定性的评价需要同时考虑上部建筑荷载与土洞的共同作用。二、岩溶地基稳定性定性评价属于经验比拟法，适用于初勘阶段选择建筑场地及一般工程的地基稳定性评价。这种方法虽简便，但 往往有一定的随意性。实际运用中应根据影响稳定性评价的各项因素进行充分地综合分析，并在勘察和工 程实践中不断总结经验。或根据当地相同条件的已有成功与失败工程实例进行比拟评价。地基稳定性定性评价的核心，是查明
6、岩溶发育和分布规律，对地基稳定有影响的个体岩溶形态特征， 如溶洞大小、形状、顶板厚度、岩性、洞内充填和地下水活动情况等，上覆土层岩性、厚度及土洞发育情 况，根据建筑物荷载特点，并结合已有经验，最终对地基稳定作出全面评价。根据岩溶地区已有的工程实 践，下列若干成熟经验可供参考：(1) 当溶沟、溶槽、石芽、漏斗、洼地等密布发育，致使基岩面参差起伏，其上又有松软土层覆盖时， 土层厚度不一，常可引起地基不均匀沉陷。(2) 当基础砌置于基岩上，其附近因岩溶发育可能存在临空面时，地基可能产生沿倾向临空面的软弱 结构面的滑动破坏。(3) 在地基主要受压层范围内，存在溶洞或暗河且平面尺寸大于基础尺寸，溶洞顶板
7、基岩厚度小于最 大洞跨，顶板岩石破碎，且洞内无充填物或有水流时，在附加荷载或振动荷载作用下，易产生坍塌，导致 地基突然下沉。(4) 当基础底板之下土层厚度大于地基压缩层厚度，并且土层中有不致形成土洞的条件时，若地下水 动力条件变化不大，水力梯度小，可以不考虑基岩内洞穴对地基稳定的影响。(5) 基础底板之下土层厚度虽小于地基压缩层计算深度，但土洞或溶洞内有充填物且较密实，又无地 下水冲刷溶蚀的可能性；或基础尺寸大于溶洞的平面尺寸，其洞顶基岩又有足够承载能力；或溶洞顶板厚 度大于溶洞的最大跨度，且顶板岩石坚硬完整。皆可以不考虑土洞或溶洞对地基稳定的影响。(6) 对于非重大或安全等级属于二、三类的建
8、筑物，属下列条件之一时，可不考虑岩溶对地基稳定性 的影响： 基础置于微风化硬质岩石上，延伸虽长但宽度小于1m的竖向溶蚀裂隙和落水洞的近旁地段； 溶洞已被充填密实，又无被水冲蚀的可能性； 洞体较小，基础尺寸大于洞的平面尺寸； 微风化硬质岩石中，洞体顶板厚度接近或大于洞跨。岩溶地基稳定性的定性评价中，对裸露或浅埋的岩溶洞隙稳定评价至关重要。根据经验，可按洞穴的 各项边界条件，对比表 91 所列影响其稳定的诸因素综合分析，作出评价。表 1 岩溶洞穴稳定性的定性评价因素对稳定有利对稳定不利岩性及层厚厚层块状、强度高的灰岩泥灰岩、白去质灰岩，薄层状有互层，岩 体软化，强度低裂隙状况无断裂，裂隙不发育或胶
9、结好有断层通过，裂隙发育，岩体被二组以上 裂隙切割。裂缝张开，岩体呈干砌状岩层产状岩层走向与洞轴正交或斜交，倾角平缓走向与洞轴平行，陡倾角洞隙形态与埋藏条 件洞体小(与基础尺寸相比)呈竖向延伸的 井状，单体分布，埋藏深，覆土厚洞径大，呈扁平状，复体相连，埋藏浅， 在基底附近顶板情况顶板岩层厚度与洞径比值大，顶板呈板状 或拱状，可见钙质沉积板岩层厚度与洞径比值小，有悬挂岩体， 被裂隙切割且未胶结充填情况为密实沉积物填满且无被水冲蚀的可能未充填或半充填，水流冲蚀 着充填物，洞底见有近期塌落物地下水无有水流或间歇性水流，流速大，有承压性三、岩溶地基稳定性半定量评价 鉴于以下两个原因，目前岩溶地基稳定
10、性的定量评价较难实现：一是受各种因素的制约，岩溶地基的 边界条件相当复杂，受到探测技术的局限，岩溶洞穴和土洞往往很难查清；二是洞穴的受力状况和围岩应 力场的演变十分复杂，要确定其变形破坏形式和取得符合实际的力学参数又很困难。因此，在工程实践中， 大多采用半定量评价方法。因目前尚属探索阶段，有待积累资料不断提高。以下分别介绍裸露型溶洞地基 和覆盖型岩溶地基的几种评价方法。1、裸露型溶洞地基实际上是评价浅部隐伏溶洞的稳定性问题。溶洞顶板稳定性与地层岩性、不连续面的空间分布及其组 合特征、顶板厚度、溶洞形态和大小、洞内充填情况、地下水运动及建筑物荷载特点有关。由于实际问题 的复杂性，目前还没有成熟可
11、靠的方法。以下介绍几种常用的粗略方法。(1) 荷载传递交汇法：在剖面上从基础边缘按30。45扩散角向下作应力传递，若溶洞位于该传递所确定的应力扩散范围以外时，即认为洞体不会危及建筑物的安全。(2) 溶洞顶板坍塌堵塞法：碳酸盐岩体浅部有隐伏溶洞发育时，溶洞顶板安全厚度可用此法确定。方法的基本原理是：溶洞顶板 岩体塌落后体积发生松胀，当塌落向上发展到一定高度后，洞体可被松胀的坍塌体自行堵塞，此时可以认 为溶洞顶板已稳定。此法的前提条件是溶洞内无地下水搬运。溶洞坍塌的高度Z计算式为：Z=H /(k-1)0式中：Hq溶洞的高度；K岩石的松胀系数，灰岩可取1.2左右。若溶洞顶板的实际厚度大于Z值， 则是
12、安全的。(3) 结构力学近拟计算法:根据溶洞顶板岩体的实际状况，按假定的梁或板的受力条件，验算所需的安全厚度。可有弯矩和剪力两种概念计算。弯矩概念计算 当岩层近于水平成层，完整性较好，溶洞呈平卧状(跨度大于高度，如图9-16所示)时，可将溶洞顶 板视为两端固定的梁板来验算其稳定性，其最大弯矩在固定端的中点处。经弯矩公式推导反算求得顶板安 全厚度 Z 为：式中：q溶洞顶板长边每延米上的均布荷载；L、b分别为溶洞的长度(跨度)和宽度；a岩体的允许弯曲应力，对灰岩可采用岩石允许抗压强度的0.100.125。图 1 弯矩概念示意图剪力概念计算适用的边界条件同弯矩概念。根据溶洞顶板的极限平衡条件：F+G
13、T=O式中：F上部荷载的重量；G顶板岩体自重；T梁板抵抗F、G的抗剪力。T = Z T U 式中：Z溶洞顶板可能破坏的高度;T 岩体的抗剪强度，一般采用岩石允许抗压强度的0.060.10； U溶洞在水平面上的周长。由此可获得溶洞顶板所需的最小（安全）厚度。（4）塌落拱理论分析法: 假定岩体为一均匀介质，溶洞顶板岩体自然塌落最后呈一平衡拱，拱上部的岩体自重及外荷载由该平 衡拱承担（图3）。塌落平衡拱的高度H计算公式为：”0.览十凤,如（92-射式中：b、H分别为溶洞跨度（宽度）和高度；U 岩体的内摩擦角；f岩土的坚实系数，可查有 关表格或计算获得。平衡拱高度加上上部荷载作用所需的岩体厚度，才是溶
14、洞顶板的安全厚度。此法对竖直溶洞（高度大 于宽度）较为合适。除了上述各种方法外，还可采用现场试验、模拟试验和弹性力学有限单元分析法等方法，评价溶洞地 基的稳定性。塌落拱理能分折示荊1*1图 2 塌落拱理论分析示意图2、覆盖型岩溶地基对这类地基稳定性的评价，需要同时考虑上部建筑物和土洞的共同作用。对于特定的建筑物荷载，处 于极限状态的上覆土层厚度H为（图9 3）：kH =h+z+Dk式中：h土洞的高度；D基础砌置深度；z基础底板以下建筑荷载的有效影响深度很显然，土层实际厚度HH时，即使有土洞发育，地基仍然稳定；HVH时，地基不稳定。如果kk土洞已经形成，然后在其上进行建筑，土洞处于建筑物的有效影
15、响深度范围内，这样将使处于平衡状态的 土洞发生新的坍塌，从而影响地基稳定；若土洞形成于建筑物兴建之后，那么已经处于稳定的地基，在土 洞的影响下，将激活地基沉降而使建筑物失去稳定。覆盖里岩瘩地妹稳定性计鼻模型cr 阴 石附加血办图 3 覆盖型岩溶地基稳定性计算模型第三节 岩溶场地勘察要点一、勘察的目的和要求岩溶场地勘察的目的在于查明对场地安全和地基稳定有影响的岩溶化发育规律，各种岩溶形态的规 模、密度及其空间分布规律，可溶岩顶部浅层土体的厚度、空间分布及其工程性质、岩溶水的循环交替规 律等，并对建筑场地的适宜性和地基的稳定性作出确切的评价。根据已有勘察经验，在岩溶场地勘察过程中，应查明与场地选择和地基稳定评价有关的基本问题是：(1) 各类岩溶的位置、高程、尺寸、形状、延伸方向、顶板与底部状况、围岩(土)及洞内堆填物性状、 塌落的形成时间与因素等。(2) 岩溶发育与地层的岩性、结构、厚度及不同岩性组合的关系，结合各层位上岩溶形态与分布数量 的调查统计，划分出不同的岩溶岩组。(3) 岩溶形态分布、发育强度与所处的地质构造部位、褶皱形式、地层产状、断裂等结构面及其属性 的关系。(4) 岩溶发育与当地地貌发展史、所处的地貌部位、水文网
