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1、岩溶及岩溶地区的工程地质分析第一章 岩溶一. 基本概念岩溶也称喀斯特(karst),是指以碳酸盐为主的可溶性岩石（石灰岩、白云岩、石膏、岩盐）地区，由于地表径流和地下水流对岩石的溶蚀作用和机械破坏作用，在岩体中形成洞穴，或在岩层的表面形成奇峰异石等独特的地貌景观。南斯拉夫的喀斯特高原是典型地区，并因此得名喀斯特。1966年5月在中国第二次全国岩溶学术会议上将“喀斯特”以“岩溶”作为中国的通用术语。凡是以地下水为主，地表水为辅，以化学过程（溶解与沉淀）为主。机械过程（流水侵蚀和沉积，重力崩塌和堆积）为辅的对可溶性岩石的破坏和改造作用都叫岩溶作用。这种作用所造成的地表形态和地下形态叫岩溶地貌。岩溶
2、作用及其所产生的水文现象和地貌现象统称岩溶。岩溶在我国分布非常广泛，典型的分布区有广西桂林 、阳朔、柳州以及云南东部、贵州的大部分地区广西的桂林山水、云南的路南石林皆闻名于世。这些奇异的景观都发育在碳酸盐岩地区。整个西南石灰岩地区连成一片，面积共达550000km2;全国石灰岩分布面积约1300000km2,约占全国总面积的13.5%二研究意义由于岩溶地区有着独特的水文特征和地貌特征，因此在岩溶地区进行各种经济建设和生活生产会遇到非岩溶地区所没有的问题 。在岩溶地区，由于存在大量的地下空洞，尽心水库修建时要注意防止渗漏问题，在开凿睡到和建设矿井时要注意涌水排水问题，在建筑铁路、桥梁和厂房时要注
3、意地基塌陷问题。三岩溶作用的基本条件在自然界，要保证岩溶作用能进行 ，必须有水在碳酸盐岩内部的裂隙或孔隙中流动，使两者不断地相互接触和相互作用，而且不断循环更替，排除钙离子饱和的补入未饱和的。这就要求具有以下条件：1.在可溶性岩石中具有一定的裂隙或孔隙系统，为水的循环提供通 道。碳酸盐岩一般都是又层面裂隙与构造裂隙的，如果有裂隙就会形成更好的通道。白云岩内由于白云岩化作用还有较高的孔隙度。2.有适宜的地貌条件和地质构造条件 ，为谁的向碳酸盐岩中 、中 渗入提供补给途径，并为水的排出碳酸盐岩体之外提供通道。四岩溶地貌 1.地表喀斯特地貌（1）溶沟和石芽 溶沟是指地表水沿岩石表面和裂隙流动过程中不
4、断对岩石溶蚀和侵蚀，从而形成的石质沟槽；石芽指突出于溶沟之间的石脊，其实它是溶沟形成过程中的残余物。云南地区的石林就是发育比较好的形态高大的石芽群，它的形成条件是厚层、质纯、产状平缓、垂直节理稀疏和湿热的气候环境。 （2）天坑和竖井 主要是由于岩溶地面不断凹陷，形成漏斗状的圆形洼地或竖井状的洞，在我国的重庆和四川南部地区分布较为广泛，他形成于陡峭的坡地两侧和洼地、盆地底部，因为流水沿着岩石的裂隙侵蚀强烈，所以天坑或竖井深达几十米到几百米。 （3）溶蚀洼地和溶蚀谷地 溶蚀洼地是一种范围广，近似圆形的封闭性岩溶洼地，四周多低山和峰林，底部平坦，雨季易涝，旱季易干。面积一半数平方千米至十几平方千米。
5、溶蚀谷地是溶蚀洼地进一步扩大或融合而形成的，它受构造影响比较大，面积更为广，一般数十平方千米至数百平方千米，平面条状分布，长达数十公里，底部平坦，常有地表径流，例如广西都安有一溶蚀谷地宽一公里，长十公里。这种喀斯特地形在我国云贵高原分布广泛，当地人称之为“坝”。 （4）干谷 干谷是地表径流消失后岩溶区遗留下来的谷地，它的形成原因是河流的某一段河道水流沿着谷底的竖井或水洞流入地下，形成地下径流。这种地表径流转为地下径流的现象叫做伏流。还有一种形成原因即类对河道进行裁弯取直的结果。这样的地貌类型在我国华北地区和东北地区比较常见。 （）峰林、峰丛、孤峰、天生桥 “桂林 山水甲天下，阳朔山水甲桂林”，
6、我国广西省风光独特，岩溶作用是形成这天然屏风的主要原因。 峰丛是可溶性岩受到强烈溶蚀而形成的山峰集合体。峰林是由峰丛进一步演化而形成的。当然 ，在新构造作用下，峰林会随着地壳的上升转化为峰丛。山峰表现为锥状、塔状、圆柱状等尖锐峰体，表面发育石芽、溶沟，山峰之间又常常有溶洞 、竖井。峰丛地貌可以说是喀斯特地貌的博物馆。 孤峰是岩溶区孤立的石灰岩山峰 ，它需要地壳长期稳定而无太大的地质运动。奇特美丽的桂林山水会把大自然对它的宠爱告诉你。 天生桥是可溶性岩下部受流水溶蚀而形成的拱桥状地貌。 （6）地表钙华堆积 这是一类典型的地表喀斯特地貌，主要有瀑布华，钙华堤坝和岩溶泉华。 瀑布华指地表瀑布水流速度
7、陡然增大，内力作用减小，水中的二氧化碳外逸，形成瀑布华。我国贵州著名的黄果树瀑布就属于这一种。 钙华堤坝形成是溶解大量 CaCO3 的高山冰雪溶水和含大量CaCO3地下渗透的岩溶水在地下径流一段距离后，以泉的形式排出地表。随着水温增高和水流速度增大以及大量藻类植物的作用，形成了大量钙华沉积。钙华中含许多杂质和多种不同元素，并且有水生植物的影响，使得钙华呈现出多种色彩。这种地貌在我国四川黄龙寺一代分布较广，黄龙寺旅游业的发展可以说与这种独特的喀斯特地貌景观紧密相连。 岩溶泉华是溶有大量CaCO3的泉水涌出地表，由于温度升高和压力减小，使得CaCO3在泉口形成钙华沉积，长时间的积累使泉华形成不同的
8、形状，这也是大自然赐予人类的一幅美景。这种喀斯特地貌在我国云南较为常见。 2.地下岩溶（1）溶洞的概况 溶洞是地下水沿可溶性岩的裂隙溶蚀扩张而形成的的地下洞穴，规模大小不一，大的可以容纳千人以上；形态千奇百 怪，溶洞中有许多奇特景观，如石笋、石柱 、石钟乳、石幔等。小的连一个人都难以通过。溶洞是水的溶蚀作用 、流水侵蚀以及重力作用的长期结果。 溶洞景观在我国的湖南、四川、贵州、云南、广西等省区分布较为广泛。 （2）溶蚀地貌石锅和边槽 如果一个溶洞顶部的某一局部地点受到较为强烈的紊 流作用，随着水压增大，溶蚀能力增强，这些地方的溶蚀量比周围大，从而形成向顶侧凹入的弧形面，这样的地貌称为石锅。边槽
9、是指溶洞的边壁在水的溶蚀作用下形成向洞测凹陷的槽状地貌。这两种溶蚀地貌在溶洞中很常见。 （3）堆积地貌 是溶洞景观中的精华部分，在我国西南地区的溶洞中你尽可以欣赏那神奇的洞天世界 。重力水的堆积是溶洞堆积地貌的主要形成方式 ，溶解了大量可溶性岩的水滴断续的从溶洞顶部落下并不断积累，从而形成绚丽多彩的石钟乳、石笋、石柱、石幔、边石堤等。第二章 岩溶地区的工程地质分析由于岩溶的发育致使建筑物场地和地基的工程地质条件大为恶化，因此在岩溶地区修建各类工程建筑物时必须对岩溶进行工程地质研究，以预测和解决因岩溶而引起的各种工程地质问题。归纳起来，岩溶区的工程地质问题主要有以下几类。一. 地基稳定性及塌陷问
10、题岩溶地基变形破坏主要形式有地基承载力不足、不均匀沉降、地基滑动、地表坍塌等。对。岩溶地基处理方法视具体情况采取“不处理”、“绕避”、“处理”三类措施。1 岩溶地基可不加处理的场合属于下列情况的,岩溶地基可不加处理:岩溶在基础影响范围以外;溶洞处于地基压缩层深度以下或垂直附加应力与洞顶地层自重应力之比10%时,洞顶板无破碎现象,受力地基边缘无土洞、漏斗、落水洞地段;基础位于微风化硬质岩表面且宽度小于1m的竖向洞隙旁,洞隙被密实充填且无被水冲蚀可能地段;洞体厚跨比大于1,围岩完整性好或洞体小于基础底面。2可采取绕避措施的场合当遇到以下情况时,宜采取“绕避”措施:岩溶区。断裂、孔隙发育,宽度和密度
11、较大,其底与溶洞、暗河相通的地段;溶洞、暗河发育地区,溶洞的洞径大、顶板薄、裂隙发育、基岩破碎,暗河水流较大且洞内无或少充填物的地段;岩溶水以表流和暗流交替出现,岩溶发育复杂无规律;落水洞分布较密且漏水严重,塌陷时常发生的地段;基岩起伏、流塑或可塑软土分布广且厚度变化大、地下水活动强烈地段;地基处理费用太高的地段。土洞区。土层薄、裂隙发育且地表水入渗条件好,其下伏基岩有通道、暗河或呈负岩面的地段 ;石芽或出露岩体与上覆土体交接处,岩体裂隙、通道发育为地表水集中入渗的地段;地层下岩体两组结构面交汇或处于宽大裂隙带上的地段 ;隐伏深大岩溶洞、隙、沟、槽、漏斗等,其临近基岩面以上有软弱土层分布地段
12、;人工降水降落漏斗的中心地段及地面低洼、地面水体近旁的地段。当岩溶体地基的强度和稳定性不能满足工程要求,常据岩溶具体情况、工程要求、施工条件,按照安全性与经济性原则选择适当的地基处理方法。3常用地基处理方法3.1填垫法该法可分为充填法、换填法、挖填法、垫褥法等几类。充填法适用于裸露岩溶土洞,其上部附加荷载不大的情况。最底部须用块石、片石作填料,中部用碎石,上层用土或混凝土填塞,以保持地下水的原始流通状况,使其形成自然的反滤层。当已被充填的岩溶土洞,如充填物物理力学性质不好,可采用换填法。须清除洞中充填物,再全部用块石、片石、砂、混凝土等材料进行换填。石横电厂厂房岩溶地基处理采用此法取得了很好的
13、效果。对浅埋的岩溶土洞 ,将其挖开或爆破揭顶,如洞内有塌陷松软土体,应将其挖除,再以块石、片石、砂等填入,然后覆盖粘性土并夯实,称挖填法。 对岩溶洞、隙、沟、槽、石芽等岩溶突出物,可能引起地基沉降不均匀,将突出物凿去后做30-50 cm砂土垫褥处理,称为垫褥法。3.2加固法该法通常包括灌浆法、顶柱法、强夯法、挤密法、浆砌法等。对埋深较大的岩溶土洞,宜采用密钻灌浆法加固。应视岩溶洞隙含水程度和处理目的来选择材料。用于填塞时,可用粘土、砂石、混凝土、水泥砂浆等;用于防渗时,可用水泥浆和沥青作帷幕,灌浆顺序可先外围后中间,先地下水上游后下游;用于充填加固时,用快干材料或砂石等将洞隙先行填塞,开始时压
14、力不宜过高, 以免浆料大量流出加固范围。在对广州白云机场候机楼扩建工程岩溶地基处理过程中,程鉴基运用双液化学硅化法对复杂多层含水溶洞成功进行加固。当洞顶板较薄、裂隙较多、洞跨较大,顶板强度不足以承担上部荷载时,为保持地下水通畅,条件许可时采用附加支撑减少洞跨,称顶柱法。 在覆盖形岩溶区,处理大面积土洞和塌陷时,强夯法是一种省工省料、快速经济且能根治整个场地岩溶地基稳定性的有效方法。一般夯击遍数18遍,夯点距3 m。如无地下水影响,两遍夯击间歇时间可不受限制,在夯击过程中,如果夯锤突然下陷,说明下部有隐伏土洞,此时可随夯随填土或砂砾土料处理。对岩洞土洞中软土较深地段,适宜于挤密性。采用砂柱、石灰
15、柱、松土桩、混凝土桩或者钢管等打入洞内,形成复合地基 ,提高地基稳定性和强度。 3.3跨越法此法包括板跨法、梁跨法、拱跨法等。深度较大、洞径较小不便入内施工或洞径虽大、但因有水的溶洞,可据建筑物性质和基底受力情况,用混凝土板或钢筋混凝土板封顶,称板跨法。 对埋藏较深但仍位于地基持力层内的规模较小的塌陷或土洞,可用弹性地基梁或钢筋混凝土梁跨越土洞或塌陷体。 在地下建筑工程的边墙、堑式挡墙、堤式坡脚挡墙及桥墩、桥台等地基下常见洞身较宽、深度又大、洞形复杂或有水流的岩溶地基,宜采用拱跨形式。3.4桩基法溶洞、塌陷漏斗较深较大或溶洞多层发育,可采用桩基础。在基岩起伏处,其上覆土层性质较软弱、厚度又大、不易清除时,宜采用钻孔或冲孔灌注桩、爆扩桩,视工程需要作支承桩或摩擦桩,桩头锚入基岩内;采用打入桩时,桩尖应锚入基岩,采用人工挖孔桩时,多数情况开挖时宜设护壁。 在岩溶地区，由于地表覆盖层下有石芽溶沟，岩体内部有暗河、溶洞，建筑物的地基通常是很不均匀的。上覆土层还常因下部岩溶水的潜蚀作用而塌陷，形成土洞。土洞的塌陷作用常常是突然发生的。土洞出现的地区往往就是地下岩溶发育的区域。根据岩溶发育的特点，岩溶地区可能遇到以下几类地基：1.石芽地基由于地表岩溶
