1、岩溶地面塌陷机理预测与防治2008年2月29日，武汉市汉南区陡埠村岩溶地面塌陷塌陷坑周围产生地裂缝 陷坑附近电杆歪斜、变压器垮落、排水系统被破坏 2011年5月6日，武汉市洪山区红旗村塌陷：钻机陷入塌陷坑中 2013年12月26日，武汉市汉阳区拦江路岩溶地面塌陷：卡车和钻机陷入塌陷坑中 2014年9月5日，武汉市江夏区法泗街岩溶地面塌陷 塌陷坑周围居民房屋受损，右边房屋已垮塌 左侧植物显露，右侧破损房屋已消失，塌陷坑中已经积水，显示塌陷正在进一步发展 2016年2月25日，武汉市江夏区大桥新区红旗村东方明浒，发育在混凝土路面下方的岩溶地面塌陷坑 2015年2月10日，武汉地铁3号线江岸区香港路
2、站惠济二路站区间非可溶岩区，由盾构施工导致了地面塌陷，说明岩溶不是导致地面塌陷唯一条件 报告内容报告内容 1、岩溶地面塌陷机理 2、岩溶地面塌陷预测与评估 4、岩溶地面塌陷防治 5、岩溶地面塌陷应急措施 3、岩溶地面塌陷监测布置原则 明确两个概念岩 溶 塌 陷：岩溶地面塌陷：可溶岩中溶洞顶板的坍塌，是一种地质作用过程，更多地为自然现象强调可溶岩及岩溶本身指岩石坍塌指由岩溶（或土洞）提供地下空间导致的可溶岩上方土体破坏而引起地面变形，与人类活动关系密切强调岩溶/土洞提供条件指土体破坏这里后者，即“岩溶地面塌陷” 1、岩溶地面塌陷机理 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释 1.1.1
3、巴普洛夫与潜蚀论 1.1.2 徐卫国等与真空吸蚀论 1.1.3 康彦仁与致塌模式 1.1.4 陈国亮与塌陷效应 1.1.5 范士凯大师之机理 1.1.6 其他塌陷机理 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.1 巴普洛夫与潜蚀论潜蚀论据文献记载， “潜蚀论”最早是由原苏联科学院院士巴浦洛夫于1898年提出来的，其核心内涵为：岩溶地面塌陷是由地下水的潜蚀作用形成的，通常采用回填法进行治理。该观点与地下水紧密联系，可将之通俗地简称为“水成论” 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.1 巴普洛夫与潜蚀论潜蚀论潜蚀作用概念：潜蚀作用物理潜蚀作用化学潜蚀作用垂直渗流潜蚀
4、作用水平渗流潜蚀作用渗流潜蚀作用冲刷潜蚀作用斜向渗流潜蚀作用化学溶蚀化学风化潜蚀潜蚀作用类型：指是地下水对岩、土体产生的各种形式侵蚀作用的总称。目前，在地质学、地貌学、气候学、地理学、水土保持、工程地质以及岩土工程等领域，不同的学者出于各自的研究目的，采取不尽相同的研究方法和手段，不同程度地研究了潜蚀作用现象，其内涵和外延不尽相同。2010年，李喜安等对该概念进行了梳理，提出如下概念，本人赞同该观点 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.1 巴普洛夫与潜蚀论潜蚀论渗流潜蚀作用：渗流是流体在多孔介质中的流动。渗流潜蚀作用是指地下水在渗流过程中对土颗粒所产生的“拖拽力”而导致土体
5、发生内部破坏或渗流出口处土体局部破坏作用。受边界条件及作用力等的控制，渗流存在各种不同渗流方向。地下径流在径流通道中冲刷作用下形成的侵蚀称作地下冲蚀或地下冲刷侵蚀，包括地下水位在土/岩界面处频繁波动对岩面附近土体产生胀缩崩解作用等，这里将之称为冲刷潜蚀作用。冲刷潜蚀作用： 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.1 巴普洛夫与潜蚀论潜蚀论一、粘性土的潜蚀作用1）地下水在管道中流动时对土体产生冲蚀、掏蚀等作用，使 得地下通道和空洞不断扩大冲刷潜蚀作用。典型实例： 在山前带，老黏性土与可溶岩界面附近地下水的频繁活动（顺土/岩结合面的流动及结合面处地下水位的波动）形成较多的土洞。2）
6、地下水位频繁涨落导致土体干缩湿胀干缩湿胀作用将土颗粒与原始土体分 离，使得顶板厚度减薄冲刷潜蚀作用。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.1 巴普洛夫与潜蚀论潜蚀论一、粘性土的潜蚀作用典型模式：a土洞bc粘性土可溶盐粘性土可溶盐粘性土可溶盐3）在发育土洞的黏性土层中，洞周土体中的地下水在重力（和 真空负压）作用下在非饱和土将会产生渗流。其中，重力产 生的渗流作用方向向下，速度较小；真空负压将会在很短的 时间内，使得洞周土体孔隙中的自由水和空气，垂直于洞 壁，快速向负压中心（土洞）渗流非饱和土的渗流潜蚀作用 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.1 巴普洛夫
7、与潜蚀论潜蚀论一、粘性土的潜蚀作用 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.1 巴普洛夫与潜蚀论潜蚀论一、粘性土的潜蚀作用地面岩溶真空腔（P0）粘性土4）地下水对土体中的可溶性矿物如方解石等产生溶解作用，即 发生化学潜蚀作用，将改变土体结构，使土体变得疏松，导 致其更容易发生地面塌陷化学潜蚀作用。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.1 巴普洛夫与潜蚀论潜蚀论一、粘性土的潜蚀作用 黏性土中的潜蚀作用导致土洞的形成与演化，即导致局部土体发生流土破坏，扩大土洞，减小土洞顶板厚度，致使土洞向上方迁移。不直接导致岩溶地面塌陷。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌
8、陷成因解释1.1.1 巴普洛夫与潜蚀论潜蚀论二、砂性土的潜蚀作用 以砂性土为代表的无（少）黏性土层一般含有较丰富的地下水，并且在水头作用下常能形成稳定的渗流场。地下水向岩溶孔隙和空腔中渗流将使土颗粒遭受渗透压力作用，使土体内部或渗流出露处局部土颗粒发生变位，即产生渗流破坏，形成水砂流体，从而导致沙漏型岩溶地面塌陷。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.1 巴普洛夫与潜蚀论潜蚀论二、砂性土的潜蚀作用长江干堤长江堤内长江干堤长江堤内ab 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.1 巴普洛夫与潜蚀论潜蚀论三、软弱土的潜蚀作用 软弱土呈软塑流塑状，抗剪强度的C和值都
9、很低，渗透系数很小，呈弱微弱透水性，因而其中地下水的渗流速度低，土颗粒所受的渗透压力非常小。受外界诱因影响后，其重力（和真空负压力）将先于渗透压力发生作用而使软弱土向岩溶孔隙和/或溶洞中发生流动，故软弱土层很少或不会发生潜蚀作用导致的岩溶地面塌陷。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.2 徐卫国等与真空吸蚀论真空吸蚀论该观点与地下水紧密联系，可将之通俗地简称为“气成论”“真空吸蚀论”最早是我国学者徐卫国等于1970年代后期提出，经十余年的时间逐步完善形成，通常采用回填法进行治理。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.2 徐卫国等与真空吸蚀论真空吸蚀论徐卫
10、国认为：传统的“潜蚀论”对于覆盖层本身是含水层的河谷条件是成立的。对于绝大多数塌陷之基岩的洞口或裂隙口，在天然条件下被隔水性能良好的残积土或黏土夹砾石（碎石）层覆盖或顶部被充填的情形，一般不具备潜蚀形成塌陷的基本条件。徐卫国认为：用土回填夯实后的塌陷坑，不久又复活和发展。某些矿区改用混凝土浇筑密封灰岩洞口，甚至有的还采用钢板或钢筋混凝土板密封塌陷，花费大量人力物力，结果有些仍无济于事。由此，徐卫国认为：“地面变形成因并非地下水潜蚀作用所致，回填法也不能从根本上治理地面变形，必须重新探讨地面变形的成因及其有效的防治方法”（徐卫国等，1979）。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1
11、.1.2 徐卫国等与真空吸蚀论真空吸蚀论一、真空吸蚀论的概念有三个涵义（1）“真空”泛指低于外界大气压的稀薄气体状态，用“真空度”来描述。根据真空度的大小，真空被划分为粗真空、低真空、高真空、超高真空和极高真空5级。真空成因地下水位下降（2）“吸”是对边界产生一种强大的吸引力，是“真空压差”对边界物质进行的内吸外压的物理效应。真空负压（3）“蚀”是真空对岩溶空腔边界物质产生微观的内掏扩容和宏观的外压变形，亦即产生机械破坏作用。作用力名称冲压力扩容力（P0）抽吸力（Fy）（Pa-P0）作用力效应力的作用位置图示作用力的基本原理力的作用模式冲压（外压）地面盖层内压（扩容）水面抽吸（抽真空）地面Fy
12、岩溶真空腔 1、从岩溶盖层表面上施加冲压造形宏观造形作用； 2、自封作用，使造形体自封于岩溶真空腔口上或某一深度上 在岩溶盖层内部进行微观物理机械吸蚀掏空破坏微观吸蚀扩容作用 在岩溶盖层底面之下对盖层底部土体施加抽吸作用，使其冒落，加速微观扩容宏观造形宏观抽冒作用，岩溶真空形成的内动力 作用力是瞬间产生冲压造形符合冲量原理； 真空压差越大，盖层越薄，冲压造形越快； 洞壁越陡，洞口越圆； 作用力快速或缓慢等效扩容，造成盖层内部呈球形空间体向周围扩大，符合气体压力传导原理； 腔内真空度越高，扩容作用越强。 地下水的重力下降抽真空瞬间抽冒，符合重力原理； 水的重力越大，抽冒作用越强烈，真空度越高（P
13、0）（Pa-P0）真空吸蚀作用致塌机理各种力的作用分析模式（徐卫国等，1988） 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.2 徐卫国等与真空吸蚀论真空吸蚀论二、真空吸蚀形成的基本条件4个条件（1）岩溶网络条件（2）岩溶盖层条件（3）岩溶网络地下水条件（4）构造与岩溶网络紧密联系条件 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.2 徐卫国等与真空吸蚀论真空吸蚀论三、真空吸蚀的破坏方式3个1）初始真空吸盘吸蚀作用2）真空腔吸蚀作用3）旋吸漏斗吸蚀作用 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.3 康彦仁与致塌模式致塌模式1980年代，康彦仁在大量岩溶地面塌
14、陷实地调查资料的基础上，全面研究了我国岩溶地面塌陷的特点后，按塌陷产生的主导因素，把岩溶地面塌陷分为2个大类、7个亚类、8种基本类型（康彦仁，1984）康彦仁认为，各种外部因素产生的致塌力，可以形成重力、渗流潜蚀、失托增荷、真空吸蚀、水气冲（气）爆、水击、振动破裂、振动液化、荷载、水位波动解散、溶蚀、根蚀等12种致塌效应。康彦仁指出：岩溶塌陷的形成是多机制的，单一成因理论如潜蚀论、液化论、真空吸蚀论等只能解释某些特定条件下所形成塌陷。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.3 康彦仁与致塌模式致塌模式一、重力致塌式二、潜蚀致塌式三、真空吸蚀致塌式四、冲（气）爆致塌式五、震（振
15、）动致塌式六、荷载致塌式七、溶蚀致塌式八、根蚀致塌式一、重力致塌式二、潜蚀致塌式 由于岩、土体本身重力作用产生的重力效应使其破坏，逐层剥落或整体下陷的过程和现象称为重力致塌模式 覆盖型岩溶地区的土层，在地下水的渗流作用下，当其获得的实际水头值（渗透压力）或水力坡度足够大，使土层产生机械潜蚀（管涌）或流土等潜蚀作用，引起土层破坏、形成土洞而导致塌陷的过程和现象称潜蚀致塌模式 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.3 康彦仁与致塌模式致塌模式三、真空致塌式四、冲（气）爆致塌式 在封闭较好的岩溶空腔中，由于地下水的重力作用、过水断面由窄变宽的改变和高速水流的吸气作用等形成的真空负压
16、力对土体的吸蚀破坏作用和现象称为真空吸蚀致塌式。 储集于溶洞、管道及土洞中的高压气团和高承压水头引起的破坏作用和现象称为冲（气）爆爆致塌式。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.3 康彦仁与致塌模式致塌模式五、振动致塌式六、荷载致塌式 当地震、爆破或机械车辆震（振）动时，由于各种振动波作用，在岩、土体中产生破裂位移、压密下沉、振动液化、塑流变形等导致的塌陷称为振动致塌式。 由于溶洞（土洞）上部荷载增加，产生的附加应力超过了溶洞（土洞）顶板的允许强度时导致的塌陷叫荷载致塌式。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.3 康彦仁与致塌模式致塌模式七、溶蚀致塌式八
17、、根蚀致塌式 在可溶盐成分含量较高的土层中或一些蒸发岩地区，因地下水（包括排放的酸碱废液）的溶蚀分解作用，使地下溶洞扩大或解散土体，造成岩、土体破坏，最后在岩、土体自重作用下导致的塌陷叫溶蚀致塌式。 在岩溶洼地、谷地中，或中小型水库区，树木根茎埋伏地下，当它腐烂分解形成空洞，导致渗流潜蚀效应或荷载效应产生，使土层向岩溶空间漏失而引起塌陷的过程称根蚀致塌式。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.3 康彦仁与致塌模式致塌模式致塌模式重力致塌潜蚀致塌真空吸蚀致塌冲(气)爆致塌振动致塌荷载致塌溶蚀致塌根蚀致塌主要诱发原因积水、干旱表(污)水下渗抽水、矿坑排水、积水、表(污)水下渗坑
18、道排(突)水、水库放(漏)水暴雨、洪水、水库蓄水地震、爆破、机械振动工程荷载、水库蓄水表(污)水下渗、易溶盐溶蚀根茎腐烂受力情况致塌力自重力自重力渗透压力自重力，吸蚀力，扩容力气压力，向上水压力自重力振动力自重力荷载力自重力渗透压力自重力渗透压力抗塌力抗剪力抗剪力抗剪力自重力抗剪力抗剪力抗剪力抗剪力抗剪力各致塌模式的诱发因素与受力（康彦仁，1989） 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.3 康彦仁与致塌模式致塌模式 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.4 陈国亮与塌陷效应塌陷效应1994年，陈国亮在其专著岩溶地面塌陷的成因与防治第四章第三节中，总结提出了
19、如下11种塌陷机制： 潜蚀效应； 真空吸蚀效应； 压强差效应； 垂直渗压效应； 自重效应； 浮力效应； 土体强度效应； 冲（气）爆效应； 振动致塌效应； 荷载效应； 酸液效应与康彦仁1989年提出的12种致塌效应相比，除缺少压强差效应、浮力效应和土体强度效应等三种塌陷效应外，其他效应的涵义基本一致。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.4 陈国亮与塌陷效应塌陷效应、压强差效应 压强差效应是原铁道部第二勘测设计院在模型试验和多种现场试验的基础上于1988年提出的。 压强差是指岩溶空腔与松散介质（或土洞）接触面上下侧水、气流体，因岩溶管道水位变化而产生压强差值。 当地下水位变动
20、时，由于水体压力和气体压力即液压、气压的迅速传递，压强差产生的效应可在较短的时间内波及到有水位变动的范围内，产生众多的几乎是同步的塌陷。这一现象是单一的潜蚀和真空吸蚀难以解释的。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.4 陈国亮与塌陷效应塌陷效应、浮力效应 土体位于地下水位之下便受到静水浮力作用。当地下水位下降时，除产生压强差效应外，土体的浮托力也随之减少，土体自重力加大。浮力减小对不同的盖层厚度，同一水位降深所减小的绝对浮力值相同，但影响随土层厚度大小有别。厚度大者影响小，厚度小者影响大。土体吸水饱和后，导致土体抗剪强度降低，土体抗塌力减小。、土体强度效应岩溶地面塌陷的成因
21、、机制关系（陈国亮，1994）定义基本条件影响因素成因机制结果开口岩溶洞隙与上覆土层(少数松软岩层)中的水、气对盖层发生的力学效应导致的地面陷落水(塌陷动力)水位，升降速度，水力梯度，渗入量，降雨地下水位下降(抽水、排水)压强差(含水、气蚀)、自重力、浮托力减小致塌力大于抗塌力时发生地面塌陷地下水位上升压强差雨水入渗垂直渗透力、抗剪强度低、自重力盖层(塌陷物质)含水量，厚度，力学性质，结构(一元、多元)开口岩溶(储运条件)岩溶发育程度，洞穴大小与埋深，水力联系，充填情况其他因素：地貌，地质构造，抽水井结构振动土液化或触变、冲击力外荷受力破坏 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.
22、1.4 陈国亮与塌陷效应塌陷效应 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.5 范士凯大师之塌陷机理 近30年来，范士凯大师在对湖北、湖南、广西、广东等地的岩溶地面塌陷进行调查、防治的过程中，认为岩溶地面塌陷机理基本类型有3种，即“潜蚀土洞冒落机理”、渗流破坏流土漏失机理”和“真空吸蚀机理”。 认为：这三种机理及其相应塌陷类型都存在，不同地质条件下的塌陷符合不同机理（范士凯，2017）。一、潜蚀土洞冒落机理 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.5 范士凯大师之塌陷机理a.基岩浅埋，在溶沟中形成潜蚀土洞。土洞逐渐扩展至顶板失稳，导致塌陷；b.深溶槽，下部软塑流塑
23、状红黏土逐渐漏失形成土洞，顶板失稳导致塌陷；软塑流塑状红黏土瞬间失稳，产生负压导致厚层顶板塌陷。软塑状红黏土空腔二、渗流破坏流土漏失机理 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.5 范士凯大师之塌陷机理孔隙承压水岩溶承压水i icx45+/2三、真空吸蚀机理 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.5 范士凯大师之塌陷机理a.真空吸蚀，沙漏塌陷；b.真空吸蚀，土洞塌陷-P-P-P-P 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.6 其他塌陷机理一、共振论 代群力于1991年提出，认为地下水位下降时，水面不仅仅在下降，而且还在不断地波动。 地下水面没有
24、脱离盖层时，水面的波动只直接作用于盖层。地下水面脱离盖层后，水面的波动则通过气压传递而作用于盖层。 当水位波动与上覆盖层固有频率一致时，就可能与盖层形成共振，引发塌陷。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.6 其他塌陷机理二、机械贯穿机理 郑小战于2009年提出，指基础或勘探工程施工过程中破坏地下洞穴的隔水顶板，使第四系孔隙潜水和基岩裂隙岩溶水产生水力联系，上层水涌入溶洞，同时携带盖层松散砂土层涌入溶洞或土洞，从而导致地面塌陷 。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.6 其他塌陷机理三、胀缩崩解效应 肖明贵（2005）在其博士论文中提出，红黏土具有膨胀和
25、收缩的特性，而且收缩性大于膨胀性，土体遇水膨胀，失水收缩开裂。雨季时，地表水沿裂缝迅速下渗，土体遇水膨胀并迅速崩解，使土洞迅速扩展，直至塌陷产生。 苏阳等（2007）在论述桂林市岩溶土洞塌陷形成机制时提到了崩解作用。崩解系指黏性土由于浸水而发生离析、解体的现象。 由上述可见：岩溶地面塌陷成因解释观点很多，更多的专家、学者赞成或其中一个或多个观点，或运用其解释和解决某个具体的岩溶地面塌陷问题 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.7 既有塌陷机理的基本特点既有塌陷机理很多，没有收敛迹象文献显示，除了巴普洛夫和徐卫国等分别提出的地
26、面塌陷“潜蚀论”和“真空吸蚀论”外，康彦仁等另外提出了6种致塌模式（即机理），之后陈国亮又在康彦仁等的基础上新增了3个力学效应；此外还有郑小站、代群力、肖明贵分别提出的机械贯穿致塌机理、共振机理、胀缩崩解效应等。凡此种种，目前已达10余种，甚至还有新的机理被不断提出，以致塌陷机理的数量呈发散趋势，没有收敛的迹象。 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.7 既有塌陷机理的基本特点有这么复杂吗？“大道至简”的道理在哪儿呢？几年来，一直在思索： 1、岩溶地面塌陷机理1.1 岩溶地面塌陷成因解释1.1.7 既有塌陷机理的基本特点经研究发现：既有塌陷机理强调了成因和结果，即关注了塌陷时
27、的作用力及产生作用力的诱发因素，并没有关注土体的塌陷过程以及土颗粒的运动学响应特征其关系式是：诱 因作用力塌 陷塌 陷关注关注关注关注关注塌了关注塌了如何塌？没有回答！致塌模式重力致塌潜蚀致塌真空吸蚀致塌冲(气)爆致塌振动致塌荷载致塌溶蚀致塌根蚀致塌主要诱发原因积水、干旱表(污)水下渗抽水、矿坑排水、积水、表(污)水下渗坑道排(突)水、水库放(漏)水暴雨、洪水、水库蓄水地震、爆破、机械振动工程荷载、水库蓄水表(污)水下渗、易溶盐溶蚀根茎腐烂受力情况致塌力自重力自重力渗透压力自重力，吸蚀力，扩容力气压力，向上水压力自重力振动力自重力荷载力自重力渗透压力自重力渗透压力抗塌力抗剪力抗剪力抗剪力自重力
28、抗剪力抗剪力抗剪力抗剪力抗剪力各致塌模式的诱发因素与受力（康彦仁，1989） 例 一：结论是：致塌，没有回答如何塌岩溶地面塌陷的成因、机制关系（陈国亮，1994）定义基本条件影响因素成因机制结果开口岩溶洞隙与上覆土层(少数松软岩层)中的水、气对盖层发生的力学效应导致的地面陷落水(塌陷动力)水位，升降速度，水力梯度，渗入量，降雨地下水位下降(抽水、排水)压强差(含水、气蚀)、自重力、浮托力减小致塌力大于抗塌力时发生地面塌陷地下水位上升压强差雨水入渗垂直渗透力、抗剪强度低、自重力盖层(塌陷物质)含水量，厚度，力学性质，结构(一元、多元)开口岩溶(储运条件)岩溶发育程度，洞穴大小与埋深，水力联系，充
29、填情况其他因素：地貌，地质构造，抽水井结构振动土液化或触变、冲击力外荷受力破坏例 二：结论是：土体塌陷，同样没有回答如何塌现代汉语词典（第五版）（商务印书馆，2007）对“机理”的解释为： 机理也称机制，泛指一个工作系统的组织或部分之间相互作用的过程和方式 如果我们把可溶盐和上覆盖层构成的系统看作一个工作系统，那么，“岩溶地面塌陷机理”即是指这个“工作系统”的各部分之间相互作用的过程和方式，而不涉及诱发因素和作用力。间接诱因间接诱因直接诱因直接诱因作用力作用力作用力作用力土体塌陷 既有塌陷观点只是研究了诱因及其产生的作用力，没有回答土体受力后如何“塌”的问题，即没有研究内部相互作用过程和方式。
30、因此，既有塌陷观点只能称为塌陷的“成因解释”，还称不上“机理”！ 要回答如何塌的问题，即解决塌陷机理问题，必须关注塌陷过程，研究土体塌陷时土颗粒受力后如何运动，即土颗粒的运动学响应特征！ 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论该观点与塌陷土体紧密联系，可将之通俗地简称为“固体论”有鉴于此，提出了由“土洞型塌陷机理”、“沙漏型塌陷机理”和“泥流型塌陷机理”组成的岩溶地面塌陷新认识三机理理论 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.1 土颗粒响应类型（1）块体运动型黏性土 粘性土主要由粒径小于0.005mm的黏粒和胶粒组成，土颗粒之间具有较大的凝聚力，在凝聚力的作用下
31、，微小的黏土颗粒组成“黏粒团” 受到外力作用时，“黏粒团”与母体脱离，“黏粒团”整体发生块体运动，其内部黏土颗粒在宏观上不发生相对运动。可以形象地描述这种响应类型的土颗粒运动是“一块一块的”。 可以形象地描述这种响应类型的土颗粒运动是：“一块一块的”。 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.1 土颗粒响应类型（2）颗粒运动型砂性土砂性土主要由粒径大于0.005mm的粉粒及以上粒径的土颗粒组成，土颗粒只受彼此之间的压力和摩擦力作用，没有凝聚力；土体总体呈散体结构受到重力和渗透压力等作用后，土颗粒既可以发生同向整体运动，也可以是单个土颗粒发生相对运动；各个土颗粒的相对运动速度可
32、以相同，也可以不同。可以形象地描述这种响应类型的土颗粒运动是：“一颗一颗的”。 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.1 土颗粒响应类型（3）塑性流动型软弱土软弱土的物质成分和颗粒成分与块体运动型基本一致，呈软塑流塑状态，土颗粒之间的作用力以凝聚力为主，土颗粒之间的摩擦力很小，土体部分或全部具备了流体的性质。受到外力作用时，相邻土颗粒之间相互作用，运动方向和速率近于相同，在宏观上表现为塑性流动。 可以形象地描述这种响应类型的土颗粒运动是：“一股一股的”。 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.2 土洞型塌陷机理概念：黏性土和密实砂性土层中、由于土洞顶板垮
33、塌而产生的地面塌陷现象称为土洞型塌陷 基本特点是：“黏粒团”整体运动，土洞顶板垮塌土洞塌陷坑 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.2 土洞型塌陷机理特点：具有“三性” 土洞往往与岩溶关系密切；岩溶孔隙和溶洞的发育位置和规模等具有随机性，因而土洞的空间位置也具有随机性； 天然土洞的形成与演化过程中地面一般是稳定的，往往不为人们所发现，具有很大的隐蔽性； 土洞拱效应失效时塌陷突然发生，具有突发性。 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.2 土洞型塌陷机理一、土洞型机理塌陷过程：abced1234567塌陷坑土洞土洞的形成与演化阶段，时间土洞的形成与演化阶段
34、，时间长长地面塌陷阶地面塌陷阶段，瞬间段，瞬间二、土洞形成和演化的作用力 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.2 土洞型塌陷机理地下水活动过程中的渗流潜蚀渗流潜蚀、冲刷潜蚀冲刷潜蚀和化学潜蚀作用化学潜蚀作用是土洞形成、扩展和迁移的动力三、土洞的成因类型： 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.2 土洞型塌陷机理abc土洞 冲刷潜蚀土洞 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.2 土洞型塌陷机理三、土洞的成因类型： 沙漏土洞ab土洞 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.2 土洞型塌陷机理三、土洞的成因类型： 泥流土
35、洞土洞四、土洞顶板弱化方式 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.2 土洞型塌陷机理 强度降低：当土洞顶板中有地表水入渗时，顶板土体含水量增大，土的抗剪强度将大幅降低。 厚度减薄：土洞上方基坑开挖和土洞内部顶板坍塌都会使土洞顶板变薄。 结构破坏：化学作用可以改造土体的原生结构。地表水下渗过程中对土洞顶板的侵蚀、可溶矿物溶解等改变了土体结构；动物洞穴、植物根系腐烂以及机械贯穿等破坏了土体的既有完整性。 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.3 沙漏型塌陷机理沙漏模型：沙钟（1）构造特点：上、下球之间有连通管道，且下球体积足够大，足以容纳上球中的沙子；玻璃球
36、中沙体是松散的，每一沙颗粒可以自由漏失；即沙子的凝聚力C=0。沙漏模型特点：（2）工作特点：每一次漏沙计时过程中，首先是漏失通道附近沙颗粒进入通道，其次是紧邻其上的沙颗粒向下移动；这一现象逐渐向上传递，最终导致沙体上表面中心部位形成较小的凹坑，然后由中心向四周逐渐扩大。这是一个连续的过程，整个过程中未发现天然拱现象，即没有形成土洞。（4）作用力特点：沙漏的作用力是重力。重力是沙子漏失的核心作用力；全程没有水参与，没有水提供作用力，说明水不是沙子漏失的必要条件；沙体表面上的荷载对沙体的漏失基本不起作用，即沙体表面静荷载跟沙漏是否发生无关。（3）外界触发：一次计时完成后，漏沙现象即终止，新形成的沙
37、体稳定；如果不翻转沙钟，则不会再次自行发生漏沙计时，即需要外界触发才能发生漏沙现象。 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.3 沙漏型塌陷机理砂颗粒和地下水一起，一颗一颗地漏失到下方的溶洞或岩溶通道中塌陷坑 重力是沙漏产生的必要条件，没有地下水的作用沙漏型塌陷照样会发生；地下水的参与加快了塌陷速度，缩短了塌陷时间；沙漏型塌陷基本特点： 沙漏型塌陷需要有砂颗粒漏失通道和储存空间，这是发生塌陷的另一必要条件，否则塌陷不会发生； 发生沙漏型地面塌陷需要有外部因素诱发； 塌陷过程是一连续的过程，直至一次塌陷条件丧失。 沙漏型塌陷是砂颗粒漏失造成的，塌陷过程中不会形成土洞，因而沙漏型
38、塌陷不是由于拱效应失效造成的； 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.4 泥流型塌陷机理软弱土体含水率高、孔隙比大、干密度低，呈软塑流塑状，具低抗剪强度，因而具有较强的触变性及流变性。在上部为软弱土体、下部为可溶岩地区，受外界因素诱发后，下方可溶岩中的溶蚀裂隙、岩溶漏斗等通畅时，软弱土体可沿通道发生流动变形，并逐渐在地面产生变形效应。随着软弱土体变形量的不断增大，在地面形成宏观塌陷坑这种由软弱土体流失而导致的地面塌陷称为泥流型地面塌陷。 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论1.2.4 泥流型塌陷机理abc塌陷坑 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理
39、论1.2.5 “三机理理论”与既有成因解释观点的关系“三机理理论”可以解释现有各成因观点，因为它将“诱因”、“作用力”和“土体变形”相区分，而重点关注了土体破坏时土颗粒的运动学响应特征！巴普洛夫潜蚀论潜蚀论徐卫国等真空吸蚀论真空吸蚀论康彦仁8个致致塌塌模模式式陈国亮 11个塌陷效应塌陷效应三机理理论三机理理论三三机机理理理理论论三机理理论三机理理论三三机机理理理理论论更多人赞同更多人赞同更多人赞同更多人赞同 1、岩溶地面塌陷机理1.2 岩溶地面塌陷三机理理论“三机理理论”总结：由土洞型塌陷、沙漏型塌陷和泥流型塌陷机理共同构成岩溶地面塌陷“三机理理论”土洞型塌陷机理： 土洞顶板坍塌沙漏型塌陷机理
40、： 砂颗粒漏失泥流型塌陷机理： 软弱土流失这就是“大道至简” 2、岩溶地面塌陷预测与评估 2、岩溶地面塌陷预测与评估岩溶地面塌陷预测就是根据岩溶地区的工程与水文地质条件，结合外部可能的影响因素，采用适当的预测方法，判断可溶岩区上覆盖层的稳定性，对岩溶地面塌陷发生的可能性、时间、地点、规模以及持续时间等作出判断，为岩溶地面塌陷危险性评估提供依据，为防灾、减灾提供技术性指导。岩溶地面塌陷评估就是根据岩溶地面塌陷预测的结果，评估它对周边人群的威胁程度、判断其对周边环境的损害程度，为岩溶地面塌陷的预防、治理和避险决策提供依据。2.1 预测与评估概念概概 率率 统统 计计 模模 型型模模 糊糊 数数 学
41、学 模模 型型灰灰 色色 系系 统统 模模 型型其其 他他 预预 测测 模模 型型不不 确确 定定 性性 模模 型型确确 定定 性性 模模 型型数数 学学 物物 理理 模模 型型综综 合合 地地 质质 模模 型型预预 测测 模模 型型 2、岩溶地面塌陷预测与评估2.2 预测模型 2、岩溶地面塌陷预测与评估2.3 研究现状 1）目前仅基本上仅限于空间位置的预测，尽管偶尔有文献提及塌陷时间预测，但都是初步的尝试；塌陷历时预测等则鲜有报道 3）目前所使用的预测模型主要为不确定性模型，有学者探讨了确定性模型，如杜甫志的两种力学模型（1989）、刘长礼（1993）与高宗军等（2009）的水岩耦合模型、谭
42、鉴益的坛状圆柱状模型（2001）以及贺可强等的渗压效应模型（2002）等，综合地质预测模型本人于2016年才正式提出 4）目前的确定性模型预测仅限于土洞型塌陷，沙漏型和泥流型塌陷预测仅仅才起步 2）受对塌陷机理认识的限制，目前的预测几乎都与诱发因素紧密联系，包括所有的确定性模型和不确定性模型，使得所建立的预测模型没有通用性，仅为个案，因而也称不上真正的预测模型岩溶地面塌陷预测离预期差得太远，是一个需要深入研究的重大课题！ 2.4 综合地质模型预测 2、岩溶地面塌陷预测与评估综合地质预测模型以地质理论为依据，在塌陷机理的指导下，采用地质科学的方法和手段进行预测。这种预测模型的地质理论依据很充分，
43、考虑的诱发因素比较全面（关键是根据地质条件去掉了不相关的诱发因素），得出的结论比较客观、可靠，是目前唯一能应用于工程实践的预测方法。 核心思想是：查明研究区的工程地质与水文地质条件，划分岩溶地质结构及其空间分布，判断岩溶发育程度，确定具体的诱发因素，依据塌陷机理，圈定各岩溶地面塌陷类型的区域，预测各区域内发生相应类型地面塌陷的可能性。 一、查明岩溶岩溶地质结构、确定塌陷机理 2.4 综合地质模型预测 2、岩溶地面塌陷预测与评估岩溶地质结构：指上覆盖层和下伏可溶岩之间的空间组合关系。 根据可溶岩上方黏性土、砂性土和软弱土的上下叠置关系，将岩溶地质结构划分为3类9型 方法与步骤黏 性 土可 溶 岩
44、砂 性 土黏 性 土可 溶 岩软 弱 土黏 性 土可 溶 岩砂 性 土可 溶 岩黏 性 土砂 性 土可 溶 岩软 弱 土砂 性 土可 溶 岩软 弱 土可 溶 岩黏 性 土软 弱 土可 溶 岩砂 性 土软 弱 土可 溶 岩地下水活动及外加动荷载上部为软弱土，中部为砂性土（厚度大于3m），下部为可溶岩，可发生沙漏泥流复合型塌陷。3人类活动破坏中部黏性土层及外加动荷载上部为软弱土，中部为黏性土（厚度大于3m），下部为可溶岩，黏性土破坏时可发生泥流型塌陷2外加动荷载，负压荷载上部为软弱土，下部为可溶岩，可发生泥流型塌陷1外加动荷载上部为砂性土，中部为软弱土（厚度大于3m），下部为可溶岩，可发生泥流沙漏
45、型复合式塌陷。3人类活动破坏黏性土层的完整性及地下水活动上部为砂性土，中部为黏性土（厚度大于3m），下部为可溶岩；黏性土破坏时可发生沙漏型塌陷2地下水活动，如大规模抽水、岩溶突水等，外加动荷载上部为砂性土，下部为可溶岩，发生沙漏型塌陷1外加荷载、土洞顶板弱化上部为黏性土，中部为软弱土（厚度大于3m），下部为可溶岩；可发生土洞型塌陷3外加荷载、土洞顶板弱化及地下水活动上部为黏性土，中部为砂性土（厚度大于3m），下部为可溶岩；可发生土洞型塌陷2外加荷载、土洞顶板弱化上部为黏性土，下部为可溶岩，可发生土洞型塌陷1主要诱发因素结构特征及塌陷机理模 型 图型类塌陷机理岩溶地质结构土洞型塌陷1、2、3沙漏
46、型塌陷1、2、3泥流型塌陷1、2、3一、查明岩溶岩溶地质结构、确定塌陷机理 岩溶地质结构与塌陷机理的关系2.4 综合地质模型预测 2、岩溶地面塌陷预测与评估方法与步骤二、判断岩溶发育程度 岩溶发育程度分级（GB50007-20011 ）等级岩溶场地条件岩溶强发育1）地表有较多岩溶塌陷、漏斗、洼地、泉眼；2）溶沟、溶槽、石芽、密布，相邻钻孔间存在临空面且基岩面高差大于5m；3）地下有暗河、伏流；4）钻孔遇洞率大于30%或线岩溶率大于20%；5）溶槽或串珠状竖向溶洞发育深度达20m以上岩溶中等发育介于强发育和微发育之间岩溶微发育1）地表无岩溶塌陷、漏斗；2）溶沟、溶槽较发育；3）相邻钻孔间存在临空
47、面且基岩面相对高差小于2m；4）钻孔遇洞率小于10%或线岩溶率小于5%2.4 综合地质模型预测 2、岩溶地面塌陷预测与评估方法与步骤方法与步骤岩溶发育强度分级（GB50307-2012 ）级 别岩溶形态连通性地下水岩 溶强烈发育以大型暗河、廊道、较大规模溶洞、竖井和落水洞为主地下洞穴系统基本形成有大型暗河岩 溶中等发育 沿断裂、层面、不整合面等有显著溶蚀、中小型串珠状洞穴发育地下洞穴系统未形成有小型暗河或集中径流岩 溶弱发育沿裂隙、层面溶蚀扩大为岩溶化裂隙或小型洞穴裂隙连通性差少见集中径流，常有裂隙水流岩 溶微发育以裂隙状岩溶或溶孔为主溶孔、裂隙不连通裂隙透水性差二、判断岩溶发育程度 2.4
48、综合地质模型预测 2、岩溶地面塌陷预测与评估三、确定诱发因素 2.4 综合地质模型预测 2、岩溶地面塌陷预测与评估诱发因素很多，概括为三类：1）水的作用2）荷载作用3）土体弱化 方法与步骤潜蚀作用荷载作用诱发真空压力物理潜蚀作用化学潜蚀作用直接作用媒介作用间接作用水的作用静水荷载作用水头作用增大重力降低摩擦力减小凝聚力改 变 土 的物理力学性质垂直渗流潜蚀作用水平渗流潜蚀作用渗流潜蚀作用冲刷潜蚀作用斜向渗流潜蚀作用化学溶蚀化学风化潜蚀1）水的作用三、确定诱发因素 2.4 综合地质模型预测 2、岩溶地面塌陷预测与评估方法与步骤2）外加荷载作用外加逆向静荷载外加逆向静荷载外加正向静荷载外加正向静荷
49、载外加静荷载外加静荷载外加动荷载外加动荷载外加荷载外加荷载汛期洪水和内涝高水位、自然状态或人为诱发地下水位下降，地下水对覆盖层或土洞顶板原有的浮托力减小或消失等爆作用、浮力作用（陈国亮，1994）等各类震（振）动荷载，如地震荷载、施工振动荷载、车辆振动荷载等三、确定诱发因素 2.4 综合地质模型预测 2、岩溶地面塌陷预测与评估方法与步骤3）土体弱化三个方面1）土体强度降低2）土洞顶板厚度减薄3）土体结构破坏 三、确定诱发因素 2.4 综合地质模型预测 2、岩溶地面塌陷预测与评估方法与步骤四、综合地质预测 划分易发区岩溶地面塌陷易发性分区分区依据分区依据高易发区高易发区中易发区中易发区低易发区低
50、易发区塌陷机理塌陷机理沙漏型塌陷沙漏型塌陷其他组合其他组合泥流型塌陷泥流型塌陷岩溶的作用岩溶的作用强发育强发育微弱发育微弱发育诱发因素诱发因素强影响强影响弱影响弱影响2.4 综合地质模型预测 2、岩溶地面塌陷预测与评估方法与步骤2.4 综合地质模型预测 2、岩溶地面塌陷预测与评估五、塌陷危险性评估进行危险性分区 岩溶地面塌陷危险性分区影响程度影响程度高易发分区高易发分区中易发分区中易发分区低易发分区低易发分区高高高危险区高危险区高危险区高危险区中等危险区中等危险区中等中等高危险区高危险区中等危险区中等危险区低危险区低危险区低低中等危险区中等危险区低危险区低危险区低危险区低危险区方法与步骤汉南江
