1、第12章 岩溶场地第1 1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。岩溶发育的基本条件可归结为三个，即可溶性的岩石、具溶蚀能力的水和良好的地下水循环交替条件。在我国各类可溶性岩石中，碳酸盐类岩石的分布范围占有绝对多数。岩溶的发育与分布虽然在宏观上有一定的规律可循，但在微观上却无规律可循，且变异性很大，这就为岩溶场地的勘察和建设增加了不少困难，为此必须提出针对岩溶场地的岩土工程勘察技术要求，采取特殊技术措施对岩溶场地进行处理和整治。我国不同地区岩溶发育各具特征。共同点是：
2、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、土洞发育等引起大规模地面塌陷、岩溶地下水的突涌、不均匀地基沉降等，对工程建设产生重要影响。第1 1节 概述岩溶场地可能发生的岩土工程问题有如下几个方面：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。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。覆盖型岩溶区由于地下水活动产生
3、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。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。溶洞顶板坍塌引起地基突然陷落碳酸盐岩岩溶发育的机理一、碳酸盐溶蚀的反应过程二、反应体系中CO2的来源和存在形式三、混合溶蚀效应和其他离子效应混合溶蚀效应溶液中离子效应酸效应盐效应同离子效应一、碳酸盐溶蚀的复杂反应过程碳酸盐在纯水中的溶解度很低，如碳酸钙在25度纯水中的溶解度仅为14.2mg/L,而在每升天然地下水中碳酸钙的含量可达数百毫克，远高于其溶解度。原因：地表
4、水尤其是地下水并非纯水，而是化学成分复杂的溶液，水中含有溶解的C02、无机酸、有机酸及某些盐类,这些化学成分共同促进了碳酸钙的溶蚀。二、反应体系中C02的来源和存在形式水中CO2主要来源于大气层和生物土壤层，部分来源于变质作用、火山活动及岩层中某些化学作用产生的CO2。平衡CO2。侵蚀性C02三、混合溶蚀效应和其他离子效应混合溶蚀效应被溶解的CaC03与平衡C02的关系为非线性函数。由于两种不同来源水中C02含量相差愈大，则其混合后的溶蚀能力愈强。因此凡有利于水混合地带，岩溶发育总是比其它地带强烈。这些地带包括：(1)垂直渗入水与地下水相混合的地下水面附近；(2)地下水面以下能使不同成分水面汇
5、集的强径流带，如大的溶蚀裂隙或溶蚀管道，不同方向的溶蚀裂隙交汇带；(3)灰岩区地下水排泄区，如河岸地下水与地表水的混和带第2节 影响岩溶发育的因素一、地质因素岩性碳酸盐岩石的成分与岩溶发育的关系碳酸盐岩石的结构与岩溶发育的关系地质构造断裂的影响褶皱的影响岩层成层组合岩溶的影响碳酸盐岩石的成分与岩溶发育的关系根据溶蚀试验成果得到的结论：岩石中方解石含量愈多，则溶蚀愈强烈；酸不溶物含量越大，岩石愈不容易溶蚀；含有石膏、黄铁矿等矿物的碳酸盐岩类溶蚀较强烈；含有有机质、沥青等杂质的碳酸盐岩类，不利于溶蚀发育在野外发现有些白云岩和白云质灰岩的岩溶发育往往较纯灰岩更为强烈，说明仅用岩石成分来解释碳酸盐岩类
6、的溶蚀性有一定的局限性。碳酸盐岩类的结晶结构与岩溶发育的关系碳酸盐岩类按结晶结构可分为粒屑、泥晶、亮晶等数种。泥晶结构主要由粒径小于10um的碳酸盐软泥组成，泥晶相当于泥质砂岩中的粘土基质；粒屑结构是由流水搬运或波浪作用形成的，是非正常化学沉积物，粒屑和粒径较大，一般大于10um，相当于砂岩中的砂粒亮晶结构是由粒径大于10um的结晶碳酸盐组成，是正常化学沉积的碳酸盐所特有的结构。溶蚀指标大小关系依次为：泥晶粒屑亮晶岩石成分、成层条件和组织结构等直接影响岩溶的发育程度和速度。硫酸盐类和卤素类岩层岩溶发展速度较快，碳酸盐类岩层则发育速度较慢。质纯层厚的岩层，岩溶发育强烈，且形态齐全，规模较大；含泥
7、质或其它杂质的岩层，岩溶发育较弱。岩溶与地质构造的关系节理裂隙 裂隙的发育程度和延伸方向通常决定了岩溶的发育程度和发展方向，在节理裂隙的交叉处或密集带，岩溶最易发育。断层 沿断裂带是岩溶显著发育地段，常分布有漏斗、竖井、落水洞、溶洞、暗河等。往往在正断层处岩溶较发育，逆断层处岩溶发育较弱。褶皱 褶皱轴部一般岩溶较发育，在单斜地层中，岩溶一般顺层面发育。在不对称褶曲中，陡的一翼岩溶较缓的一翼发育。岩层 产状倾斜的岩层，一般岩溶发育较强烈;水平或缓倾斜的岩层，当上覆或下伏非可溶性岩层时，岩溶发育较弱。可溶性岩与非可溶性岩接触带或不整合面岩溶往往发育。第2节 影响岩溶发育的因素二、气候因素 影响着参
8、与岩溶作用的水的溶蚀能力，控制着岩溶发育的类型、规模和速度三、地形地貌和新构造运动地形地貌地貌反映了区域性和地区性侵蚀基准面和地下水排泄基准面的性质和分布，控制地下水运动的趋势和方向，从而控制了岩溶发育的总趋势新构造运动地壳间隙性升降运动与岩溶发育的关系第3节 土洞和地面塌陷一、含义及研究意义覆盖型岩溶区在特定的水文地质条件作用下，基岩面以上的部分土体随水流迁移携失而形成的土洞和洞内塌落堆积物，并引起地面变形破坏的作用和现象。土洞的不断发展而导致地面塌陷，对场地和地基都造成危害。土洞发育速度快，分布密度大，危害严重土洞和地面塌陷二、成因机制潜蚀机制所谓潜蚀是指地下水在渗流过程中，由于渗透压力（
9、或称动水压力）的作用，使岩土体中一些颗粒，甚至整体发生移动，从而导致地面沉陷的一种外动力地质作用。这一术语引入土洞和地面塌陷形成中，则指地下水流在碳酸盐岩及其上覆土体中产生冲刷，致使碳酸盐岩溶隙和溶洞中充填物被携走，土层中产生土洞。随着土洞的不断扩大，当其顶板不足以形成天然平衡拱时，顶板不断塌落，最终在地表形成碟形洼地或塌陷坑。一般产生在基岩岩溶水与上覆松散土体中的孔隙水有强水力联系的地段。潜蚀二、成因机制真空吸蚀机制相对密闭的岩溶水，由于抽水等原因地下水位大幅度下降，尤其在承压岩溶水条件下，当地下水位低于覆盖层底板时，地下水面以上的洞穴成为“真空腔”。此时真空腔内的水面如同吸盘一样，强有力地
10、抽吸覆盖层底板的土体，使其逐渐被吸蚀掏空而形成土洞。随着地下水位下降，真空腔内外压差效应不断加剧，而使土洞不断扩展，最终可导致突发地面塌陷真空吸蚀一般产生在覆盖层隔水性好且分布较均匀的地段。在碳酸盐岩残积粘土（红粘土）分布较厚的地区，地面塌陷多因真空吸蚀所致。二、成因机制气爆机制气爆机制一般也是产生在密闭的岩溶水地段，但它与真空吸蚀机制的不同之处是岩溶水呈无压状态，岩溶洞穴中地下水面以上有相当大的空间。由于地下水位不断抬升，地下水面以上的空气受到压缩而呈“高压”状态。当大气压达到一定程度时，就冲破上覆土体而突发地面塌陷。三、产生条件覆盖层岩性及其厚度含砂量较高的土体，尤其是砂类土因临界水力梯度
11、较小，容易产生土洞和地面塌陷；而亲水性强抗水性差的粘性土地段也可形成土洞产生地面塌陷的地段第四系覆盖层厚度较小。碳酸盐岩中的岩溶发育地下水活动地形地貌条件四、预测与防治预测地面塌陷预测的内容应包括塌陷的时间、地点、强度和可能造成的影响，一般可分为定性预测和定量预测步骤：首先查明场地的地质、水文地质条件、地貌类型和岩溶发育规律，进行岩溶发育程度和地下水动力条件的分区；在此基础上，根据已有塌陷点的分布状况、塌陷特征及形成条件等，确定综合预测指标；最后考虑塌陷发展趋势与对工程设施和环境的影响程度，进行塌陷预测分区，编制分区预测图方法：经验公式法和多元统计分析法四、预测与防治防治措施治理地面塌陷应针对
12、塌陷形成的基本环境因素，从堵塞水流、加固土体及洞穴堆积物、填堵岩溶通道等三方面考虑第4节 岩溶场地勘察要点岩土工程勘察规范（GB500212001）规定：拟建工程场地或其附近存在对工程安全有影响的岩溶时，应进行岩溶勘察。岩溶场地的岩土工程勘察应按岩土工程勘察等级分阶段进行勘察评价，各勘察阶段应符合下列要求：（1）可行性研究勘察。应查明岩溶洞隙、土洞的发育条件，并对其危害程度和发展趋势出判断，对场地的稳定性和建筑适宜性做出初步评价。（2）初步勘察。应查明岩溶洞隙及其伴生土洞、地表塌陷的分布、发育程度和发育规律，按场地的稳定性和建筑适宜性进行分区。（3）详细勘察。应查明建筑物范围或对建筑有影响地段
13、的各种岩溶洞隙和土洞的位置、规模、埋深、岩溶堆填物性状和地下水埋藏特征，对地基基础的设计和岩溶的治理提出建议。（4）施工勘察。应针对某一地段或尚待查明的专门问题进行补充勘察。当采用大直径岩桩时，尚应进行专门的桩基勘察。对于岩溶场地的工程地质测绘和调查，除应遵循有关的规定外，尚应调查下列内容：（1）岩溶洞隙的分布、形态和发育规律。（2）岩面起伏、形态和覆盖层厚度。（3）地下水赋存条件、水位变化和运动规律。（4）岩溶发育与地貌、构造、岩性、地下水的关系。（5）土洞和塌陷的分布、形态和发育规律。（6）土洞和塌陷的成因及其发展趋势。（7）当地治理岩溶，土洞和塌陷的经验。在岩溶发育的下列部位应查明土洞和
14、土洞群的位置（1）土层较薄、土中裂隙及其下岩体洞隙发育部位。（2）岩面张开裂隙发育，石芽或外露的岩体与土体交接部位。（3）两组构造裂隙交汇或宽大裂隙带。（4）隐伏溶沟、溶槽、漏斗等，其上有软弱土分布的负岩面地段。（5）地下水强烈活动于岩土交界面的地段和大幅度人工降水地段。（6）低洼地段和地面水体近旁。采取有效勘察方法，合理布置勘探工作量岩溶勘察宜采用工程地质测绘和调查、物探、钻探等多种手段结合的方法进行，根据勘察阶段、岩溶发育特征、工程等级、荷载大小等综合确定。在可行性研究和初步勘察阶段以采用工程地质测绘和调查、综合物探方法为主在详细勘察阶段，以工程物探、钻探、井下电视、波速测试等方法为主，并
15、采用多种方法判定异常地段及其性质施工勘察工作量应根据岩溶地基设计和施工要求布置。岩溶勘察的测试和观测宜符合下列要求（1）当追索隐伏洞隙的联系时，可进行连通试验。（2）评价洞隙稳定时，可采用洞体顶板岩样及充填物土样做物理力学性质试验，必要时可进行现场顶板岩体的载荷试验。（3）当需查明土的性状与土洞形成的比例关系时，可进行湿化、胀缩、可溶性和剪切试验。（4）查明地下水动力条件、潜蚀作用，地表水与地下水的联系，预测土洞和塌陷的发生、发展时，可进行流速、流向测定和水位、水质的长期观测。岩溶勘察的主要内容和方法1、工程地质测绘和调查(1)岩溶形态岩溶洞隙的类型、位置、大小、分布规律、充填情况、成因及其与
16、地表水和地下水的联系。尤其要注意研究各种岩溶形态之间的内在联系以及它们之间的特定组合规律。岩溶洞隙类型一般可分为：地表岩溶地貌：包括石芽、溶沟、溶槽、漏斗、竖井、落水洞、溶蚀洼地、溶蚀谷地、孤峰和峰林等地下岩溶地貌：主要为溶洞和地下暗河。工程地质测绘和调查(2)岩溶发育与地貌、地质构造、地层岩性、地下水的关系岩溶发育与所处地貌部位、地貌发展史、水文网、相对高程的关系；地质构造：地质构造部位，断裂带的位置、规模、性质，主要节理裂隙的延伸方向，新构造运动的性质和特点；地层岩性：可溶性岩层和非可溶性岩层的分布和接触关系，可溶性岩层的成分、结构和溶解性，第四纪土层的成因类型和分布等。岩溶地下水的埋藏、
17、补给、径流和排泄情况，水位动态变化及水力连通情况，场地受岩溶地下水淹没的可能性。(3)岩面起伏、形态和覆盖层厚度。(4)地下水赋存条件、水位变化和运动规律。(5)当地治理岩溶的经验。地球物理勘探工作特点：地球物理勘探多用于可行性研究和初步勘察阶段，使用时应注意其适用条件，不宜以未加验证的物探成果直接作为施工图设计和地基处理的依据。应尽量采取多种方法相互印证，综合判译。工作量布置：物探测线、测点宜按先面后点、先疏后密、先地面后地下、先控制后一般的原则布置实施。测线一般应垂直于岩溶发育带。当发现或预计有可能存在危害工程的洞隙时，应加密测点。工作方法：复合对称四级剖面法辅以联合剖面法、浅层地震法、钻
18、孔间地震法等，主要用于探测岩溶洞隙的分布、位置及相关的地质构造、基岩面起伏等。无线电透视法、波速测试法、探地雷达法、电测深配合电剖面法、电视测井法等，主要用于探测岩溶洞穴的位置、形状、大小及充填情况等。充电法、自然电场法可用于追索地下暗河河道位置、测定地下水流速和流向等。地下水位畸变分析法：在岩溶强烈发育地带，尤其在管状通道（暗河）处，地下水由于流动阻力小，将会形成坡降相对较平缓的“凹槽”；而在其它地段，将形成陡坡的“坡”。同时其水位的稳定过程也有很大不同。在不同的钻孔中，同时进行各钻孔的地下水位的连续观测工作，可以帮助分析、判断基岩中各地段的岩溶发育程度。岩溶地区电阻率剖面典型溶洞雷达图像红
19、线圈定部分是岩溶发育位置，上部分溶洞，下部分为溶隙。典型溶洞雷达图像红线圈定部分是岩溶发育位置，其类型为溶洞，溶洞中有大量的水。勘探与取样勘探方法：岩芯钻探和土层钻探：主要用于（a)查明岩石或土层的成分、性质、结构、厚度、产状、地质构造；（b)基岩面起伏和埋藏深度；（c)溶洞顶板厚度、溶洞充填情况、充填物性质等；（d)地下溶洞、暗河的分布、形状、规模；（e)地下水埋深、性质、动态变化及水动力特征等。钻探也用于验证工程地质测绘和物探成果对岩溶状况的判断以及采取试样进行室内试验工作。勘探点布置一一勘探点的间距勘探线沿建筑物轴线布置，勘探点间距满足规范要求外，在下列地段应进行重点勘探，并加密勘探点：
20、地面塌陷、地表水消失的地段；地下水强烈活动的地段；可溶性岩层与非可溶性岩层接触的地段；基岩埋深较浅且起伏较大的石芽发育地段；软弱土层分布不均的地段；物探成果异常或基础下有溶洞、暗河分布的地段对于复杂场地，每个独立基础或重设备基础处均应布置勘探点；对一柱一粧工程，宜每柱布置勘探点。勘探点深度当基础底面以下土层厚度不大于独立基础宽度的3倍或条形基础的6倍，且具备形成土洞或其它地面变形条件时，应有部分或全部勘探点钻入基岩；当预定深度内有洞体存在，且可能影响地基稳定时，应钻入洞底基岩面下不少于2m，必要时圈定洞体范围。对重大建筑物基础勘探点深度应适当增加对大直径嵌岩粧，勘探点逐柱布置，勘探深度应不小于
21、粧底面下3倍粧径并不小于5m,当相邻柱底的基岩面起伏较大时应适当加深。为验证物探异常带布置的勘探点，一般应钻入异常带以下适当深度，但总深度可不大于30m。井探、槽探、洞探当钻探方法难以准确查明地下情况或基岩浅埋且岩性是控制因素时，可采用井探、槽探，主要用于查明浅部岩溶洞隙的形态、规模和发育状况，断层分布、岩组分界等；对大型工程，必要时可采用洞探。测试、试验和观测岩溶勘察的测试、试验和观测宜符合下列要求：追索隐伏洞隙的联系时，可进行连通试验；当评价洞隙稳定性时，可采取洞体顶板岩样和充填物土样做物理力学性质试验，必要时可进行现场顶板岩体的载荷试验。为了推测溶洞的形成和发育历史，尚可用热释光法测定钟
22、乳石的绝对年龄，用C14法测定洞中堆填物的绝对年龄。第5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、岩溶地基类型裸露型覆盖型掩埋型二、岩溶地基稳定性定性评价经验比拟法，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。地基稳定性的定性评价(1)当场地存在下列情况之一，可判定为未经处理不宜作为地基的不利地段：浅层洞体或溶洞群，洞径大，且不稳定的地段埋藏的漏斗、槽谷等，并覆盖有软弱土体的地段岩溶水排
23、泄不畅，可能暂时淹没的地段(2)当场地基属下列条件之一时，对二级和三级工程可不考虑岩溶稳定性的不利影响基础底面以下土层厚度大于独立基础宽度的3倍或条形基础宽度的6倍，且不具备形成土洞或其它地面变形的条件；基础底面与洞体顶板间土层厚度虽小于上面的规定，但符合下列情况之一时：(a)洞隙或岩溶漏斗被密实的沉积物填满且无被水充蚀的可能；(b)洞体由基本质量等级为I级或II级的岩体组成，顶板岩石厚度大于或等于洞跨；(c)洞体较小，基础底面尺寸大于洞的平面尺寸，并有足够的支承长度；(d)宽度或直径小于lm的竖向裂隙、落水洞近旁地段；(3)当不符合以上的条件，应进行洞体稳定性分析顶板不稳定，但洞内为密实堆积
24、物充填且无流水活动时，可认为堆填物受力，按不均勻地基进行评价；当能取得计算参数时，可将洞体顶板视为结构自承重体系进行力学分析；有工程经验的地区，可按类比法进行稳定性评价；在基础近旁有洞隙和临空面时，应验算向临空面倾覆或沿裂面滑移的可能；当地基为石膏、岩盐等易溶岩时，应考虑溶蚀继续作用的不利影响；对不稳定的岩溶洞隙可建议采用地基处理或桩基础。常用的地基稳定性评价方法，是一种经验比拟方法，仅适用于一般工程。其特点是根据已查明的地质条件、结合基底荷载情况，对影响溶洞稳定性的各种因素进行分析比较，作出稳定性评价。三、岩溶地基稳定性半定量评价 岩溶地基稳定性评价由于受条件限制，主要以半定量评价为主。对于
25、裸露型溶洞地基，溶洞的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、洞内充填物质情况、地下水运动及建筑物荷载大小、性质等有关。荷载传递交汇法溶洞顶板坍塌堵塞法塌落拱理论分析法覆盖型岩溶地基。覆盖型岩溶地基的评价，需同时考虑土洞的规模、形状和土洞地基上部建筑物的荷载情况岩溶地基处理措施1.换填、镶补、嵌塞或跨盖对于洞口较小的洞隙，挖除其中的软弱充填物，回填碎石、块石、素混凝土或灰土等，以增强地基的强度和完整性，必要时可跨盖。2.梁、板、拱等结构跨越对于洞口较大的洞隙，采用这些跨越结构，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的1.5倍，也可以辅以浆砌块石等堵塞措施。3.灌浆加固、清爆填塞4.洞底支承或调整柱距5.钻孔灌浆6.设置“褥垫”7.调整基础底面面积8.地下水排导
