地面沉降和地裂缝的评估与防治王兰生.ppt

地面沉降和地裂缝的 评估与防治,主讲： 王兰生,2004年4月,5.1.1 地面沉降与地裂缝及其危害 地面沉降与地裂缝作为地质灾害的一种灾种区别于崩塌滑坡，它是地面岩土体在自重应力场（或构造应力场的参与）条件下垂向变形破坏及向深部架空或潜在空间方向的运动。美国地质调查局（USGS）1999年出版的美国地面沉降研究报告中将地面沉降按引发的原因分为地下水开采型（Mining Ground Water-Introduction ）;土壤疏干型（Drainage of Organic Soils-Introduction）；和洞穴塌陷型（Collapsing Cavities-Introduction）三种类型。按成因机制地下水开采与土壤疏干属于同一类型，两者的区别前者是将地下水作为水资源开采，后者则是为了开垦湿地采取排水疏干，但两者均因下伏土层中地下水位的降落，有效应力的降低造成固结压密而引起地面沉降。这类地面沉降多为区域性的，在一定条件下随沉降伴生地裂缝。洞穴塌陷包括岩溶塌陷和地下采掘洞穴塌陷，塌陷的范围局限于洞穴和地下洞室的影响带。 （1）区域性地面沉降 （2）岩溶塌陷地面沉降 （3）地下采空区塌陷地面沉降,8.1 慨述,主要危害,（1）地面沉降及地裂缝会造成建筑物的直接破坏，如房屋、桥梁破裂跨塌，地下管道、通道的断裂和破损等。 （2）地面沉降可能造成近海和河流附近地面低于海潮或洪水警戒线而造成海潮和洪水袭击及海水倒灌恶化地下水质，造成土壤盐碱化等。 （3）地面沉降引起的地裂缝往往可成为地面污染源侵入深部地下水源的通道，造成水质污染。 （4）城市地下水位大面积，大幅度的降落，改变了地质体的热容量，可能会造成热岛现象，破坏了原有的生态环境。 （5）地裂缝常常可成为深部有害气体逸出地面的通道，尤其是氡气的超标，对人体的健康的危害是极为严重的。,8.11 地面沉降涵义及危害 1地面沉降的涵义 (1)广泛涵义：系指地壳表面在自然力作用下或人类经济活动影响下造成区域性的总体下降运动。其特点是以向下的垂直运动为主体，而只有少量或基本上没有水平向位移。其速度和沉降量值以及持续时间和范围均因具体诱发因素或地质环境的不同而异。 (2)工程涵义： 目前国内外工程界所研究的地面沉降主要是指由抽取液体(以地下水为主，也包括油、气)所引起的区域性地面沉降。我国岩土工程勘察规范中规定的：在较大面积(100km2以上)内由于抽取地下水引起水位下降或水压下降而造成的地面沉降。,2地面沉降的公害特点 地面沉降作为一项公害，其主要特点有： (1)一般发生得比较缓慢而难以明显感觉。 (2)一旦发生了地面沉降，即使不考虑产生地面沉降的原因，沉降了的地面是几乎不可能完全复原样。 3地面沉降给工农业生产，交通运输、城市建设和人民生活造成的危害和严重的经济损失，它使城市环境明显恶化，对农村农田的影响也较大，其具体环境灾害表现如下：,(1)沿海、沿江城区区域、潮水上岸，潮水可能漫溢市区，道路、工厂、商店及村庄、农田，经济损失严重。 (2)城市中，下水道排水不畅，降雨积水成灾，发生大面积内涝灾害，市区、农村遭受损失。 (3)河道桥下净空减少，过航能力降低，影响交通运输o (4)城镇区内，建筑物由于地面沉降影响会产生不均匀变形，危及稳定、安全。 (5)既有河、海堤坝或防汛墙，其防洪潮能力降低，致使城市抵御自然灾害的能力下降。 (6)港口码头失效，其作用功能降低。 (7)道路设施及地下管道遭受破坏。 (8)地下水取水设备失效。,82 区域性地面沉降 1区域性地面沉降的成因及主要类型 分为自然因素和人为因素两大类 (1)自然因素分析 1)新构造运动可使地面随基底面升降 以垂直升降为主的新构造运动可使地面随基底而升降。中国天津、西安和大同等城市66地面沉降均受到新构造运动的影响。例如，天津处于新华夏构造体系华北沉降带，长期以来缓慢下沉。 2)强烈地震对地面沉降的影响 强烈地震是新构造运动的一种突发事件，在短期内可引起变幅较大的区域性地面垂直变形。 另外，强震使软土地基震陷和古河道新近沉积土液化，也可造成局部地区的地面下沉。,3)海平面上升 海平面上升将导致地面的相对下降，如意大利威尼斯市海平面上升速度为127mm年，所引起的地面相对下沉约占该地区年平均沉降量的40。 另外全球气候的转暖，气温上升，必加速冰川消融，从而使海平面上升，地面相对下沉。 4)土层的天然固结欠固结土在其自重力的固结作用和正常固结土的次固结作用，将使土层压缩变形，进而引起地面沉降。,(2)人为因素原因 人类工程及经济活动的能力和强度与日俱增，其对地面沉降的影响通常已占主导地位，这类地面沉降现象，目前已成为重点。 影响地面沉降的人为因素包括：抽取地下气、液体，大面积地面堆载，固体矿产开采和诱发性岩溶塌陷等。 1)抽取地下气、液体的影响 因各种目的而进行的浅层疏干排水和抽取深层的气、液体，使地层内的气、液压降低，土粒间有效应力增加，地层压密，形成区域性碟形洼地。这种因抽取地下水而形成的地面沉降，是地面沉降现象中发育最普遍，危害性最严重的一类。,2)大面积地面堆载的影响 分布有巨厚的高压性淤泥和淤泥质土的低洼地区，随经济建设的开发，需在洼地上大面积堆填。其软土 在堆载(填土)荷重的作用下，产生一维压缩固结，可形成地区性的地面沉降。此类沉降，受场地软土的工程特性，层厚和堆载大小的控制，是构成滨海平原城市总地面沉降的一个组成部分，不可忽视。如天津市占地40km2的塘沽开发区及保税区，在盐池和滩涂上堆填l2m厚填土，因堆载荷重的影响，地面沉降量可达十余厘米。 8.2.3 地下水开采型地面沉降的形成机制 地下水经过抽水后会使地层压密，是由于含水层水位下降引起土层中孔隙水压力降低，颗粒间有效应力增加的缘故。因此，有效应力原理是抽水引起土层压密的基本原理。见图8.1。,图中p为土层的总压力，为抽水前的有效应力， 为抽水前的孔隙水压力，抽水前上述诸力处于平衡状态，即 （8.2.2.1) 抽水后随着水压下降了 ,土层中孔隙水压力随之下降，颗粒间浮托力减小，但由于抽水过程中土层的总压力基本保持不变，故此下降了 的值即转化为有效应力增量。 (8.22.2) 在大多数情况下，这种压密可以认为是一维的。压密的时间延滞将随土层的透水性而异。此压密过程一般仍近似采用Terzaghi的经典固结方程表示，即： （8.2.2.3）,8.2.3 地面沉降预测及估算方法 1预测地面沉降的前提条件 (1) 查明场地的工程地质，水文地质条件，划分压缩层和含水层。 (2)进行室内外测试，取得抽水压密试验，渗透试验、前期固结试验、流变试验、反复载荷试验等成果和沉降观测资料。 2，预测地面沉降量的估算方法 (1)分层总和法计算地面沉降量粘性土及粉土层按下式计算 （8.2.3.1）,砂层按下式计算 （8.2.3.2） 式中 土层最终沉降量(mm)； 压缩或回弹系数，压缩时为 ，回弹时 ( )； eo土层原始孔隙比； 由于地下水位变化施加于土层上的平均荷载(kPa)； H计算土层的厚度(mm)； E砂层的弹性模量，压缩时为 ，回弹时为 (kPa)。 总沉降量等于各土层沉降量的总和。,总沉降量等于各土层沉降量的总和。 (2)单位变形量法计算地面沉降量 1)基本假设：土层变形量与水位升降幅度及土层厚度之间都呈线性比例关系。 2)根据：以已有的地面沉降实际观测资料（在某一水位升降幅度及已知土层厚度条件下）为根据。 3)方法：一般可根据预测期前34年中的实测资料，计算土层在某一特定时段(水位上升或下降)内，含水层水头每变化lm时，其相应的变形量，称为单位变形量，可由 下式计算：,3地面沉降发展趋势的预测 在水位升降已经稳定不变的情况下，土层变形量与时间变化关系可用下式计算： （6.5.3.8） （6.5.3.9） 式中 St预测某时刻7个月以后土层变形量(mm)； U固结度，以小数表示； t时间(月)； N时间因素； Cv固结系数，压缩时为Cvc，回弹时为Cvs(mm2月)； H土层的计算厚度(mm)。 地面沉降量估算预测算例： (例1) 某城市地卞水下降速率为2ma，试问15年后，地面沉降将达多少米I举层资料及有关参数如下表6531所列。,(解) 按岩土工程勘察规范(GB5002194)推荐公式计算地面沉降量： 黏土层： 砂层： 总计地面沉降量 黏土12m，现地下水位地表下10m 粉细砂，15m 粉质黏土，27m。15年后水位地表下40m 细中砂，7m 粉质黏土，18m 黏质粉土，7m 页岩，50m,8.2.4 地面沉降地区的勘察评价方法 1. 地面沉降勘察主要内容 (1)对已发生地面沉降的地区 1)应查明地面沉降的原因和现状； 2）对地面沉降发展趋势作出预测； 3) 提出控制和治理方案。 (2)对可能发生地面沉降的地区 1)应结合资源评价预测发生地面沉降的可能性； 2)并对可能的沉降层位做出估计； 3)对沉降量进行计算，提出预防和控制地面沉降的建议 和措施。,2. 地面沉降原因的调查内容 (1)场地工程地质条件 1)场地的沉积环境和年代、地貌单元，并查明第四纪冲积、湖积和浅海相沉积的平原或盆地以及古河道、洼地、河间地块等微地貌。 2)第四系松散堆积物的岩性、厚度和埋藏条件，并查明硬土层和软弱压缩层的分布。必要时还可根据地层分布，划分出不同地面沉降地段的地质结构单元。 3)测定在最大取水深度范围内的可压缩层和含水导致变形特征。当地下水位升降频繁、幅度较大时，还可模拟水位升降变化进行土的反复载荷试验，并测定土的压缩与回弹特性。,(2)地下水埋藏条件 1)第四系含水层的水文地质条件，包括含水层的岩性、渗透性、单位涌水量、矿化度等。 2)地下水埋藏深度和承压性质，含水层间或地下水与地面水间的水力联系。 3)地下水的补给、径流、排泄条件及有关参数，隔水层越流的可能性。 (3)地下水动态 1)历年地下水的开采回灌量，开采的含水层、段，分析侧向补给的可能和水量及与总取水量的比例。 2)历年地下水位、水头的变化幅度和速率。 3)地下水位下降漏斗的形成和发展过程及回灌时地下水反漏斗的形成动态。,3地面沉降现状调查的要求 (1)地面沉降的长期观测： 设标：按不同的地面沉降结构单元体设置高程基标准、地面沉降和分层沉降标。 高程基准标指标是设立在不受排取地下水影响的地层上，用做衡量地面沉降基准的标点。 地面沉降标指的是用于观测地面沉降的地面水准点。 分层沉降标指的是用来观测某一土层沉降幅度的标点。 2)测量：进行精密水准测量时，其方法和要求应按国家水准测量规范中工、等级水准测量的规定执行。,(2)地下水动态观测 对地下水的水位升降，开采量和回灌量、化学成分、污染情况及孔隙水压力消散和增长情况观测。 (3)对已有建筑物的影响监测 调查地面沉降对建筑物的影响，包括建筑物的变形、倾斜、裂缝及发生时间和发展过程。 (4)场面沉降现状的分析 1)绘制不同时间的地面沉降等值线图，并分析地面沉降中心与地下水位漏斗的关系及地面回弹与地下水位反漏斗的关系。 2)分析地面沉降在时间、地点及地下水位开采、回灌等不同情况下的变化规律。 3)绘制以地面沉降为特征的工程地质分区图。 4地面沉降勘察阶段的划分 根据调查区有无明显的地面沉降现象，把地面沉降勘察划分为两个阶段。不同阶段的勘察工作，其目的任务、方法手段和工作内容也有所不同，见表6.5.4.1,5. 勘探网的布设和技术要求 (1)沿地面沉降或地下水降落漏斗的长、短轴方向布成纵贯沉降区的“十”字形主剖面；当沉降漏斗中心不止一处时，可布成“十十”或“井”形主剖面，其余地区按网状布孔。 (2)在主剖面线上的勘探点为孔组，由水文地质孔和工程地质孔组成，其中，工程地质孔在不同沉降量或不同地质结构地段可用于设置基岩标，分层标或孔隙水压力测点；水文地质孔在抽水试验后，留作地下水长期观测孔。 (3)勘探点间距，在乎剖面线上，勘探点间距为1000m，重点地段，如水平方向上地层结构变化较大或沉降量有较大差异的阶段。勘探点可适当加密；一般地区，孔距为3000m。 (4)孔深确定原则，控制孔应揭露基岩，当覆盖层较厚且下部土层强度高，沉降变形不明显时，工程地质孔可只达沉降层底板、水文地质孔可只达主要开采层的底板。,825 防止地面沉降的主要措施 1防止地面沉降措施 (1)已发生地面沉降的地区 基本措施是进行地下水资源管理及其整治方法有： 1)压缩地下水开采量，减少水位降深幅度。在地面沉降剧烈的情况下，应暂时停止开采地下水。 2)向含水层进行人工回灌，回灌时要严格控制回灌水源的水质标准，以防止地下水被污染。并要根据地面沉降规律，制定合理的采灌方案。 3)调整地下水开采层次，进行合理开采，适当开采更深层的地下水。,(2)可能发生的地面沉降的地区 基本措施是预测地面沉降的可能性及其危害程度，防治方法有： 1)估算沉降量，并预测其发展趋势。 2)结合水资源评价，研究确定地下水资源的合理开采方案。在最小的地面沉降量条件下抽取最大可能的地下水开采量。 3)采取适当的建筑保护措施，如避免在沉降中心或严重沉降地区建设一级建筑物，在进行房屋道路、管道、堤坝、水井等规划设计时，预先对可能发生的地面沉降量作充分考虑。,3控制地面沉降的对策与措施 控制地面沉降，针对引起沉降的主要原因，分别采取不同的控制沉降的措施： (1)在地面沉降主要由新构造运动或海平面相对上升而引起的地区，应根据地面沉降或海面上升速率和使用年限等，采取预留标高措施。 (2)在古河道新近沉积分布区，对可发生地震液化塌陷地带，可采取挤密碎石桩，强夯或固化液化层等工程措施。 (3)在欠固结土分布和厚层软土上大面积回填堆载地区，可采用强夯、真空预压或固化软土等措施。 (4)对因过量开采地下水而引起的地面沉降，则应采取控制地下水开采量，调整开采层次，开展人工回灌，开辟新的供水水源等综合措施。,8.3 地裂缝 8.3.1.概述 地裂缝是对中国一大批城镇经济建设和人民生命财产造成不同程度危害的地质灾害之一。 地裂缝成因比较复杂，有构造成因的，也有过量抽取地下水引起的，也可能由黄土潜蚀作用造成，也有混合成因的。由于地球进入一个新的地壳构造运动活跃期，大部分构造作用形成的地裂缝的活动可能会加剧。中国城镇地裂缝的形成常与地震或活动断裂等有关。据了解全国有12个省、市、区的200多个县市有4处较大的地裂缝。最严重、最典型的是西安市。在市、郊区150k范围内，形成近平行、等距出现的北东东向地裂缝10条，建筑物遭受不同程度的破坏。 地面裂缝各式各样，工程上要研究的是因各种原因在地表面产生一定规模的裂缝，它具有一定的长度、宽度和深度，具有一定的力学性质和规律的几何形体特征，活动性的还具有一定的位移形变，对工程建筑有破坏作用，统称为地裂缝。,8.3.2.地裂缝的分类 地裂缝按成因和对工程建筑的危害程度可以分为四类(见表6.5.6.1)：,地裂缝除重力裂缝外，凡属构造性地裂缝都有三向变形位移，即垂直沉降(倾滑)、水平张裂、水平扭动(顺扭或反扭)。三向变形中在不同的地裂缝有不同的比值，地震裂缝以水平扭动为主，次为倾滑量，张裂量最小；构造地裂缝有的以水平位移为主，有的以倾滑为主；城市地裂缝以沉降为主，张裂次之，水平扭动量最小。地裂缝运动机制是以长期蠕滑运动为主，但也间有短期黏滑机制。地裂缝有周期性，有活动高潮期，也有活动间歇期，其活动速率有显著的差异。其中城市地裂缝由于受环境工程地质条件变化的影响；其活动性呈现有季节性周期变化，冬季活动速率大，夏季小，多呈现一年一周期。 一个地区的地裂缝，不同的地裂缝有不同的活动速率，同一条地裂缝各段的活动速率有显著差别，可以分区分段进行评价。 地裂缝活动的今后发展趋势主要是两端沿走向方向扩展破裂延伸，横向破裂不明显。,8.3.3地裂缝场地勘察 (1)地裂缝场地勘察 1)勘察目的 查明拟建场地及其附近地裂缝分布：出露位置、走向、产状；地裂缝活动规律性；地裂缝成因；地裂缝与断裂构造的关系；工程评价与治理措施。 2)勘察内容 调查已有建筑物受地裂缝的影响程度、建筑物破坏现状、破坏形式；调查环境，工程地质条件，包括采空区、水库蓄水、区域性地下水位变化等；查明地裂缝分布特征，主次地裂缝的产状、组合关系，下延深度，断距、充填情况等；查明隐伏地裂缝的位置和隐伏深度。,3)勘察方法与要求 a通过现场调查与探井、，探槽揭露地裂缝在平面上的分布及垂直剖面上的分布规律与发育情况。 b利用钻孔(不少于3个钻孔)确定地裂缝的倾向、倾角。 c对隐伏地裂缝，有一定断距的情况下，可布置较密集的钻孔，在有断陡处即为地裂缝位置，但此法在断距较大时才适用，断距较小时易与地层倾斜相混淆。因此在可能条件下常与探井相配合使用； d.对查明陷伏地裂缝的位置及隐伏深度，还可采用以电法为主的综合物探方法。,8.3.4地裂缝的工程评价 (1)地裂缝破坏建筑物的机理与性状 地裂缝有三向位移形变，建筑物遭受其破坏主要因素是位移量最大的形变。对地震裂缝主要是水平扭动位移；对构造地裂缝可能是沿走向的水平的滑移，也可能是沿倾向的滑移；对城市地裂缝主要因素是垂直的差异沉降。例如西安地裂缝的年平均差异沉降为15.85mma，三倍于水平拉张，十二倍于水平左旋扭动，对建筑物的主要破坏力是差异沉降，其次是水平拉张，年扭动量很小，很长历史时期才能看到它的破坏形迹，水平扭动不是破坏建筑物主要应力。,地裂缝破坏建筑物有三个主要特征：建筑物上的破裂缝有很强的方向性，基本上沿着地裂缝的走向破裂；破裂变形缝连续性好，在走向方向上延伸相当长的距离；建筑物上的破裂形迹多为斜裂缝，与地下的地裂缝产状呈镜像构造关系。例如西安地裂缝是南倾南降的正断层运动，它穿过南北向墙体时，建筑物上裂缝倾向北，穿过东西向墙体时，建筑物上裂缝倾向西，只有当墙体与地裂缝平行时，才会在墙体的下缘或上缘出现水平裂缝。当地裂缝穿过耕地、地坪、马路时表现为一条有一定落差的张裂缝，或呈有一定宽度陡倾斜的破碎带。根据这些特征来和黄土湿陷、不均匀沉降等的局部的重力形变裂缝相区别。,(2)地裂缝建筑安全距离的确定 除重力地裂缝外，其余地裂缝都属构造成因，或构造因素与环境工程地质条件改变的复合成因。有三向变形，变形量较大，当代建筑水平还不能有效抵抗它的变形，因此各类建筑物不能跨越其上，必须避开地裂缝一定的距离，不致受它的活动变形的影响，才能保证建筑物的安全。这个避开的距离称建筑安全距离。所以地裂缝场地的工程评价与工程措施的关键是选定合理的安全距离。 地震地裂缝是地震断层的一种，建筑安全距离主要是防止地表位错的问题。 构造地裂缝可参照城市地裂缝的安全距离进行评价。,城市地裂缝的建筑安全距离在西安市已有丰富的经验，已制订出省级标准，在城市建筑与工程建筑中已执行多年，收到实际效果。 地裂缝的建筑安全距离是根据地裂缝活动影口向带宽度决定的。根据多年来的宏观调查、实地开挖揭露、精密水准监测，发现地裂缝的活动变形带是不宽的，只需要采用小的建筑安全距离，即可保证建筑物的安全。例如西安地裂缝的主变形区为7m，平均最大影响宽度为13.33m，详见表6.5.6.2。,8.3.5 区域性地面沉降的防治原则,84 采 空 区 复习要点： 了解采空区的危害； 了解采空区地表移动规律及特征； 了解采空区地表移动和变形的预测； 掌握采空区的勘察评价原则和处理措施。,8.4.1 慨述 地下矿层采空后形成的空间称为采空区，由此采空区上方覆盖的岩层将失去支撑，原来的平衡条件将被破坏，致使上方岩层产生移动变形，直到破坏塌落，最后导致地表各类建筑物(包括线路、桥涵等)变形破坏，甚至倒塌，另外也会使地表大面积下沉，凹陷，破坏农村中大片农田。 8.4.2 采空区分类 1老采空区：已停止开采的采空区。或开采已达充分采动(充分采动指地表移动盆地已形成平底)，盆地内的各种变形已经稳定的采空区。 2现采空区：正在开采的采空区，开采未达充分采动，即地表移动盆地呈尖底状，盆内各种变形仍在继续发展的采空区。 3未来采空区：计划开采而尚未开采矿层，预计将形成的采空区。,8.4.3 采空区上部岩层变形的垂直分带 矿层采空后，顶板岩层的移动变形因岩层性质和开采条件不同，变形的表现形式，分布状态和程度亦不相同，一般可将其垂直方向的变形分为3个带： 1冒落带：直接位于采空区上方的顶板岩层，在自重及上覆岩层重力作用下，移动变形很大，所受应力大大超过本身强度，使岩层断裂破碎塌落，堆积于采空区，已塌落部分称冒落带。 2，裂隙带：冒落带上部的岩层在重力作用下，移动变形较大，所受应力超过本身强度，岩层产生裂隙或断裂，但尚未塌落，而形成的裂隙带。 3弯曲带：裂隙带上部的岩层在重力作用下，变形较小，所受应力尚未超过其本身强度，未产生裂隙，仅出现连续平缓的弯曲变形，称弯曲带，此带岩层的整体性未遭破坏。 上述3个带的形成主要取决于矿层的赋存条件，开采和顶板管理方法以及岩层性质等。,8.4.4.采空区地表移动规律及特征 1地表变形的特征： 地下矿层大面积采空后，上部岩层失去支撑，产生移动变形，原有平衡条件被破坏，随之产生弯曲，塌落，以致发展到使地表下沉变形。地表变形开始成凹陷盆地，此盆地称为移动盆地。如图6441所示移动盆地形状。 移动盆地的面积一般比采空区面积大，其位置和形状与岩层的倾角大小有关；矿层倾角平缓时，盆地位于采空区的正上方，形状对称于采空区；矿层倾角较大时，盆地在沿矿层走向方向仍对称于采空区，而沿倾斜方向随着倾角的增大，盆地中心愈向倾斜的方向偏移。 采空区上方岩层变形的不断扩大而向上发展，并往往波及到地表，使地表产生移动变形。地表变形一般具有下列特征。,(1)连续的地表变形：变形在空间和时间上是连续发生的，开始地表形成凹地，随着采空区不断扩大，凹地不断扩展而成凹陷盆地即移动盆地，连续的地表变形常形成较规则的移动盆地。 (2)不连续的地表变形：变形在空间和时间上都不连续，地表不出现较规则的盆地，而常出现塌陷坑，台阶以及不规则的大裂缝等。 当开采深度小而开采厚度较大，或有地质构造等影响，以及急倾斜矿层开采时，都会产生不连续的地表变形。 (3)不明显的地表变形：地表变形不明显，仅有少量地面下沉或小裂缝，对地表建筑物不产生明显影响。,2地表移动盆地的分区根据地表变形值的大小和变形特征， 自移动盆地中心向边缘分为3个区： (1)均匀下沉区(中间区)：即盆地中心的平底部分，当盆地尚未形成平底时，该区即不存在，区内地表下沉均匀，地面平坦，一般无明显裂缝。 (2)移动区(又称内边缘区或危险变形区)：区内地表变形不均匀，变形种类较多，对建筑物破坏作用较大，如地表出现裂缝时，又称为裂缝区。 (3)轻微变形区(外边缘区)：地表的变形值较小，一般对建筑不起损坏作用。该区与移动区的分界，一般是以建筑物的容许值来划分，其外围边界，即移动盆地的最外边界，实际上难以确定，一般是以地表下沉值10mm为标准来划分的。,3地表变形的分类 为便于对于地表进行分析研究，将地表变形分为2种移动和3种变形。2种移动是： 垂直移动(下沉)和水平移动；3种变形是：倾斜、弯曲(曲率)和水平变形(伸张或压，缩)。下面取一主断面分析各类变形的情况，见图8.3，图8.4。 设A、B为主断面上未移动的两点，A、B为移动终止后的相应位置，L为A、B两点间的距离，由图8.3可知：,又如图8.4所示，设A、B、C为主断面上未移动前的3点， 为移动终止后的相应位置，由图得知： AB段倾斜： 中点 处的倾斜。 BC段的倾斜： 中点 处的倾斜。 两处的倾斜差i，除以1、2两点间的间距 ，即得平均的倾斜变化，并以此为平均曲率，则B点的曲率 为： （6.4.4.5）,4.影响地表变形的因素 (1)矿层因素 1)矿层埋深愈大(即开采深度愈大)，变形扩展到地表所需的时间愈长，地表变形值愈小，变形比较平缓均匀，但地表移动盆地的范围增大。 2)矿层厚度大，采空的空间大，会促使地表的变形值增大。 3)矿层倾角大时，使水平移动值增大，地表出现裂缝的可能性加大，盆地和采空区的位置更不相对应。,(2)岩性因素 1)上覆岩层强度高、分层厚度大时，地表变形所需采空面积要大，破坏过程所需时间长，厚度大的坚硬岩层，甚至长期不产生地表变形。强度低、分层薄的岩层，常产生较大的地表变形，且速度快，但变形均匀，地表一般不出现裂缝。脆性岩层地表易产生裂缝。 2)厚的、塑性大的软弱岩层，覆盖于硬脆的岩层上时，后者产生破坏会被前者缓冲或掩盖，使地表变形平缓；反之，上覆软弱岩层较薄，则地表变形会很快，并出现裂缝。岩层软硬相间、且倾角较陡时，接触处常出现离层现象。 3)地表第四系堆积物愈厚，则地表变形值增大，但变形平缓均匀。,(3)地质构造因素 1)岩层节理裂隙发育，会促进变形加快，增大变形范围，扩大地表裂缝区。 2)断层会破坏地表移动的正常规律，改变移动盆地的大小和位置，断层带上的地表变形更加剧烈。 (4)地下水因素 地下水活动(特别是对抗水性弱的岩层)会加快变形速度，扩大变形范围，增大地表变形值。 (5)开采条件因素 矿层开采和顶板处置的方法以及采空区的大小、形状、工作面推进速度等,均影响着地表变形值、变形速度和变形的形式。以房柱式及条带式开采和全部充填法处置顶板，地表变形影响较小。,8.4.5 采空区地表变形预测计算方法 对现采空区和未来采空区应通过计算预测地表移动和变形的特征值。 (1)对于缓倾斜(倾角小于25)矿层地表移动和变形预测，可按表8.6所列公式计算。 (2)矿层倾角近于水平或缓倾斜且开采达充分采动时，最大变形值的计算式如表6452所列。,8.4.6 采空区的勘察工作 大面积采空区的工程地质勘察工作，主要是搜集资料，变形调查和变形的观测，必要时辅以物探、钻探工作。 1搜集资料 一般大面积采空区均做过矿山地质勘探工作，有大量资料可供搜集利用，需搜集的资料有： (1)各种地质图，借以了解地层构成、产状和构造，以及地下水条件等。 (2)矿床分布图，以了解矿层的分布、层数、厚度、深度和埋藏特征。 (3)搜集采空区的位置和尺寸，开采时间、开采办法、顶板处置方法以及矿层开采的远景规划资料。 (4)收集地表变形和有关变形的观测、计算资料，如：地表最大下沉值，最大倾斜值、最小曲率半径等。 (5)已有建筑物的变形观测资料和建筑物的加固处理措施。 (6)了解采空区附近的抽水情况，以及抽水对采空区的影响情况。,2变形调查和观测 (1)调查地表和建筑物变形的特征和分布规律，如：地表塌陷坑、台阶和裂缝的分布规律、形状、宽度、深度以及它们地质构造(岩层产状、主要节理、断层)，开采边界，工作面推进方面等的关系。 (2)调查地表移动盆地的特征，划分均匀下沉区，移动区和轻微变形区。 (3)变形观测按下列原则进行 1)观测线宜平行和垂直矿层走向成直线布置，其长度应超过移动盆地的范围。 2)平行矿层走向的观测线，应有一条布置在最大下沉值的位置；垂直矿层走向酌观； 测线，一般不应少于2条。 3)观测线上观测点的间距，应大致相等，并根据开采深度按表6.461确定,5)在观测地表变形的同时，应观测地表裂缝、陷坑、台阶的发展和建筑物的变形等情况。 (4)观测资料整理： 1)绘制下沉曲线，下沉等值线图，水平变形分布图等。 2)根据有关变形值划分地表变形区的范围，如：根据建筑物对地表变形的容许极限值，确定移动区的范围，根据地表下沉lOmm的下沉值，确定轻微移动区即移动盆地的范围。 3)计算盆地内有关地点的地表下沉，倾斜、曲率和移动值。 4)对正在开采和将开采的采空区，应预算其最大变形值。对缓倾斜岩层或地表变形平缓连续时，可采用表810所列公式计算最大变形值：,注：表6463各式中： q下沉系数(mmm)，与矿层倾角大小、开采方法和顶板处置方法有关，一般取001095； m矿层开采厚度(m)；,r主要影响半径(m)， H开采深度(m)； 移动角( )，tan一般为1.52.5； b水平移动系数，取025035。,6.4.7 采空区的勘察评价原则 采空区勘察应分别查明老采空区上覆岩层的稳定性，预测现采空区和未来采空区地表动变形的特征和规律性：并判定其作为建筑场地的适宜性和对建筑物的危害性。 一般大面积采空区均做过较详细的矿山地质勘探工作，有充分的资料可供利用，因此采区的岩土工程勘察工作，主要是搜集资料，进行地表和建筑物变形的调查和观测工作。 1采空区场地建筑适宜性评价 采空区场地的建筑适宜性评价应根据开采情况，地表移动盆地特征和地表移动，变形，太小划分为不宜建筑场地，相对稳定场地，可以建筑场地，并应符合下列条件：,(1)下列地段不宜作为建筑场地 1)在开采过程中可能出现非连续变形的地段。 2)地表移动活跃的地段。 3)特厚煤层(矿层)和倾角大于55的厚煤层(矿层)露天地段。 4)由于地表移动和变形引起边坡失稳和山崖崩塌的地段。 5)地下水位埋深小于建筑物可能下沉量与基础埋深之和的地段。 6)地表倾斜大于10mmm或地表水平变形大于6mmm的地段。 (2)下列地段作为建筑场地时，应评价其适宜性 1)采深采厚比小于30的地段。 2)采深小，上覆岩层极坚硬并采用非正规开采方法的地段。 3)地表倾斜为310mmm，地表曲率为0.210-30610-3m或地表水平变形为26mmm的地段。,2小窑采空区的勘察和稳定性评价 (1)小窑采空区一般采空范围较窄，开采深度浅，采空区一般分布无规律或呈网格状，大多不支撑或临时支撑，任其自由塌落，其他表变形特征为： 1)由于采空区范围较窄，地表不出现移动盆地，但由于开采深度浅，顶板又任其自由塌落，故地表变形剧烈，多产生较大裂缝，陷坑。 2)地表裂缝分布常与开采工作面的推进方向平行，并随开采工作面的推进，裂缝不断向前发展。 (2)小窑采空区勘察工作 通过收集资料，调查访问和物探，钻探等工作以查明： 1)矿层的分布范围，开采和停采时间，开采深度、厚度和开采方法，主巷道的位置、大小和塌落、支撑、回填、充水情况，以及开采计划和规划等。 2）地表陷坑，裂缝的位置、形状大小、隧道、延伸方向及其与采空区和地质构造的关系。 3)采空区附近的工农业抽水和水利工程建设及其对采空区的影响。,(3)场地稳定性评价及处理措施 1)地表产生裂缝和塌陷地段，属于不稳定地段，不适于建筑。在附近建筑时，需有一定的安全距离，安全距离的大小视建筑物的性质而定，一般应大于515m。 2)当建筑物已建在影响范围内时，可按下式验算地基的稳定性。设建筑物基底单位压力为户。则作用在采空段顶板上的压力Q为： （8.4.7.1） 式中 G巷道单位长度顶板上岩层所受的总重力(kNm)G=BH； B巷道宽度(m)； f巷道单位长度侧壁的摩阻力(kNm)； H巷道顶板的埋藏深度(m)。,当H增大到某一深度，使顶板岩层恰好保持自然平衡； (即Q=0)，此时H称为临界深度Ho，则 （8.4.7.2） 当H15Ho时，地基稳定。 3)小窑采空区的处理措施有： 回填或压力灌浆，回填材料一般用毛石混凝土或粉煤灰。 加强建筑物基础及上部结构刚度。,648 采空区的一般处理措施 1有以下几种顶板及采空区处理方法： (1)全部垮落法 (2)带状充填法(外来材料) (3)矸石自溜充填法 (4)干式全部充填法 (5)风力和机械干式充填法 (6)水力矸石充填法 (7)水砂充填法 (8)冒落条带开采法 (9)水砂充填条带开采法 (10)充填条带开采法 (11)混凝土充填,2防止地表和建筑物变形的措施 (1)开采工艺方面的措施 1)采用充填法处置顶板，及时全部充填或两次充填，以减少地表下沉量。 2)减少开采厚度，或采用条带法开采，使地表变形不超过建筑物的容许极限值。 3)增大采空区宽度，使地表移动充分 4)控制开采的推进速度均匀，合理进行协调开采。 (2)建筑物设计方面的措施 1)建筑物长轴应垂直工作面的推进方向。 2)建筑物平面形状应力求简单，以矩形为宜。 3）基础底部应位于同一标高和岩性均一的地层上，否则应用沉绛缝分开。当基础埋深不一致时，应采用台阶，不宜采用柱廊和独立柱。 4)加强基础刚度和上部结构强度，在结构薄弱处更应加强。,6.4.9 思考与选择题 (1)采空区是如何分类的? (2)采空区地表变形一般具有几种特征？ (3)采空区上方地表最终移动盆地的特征是怎样的? (4)采空区上部岩层共分哪几个带? (5)采空区上部地表移动盆地的三个分区是如何划分的? (6)地表变形中所划分的移动和变形类型中，如何计算下沉、水平移动、倾斜、曲率、水平变形? (7)影响地表变形的因素有哪几方面内容? (8)采空区地质勘察工作主要有哪些内容? (9)采空区场地建筑的适宜性评价原则有哪几方面内容? (10)小窑采区勘察工作有哪几项? (11)采空区顶板及采空区处理方法主要有哪些? (12)采空区上方及附近建筑物设计方面应注意采取的措施有哪几方面?,8.5. 岩溶与土洞（岩溶塌陷）,复习要点： 了解岩溶与土洞的发育条件和规律；了解岩溶的类型与形态； 了解岩溶与土洞的塌陷机理；掌握岩溶地区不同勘察阶段的勘察评价方法；掌握岩溶与土洞的处理方法。,1.1 定义,岩溶 岩溶(喀斯特)是可溶性岩石在水的溶(侵)蚀作用下，产生的各种地质作用、形态和现象的总称。可溶岩包括碳酸盐类岩石以及石膏、岩盐、芒硝等其他可溶性岩石。就岩溶对工程危害而言，由于石膏、岩盐等易溶岩的溶解速度大，因此，岩土工程评价中不但要评价其现状，更要着眼于工程有效使用期限内溶蚀作用继续对工程的影响。由于碳酸盐类岩石在我国各类可溶岩中，分布范围占有绝对优势，因此应主要掌握碳酸盐类岩石中的岩溶问题。 土洞（岩溶塌陷） 土洞是在有覆盖土的岩溶发育区，其特定的水文地质条件，使岩面以上的土体遭到流失迁移而形成土中的洞穴和洞内塌落堆积物以及引发地面变形破坏的总称。土洞是岩溶的 一种特殊形态，是岩溶范畴内的一种不良地质现象，由于发育速度快、分布密，对工程的影响有时甚至大于岩洞。,1.2 发育条件与规律,岩溶的发育条件: (1)具有可溶性岩层； (2)具有溶解能力（含）和足够流量的水 (3)地表水有下渗，地下水有流动的途径。 三者缺一不可。,岩溶发育的基本规律 (1)在不同成分岩性、组织结构与层厚的岩体中，岩溶发育具有明显的分选性。厚层、质纯、粒粗的石灰岩中，发育强烈，洞体规模大；随组分中杂质(硅铝等)含量增加、层理变薄，结构致密而发育程度渐弱，规模渐小。当不同岩性倾斜成层时，岩溶在平面上呈带状分布，与非(弱)可溶岩接触处，岩溶较为发育。 (2)岩体中各类结构面是岩溶发育的温床。各种成因的宽大裂隙是岩溶水流动的集中通道，是岩溶发育的有利场所。地质构造线往往决定了岩溶水的流动趋向，也控制了岩溶发育的延伸方向，在2组或2组以上裂隙交接处岩溶尤为发育，且个体规模较大。 (3)河流水系是内陆岩溶区岩溶水的排泄基准面和归宿。岩溶形态在垂直河谷方向上具有分带性，在横剖面方向上，由河谷向分水岭过渡，岩溶形态具有如下分布规律：在深切河谷，落水洞数量向分水岭方向渐少，深度也较浅；洼地平缓河床则增加；在切割不深的河流近旁，向河排泄的暗流发育规模大且水流集中，向外侧则渐小且分散。 (4)水平状洞穴系统在竖向分布上具有成层性。某一高程水平的洞穴与既定的排水基准相适应，两者高程相当，水平洞穴是这一基准面岩溶水长期作用的结果。地壳或基准面升降，也可以出现数级水平洞穴，其发育程度及规模与地壳、基准面相对稳定时间有关。 (5)岩溶发育程度与规模总的规律有向深处减弱、渐小的趋势。 (6)岩溶水运动，有集中的管状流和分散的网状流等形式，其动态具有明显的季节变化，雨季时，在山麓地段或正常通道受阻处，可产生较大的动水压力。,土洞的发育条件与规律 土洞或地表塌陷的形成和发展，受到区域地质构迭、水文地质、 岩溶发育、地表排水以及人为改变地下水动力条件等诸因素的影响。其中，土、岩溶与水的活动是必不可少的条件。由于各地区内外因条件的差异，决定了土洞发展的不均性。 (1)与土质和土厚的关系 土洞多发育于黏性土中，在砂土及碎石土中比较少见。土质厚薄对土洞的形成、由土洞发展到地表塌陷所需的时间以及塌陷形成后的断面形状都有一定影响。 (2)与基岩中岩溶发育的关系 ， 土洞是岩溶作用的产物，因此它的分布同样受到决定岩溶发育的岩性、岩溶水、地质构造等因素的控制 (3)与水的关系 水是形成土洞的外因和动力。,1.3 岩溶类型与形态,不同气候环境下的岩溶形态组合标志,14 岩溶与土洞塌陷机理,岩溶塌陷一般系为岩溶地区土层中的塌陷、岩溶基岩中的塌陷和上覆土层同下伏基岩一起坍塌的塌陷的统称。在覆盖型岩溶地区，由于土层中土洞的发展，导致地面陷落而产生地表变形和破坏所形成的负地形，称为岩溶塌陷。,土洞形成的基本条件是： (1)基岩的岩溶发育程度 (2)土层的性质 (3)地下水的活动特征,岩溶塌陷虽有突发性，但其前身的土洞，是在某些因素作用下，多数是长期发育而形成的。因而，对土洞的调查、勘探、治理和预报是岩溶塌陷区重要的岩土工程工作之一。 覆盖型岩溶地区的岩溶塌陷是由覆盖层中的土洞发展而发生的，见图6141。 自然的因素是长期地和经常地通过影响地下水的水质、水量、水力来溶蚀可溶岩、潜蚀土层而孕育、发展土洞的；人为的因素则通过这些作用加速土洞的发展，加强塌陷的规， 模，加剧塌陷的危害。,土洞（岩溶塌陷）形成的基本条件是： 1基岩的岩溶发育程度 岩溶塌陷处下伏基岩的岩溶发育程度是强烈的，而岩溶发育程度弱的地段则塌陷少见。岩溶塌陷主要是与浅部岩溶发育程度密切相关。 浅部岩溶是指基岩表面的溶芽和溶沟槽部分，和低基岩面以下约10m范围内的洞穴或溶隙发育段。可用钻探、物探等方法测量。基岩面的起伏程度，可用单位面积的溶沟槽数量、基岩面埋深的均方差来表征。 2土层的性质 土层是土洞形成和塌陷发生的物质基础。土层的成因类型、矿物成分、岩性、颗粒成分、结构构造、物理力学性质、水理性质、状态、厚度等，影响着土洞的形成和发展的快慢，土层的厚度，还控制或影响塌陷的形态与规模。,3地下水的活动特征 地下水的活动是土洞的形成、发展，以致破坏的最活跃的因素。特别是水位在基岩上下波动的幅度和频度，对崩解和搬运土粒和流土。的速度有重要作用。地下水的活动还改变土的含水量、塑性状态或因湿胀干缩而出现裂隙等。 615 岩溶地区勘察评价方法 ， 1勘察工作要点 各阶段岩溶地区建筑岩土工程勘察要求与方法见表6.1.5.1。,2测试和观测要求 (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作物理、力学试验。必要时可进行现场顶板岩体的载荷试验； (3)顶板为易风化或软弱岩石时，可进行抗风化试验； (4)当需查明土的性状与土洞形成的关系时，可进行湿化、胀缩、可溶性及剪切试 验； (5)查明地下水动力条件和潜蚀作用，地表水与地下水的联系，对预测土洞、地表塌陷的发生和发展时，可进行水位、流速、流向及水质的长期观测。,3.岩土工程评价 岩溶评价可分为建筑区场地稳定性评价与地基范围内个体岩溶形态评价两部分，建筑区场地稳定性评价即在较大范围内，按岩溶发育强度在乎面上区划出对建筑稳定性不同影响的分区，作为场地选择、建筑总平面布置的依据。而对地基稳定分析所及深度内，单个 岩溶形态(主要指洞隙空间)的稳定评价可分为定性和半定量两种方法，当前使用较广的仍然是以定性的方法为主。,(1)场地宏观评价 在岩溶场地宏观分区评价时，可参照岩溶的基本特征与规律，考虑下列各点： 1)场地上主要建筑物的位置尽量避开岩溶发育强烈地段，宜选择在非(弱厂可溶岩分布的地段上。 2)从岩溶对建筑稳定性和适宜性出发，在总平面布局上，使各类安全等级建筑物的布置与岩溶发育程度分区相适应。 3)当地形条件受限或生产工艺流程必须在稳定性条件较差的地段布置建筑物时，宜使建筑长轴方向与岩溶发育带方向垂直或斜交，以减少工程处理工作面。 4)场地地坪设计标高的确定，有条件时宜使建筑物基底与某一水平岩溶洞隙带之间保持一定距离，或使其能在土石方施工时被开挖揭露。 5)避开岩溶水位高又是集中流动的地带，避免基础及地下构筑物拦堵地下水的正常 流泄，尤其是场地为狭长的沟谷和近似封闭的洼地时，更要充分估计水的季节性动态变化 的不良影响。 以上原则对土洞发育区同样适用,(2)岩溶地基的定性评价 定性评价是一种经验的比拟方法，简便易行，但在使用中又具有明显的随意性，评价结果往往是因人(经验水平)而异，但若能据影响稳定评价的各项因素进行充分地综合分析，并能在勘察与工程实践中不断验证修订，仍可得出中肯的正确结论。定性评价可参照下列方法进行： 1)根据洞隙的各项边界条件，对比表6152所列影响洞体稳定谱因素综合分析，做出评价。 2)按被评价洞隙的条件，与当地相同条件的已有成功与失败工程实例进行比拟评价。在已有的工程中，曾见到一些基底下埋藏有各类形态和尺寸洞隙的建筑物，它们大多未经处理至今完好无恙。许多实例说明，岩体中虽有洞隙存在，但仍可将其作为天然地基或稍加处理。 3)据已有调查实例的归纳及工程实践的经验总结，岩溶洞隙稳定性评价还可作如下考虑。,对于非重大或安全等级属二、三类的建筑物，当属下列条件之一者，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响； a基础置于微风化硬质岩石上，延伸虽长但宽度小(如12m内)的竖向溶蚀裂隙和落水洞的近旁地段； b基底以下的土层厚度较大，如独立基础大于3倍基宽，条基大于6倍基宽且场地不具形成土洞的条件；,c虽基底与洞体顶板间土层厚度小于所列，但岩溶条件符合下列条件之一时也可不考虑： a)洞体被密实沉积物填实，且无被水冲蚀的可能； b)洞径或溶隙宽度较小，基础底面积大于其平面投影尺寸，并有足够支承长度； c)微风化硬质岩石中，洞顶板厚度接近或大于洞跨。 当遇下列情况之一时，未经进一步论证分析或妥善处理，不宜作为建筑物天然地基：,a.岩溶水通道堵塞或涌水，有可能造成场地暂时性淹没； b.高浓度酸性生产废水流经岩溶通道的地段； c凡以上定性评价或经岩土工程勘察鉴定属不稳定或处于临界状态的岩溶洞隙。 当自然或洞体条件难于直接做出评价时，其稳定性可借助半定量的一些方法进行评价。,(3)岩溶地基的半定量评价 当前虽有一些对洞体稳定评价的定量方法，但是，洞体受力状况、围岩应力场的演变十分复杂，要确定洞体破坏的形式和取得符合实际的岩体力学参数又很困难，兼之受到探测手段的局限，很难查清洞体与围岩的边界条件与性能指标。因此，定量方法难以在工程实践中应用，半定量的评价方法较为实用，但目前尚属摸索提高的阶段。兹介绍几