（土木工程专业论文）唐山市体育中心岩溶塌陷地质灾害治理研究.pdf

中文摘要 岩溶坍塌是我国主要的地质灾害之一，由于其发生和发展很复杂、其治理 和检测难度大，所以查清并详细研究其产生的原因和治理措施具有现实意义。本 文根据工程实践，通过对现有岩溶塌陷地区的水文地质特征、岩土工程地质特征、 岩溶塌陷的作用机理等深入分析与研究，总结和探索出岩溶的准确分布的判定方 法、对岩溶发展的预测方法、先进的物探技术于岩溶范围探测中的尝试、地下水 径流通道判断经验、岩溶塌陷与地层结构的关系、有害溶洞的分布深度规律的合 理判定等一系列经验；提出并实践了岩溶坍塌治理应采取综合治理、综合检测的 方法；建立了岩溶塌陷的影响范围和危害程度的综合评价体系。同时解决了唐山 市体育中心岩溶塌陷地质灾害造成的危害，为当地岩溶塌陷地质灾害的治理探索 出了经验。 关键词：岩溶塌陷 综合治理综合检测评价体系 2 a b s t e a c t k a r s ts u b s i d e n c ei so n eo f t h em a i ng e o l o g i ch a z a r di nc h i n a i t so c c u r r e n c ea n d d e v e l o p m e n ta r ec o m p l i c a t e d ，a n di t sf a t h e r i n ga n dd e t e c t i n ga r em u c hd i m c u l tt o o t h e r e f o r ei ti so fr e a l i s t i cm e a n i n gt h a tt h er e a s o n so fi t so c c u r r e n c ea n dt r e a t m e n t m e a s u r e sa r ei n v e s t i g a t e da n dr e s e a r c h e di nd e t a i l b a s e do ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h eh y d r o g e o l o g i cf e a t u r e ，r o c ka n ds o i l e n g i n e e r i n gg e o l o g yf e a t u r ea n dt h e m e c h a n i s mo fa c t i o no f k a r s ts u b s i d e n c eo r e aa r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e dd e e p l y ，a s e r i e so fe x p e r i e n c eo fd e t e r m i n i n gm e t h o do ft h ee x a c td i s t r i b u t i n go fk a r s t ，t h e f o r e c a s t i n gm e t h o do ft h ed e v e l o p m e n to fk a r s t ，t h ea t t e m p t i n go fa d v a n c e d m a t e r i a l c o n t r o l l e dt e c h n o l o g yi nk a r s td e t e c t i n g ，t h ed e t e r m i n i n ge x p e r i e n c eo f n m o f f c h a n n e l so f g r o u n d w a t e r t h er e l a t i o nb e t w e e nk a r s ts u b s i d e n c ea n d g e o l o g i c c o n f i g u r a t i o n ，t h er e a s o n a b l ed e t e r m i n i n go ft h er u l e so fd e p t hd i s t r i b u t i n go f h a r m f i l lw a t e r - e r o d e dc a v e s 。e t ca r es u m m a r i z e da n ds e a r c h e d i ti sp r e s e n t e da n d p r a c t i c e dt h a tc o m p r e h e n s i v et r e a t m e n ta n dc o m p r e h e n s i v ed e t e c t i o no fk a r s t s u b s i d e n c es h e u l db et a k e nf o rs u b s i d e n c ef a t h e r i n g ；as y s t e mo fc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o no f t h ee f f e c t i n gr a n g ea n de x t e n to f h a r mo f k a r s ts u b s i d e n c ei se s t a b l i s h e d a tt h es a m et i m e ，t h ee n d a n g e r m e n tr e s u l t e df r o mk a r s ts u b s i d e n c ei nt a n g s h a n s p o t sc e n t e ri ss o l v e d ，p r o v i d i n ge x p e r i e n c eo ff a t h e r i n gl o c a lk a r s ts u b s i d e n c e g e o l o g i ch a z a r dt ot h a ta r e a k e yw o r d s ： 蛆r s ts u b s i d e n c e ，c o m p r e h e n s i v et r e a t m e n t ，c o m p r e h e n s i v ed e t e c t i o n e v a l u a t i o ns y s t e m 前言 我国地域辽阔，岩土的种类繁多，工程地质复杂，地基条件区域性较强。在 工程建设中会遇到诸如岩溶、土洞、覆盖层塌陷等不良地质现象。选择岩溶地基 处理措施时，应根据岩溶形态的具体情况、工程使用要求、施工条件、安全与经 济相结合的原则综合考虑。 本工程硕士论文结合唐山市体育场工程，研究岩溶地质现象的勘察调查、治 理设计、施工及检测。分析总结了岩溶治理的工程经验。 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除本文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼盍堂或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：f 织坎签字日期：矽哆年8 月加f = 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 云挂左堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 苏嗽 签字日期：护。f 年g 月矽日 导师签名： 娼锐 签字日期：2 一r 缉8 - ) 1 幻日 第一章岩溶地幕的讦价发治理 第一章岩溶地基的评价及治理 ，1 1 岩溶现象 岩溶( 喀斯特) 是指石灰岩、白云岩等可溶性岩层，受水的溶( 侵) 蚀作 用下，产生裂隙、沟槽、溶洞，以及由于溶洞的顶板塌落使地面产生塌陷、洼 地等各类现象和作用的总称。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。土洞是岩溶现象在土层中的一种表现形态， 由于发育速度快，分布密，对建筑物的稳定性影响很大。 岩溶塌陷一般是指在岩溶地区的岩溶基岩中的塌陷、土层中的塌陷、和上 覆土层同下伏基岩一起塌陷的统称。绝大多数塌陷为土层的塌陷，即：覆盖型 岩溶地区，由于自然或人为因素引起地下水快速重复波动，使上覆土层受到潜 蚀、真空吸蚀等作用，与基岩相接触的土层中就会形成土洞，土洞继续发展扩 大，洞顶土层就不断塌落，塌落一直发展到地表就形成地面塌陷。 1 1 2 岩溶地区的特征 岩溶形式是多种多样的，有地表形态和地下形态特征。 1 主要的地表形态有： ( 1 ) 石芽、石林：地表岩体受地表水的溶蚀作用后残留的上尖f 粗的锥 状柱体为石芽；石芽林立称石林。 ( 2 ) 溶沟、溶槽：地表水沿岩石表面侵蚀形成沟、槽。其长度小于五倍 者称为溶沟；其长度大于五倍者称为溶槽。 ( 3 ) 漏斗、溶蚀洼地：由于溶蚀作用或溶洞洞顶坍塌而成漏斗状的地貌 形态称漏斗；由溶蚀作用为主形成的洼地称溶蚀洼地，多由地面漏 斗群不断扩大汇合而成。 ( 4 ) 落水洞、竖井i 对于竖向溶洞，作为地表水流入通道的称落水洞； 第一章岩溶地基的评价艘治理 目前无地下水流入的为竖井。 ( 5 ) 坡立谷：面积较大且四边陡峭的封闭沣地。 2 主要的地下形态有： ( 1 ) 蚀裂隙：水沿可溶性岩石的节理裂隙渗流溶蚀扩大而成的裂隙。 ( 2 ) 溶洞、暗河：地下水对可溶性岩以溶蚀作用为主形成的地下孔洞称 溶洞；在溶洞中经常有流量较大的水流，形成的地下河称暗河。 ( 3 ) 钟乳石、石笋、石柱：溶洞中自洞顶下垂的石灰质体称钟乳石：而 在洞底的竹笋状突起称石笋；当钟乳石与石笋连在一起时则称石柱。 根据上述特征，就容易在野外识别建筑场地是不是岩溶地区。如果是岩溶 地区，不仅需要对场地做详细调查，而且还需要对其周围区域的地质水文和地 貌做调查，以便进一步了解岩溶的发育分布情况。 1 1 3 岩溶塌陷的危害 岩溶塌陷是我国主要地质灾害之一，其分布最广、数量最多、发生频率高、 诱发因素最多，且具有较强的隐蔽性和突发性特点，我国已有许多城市发生了 岩溶地面塌陷灾害。塌陷使大量的建筑物变形、倒塌、道路坍陷、田地毁坏、 水井干枯或报废、风景点破坏，有时还会引起矿坑被水淹没，地下水遭受污染 等灾害，给城市的生产建设和人民生活造成了很大损失。 岩溶对地基稳定性的影响有如下几个方面“1 ： ( 1 ) 在地基主要受力层范围内，如有溶洞、暗河等，在附加荷载或振动下， 溶洞顶板坍塌使地基突然下沉。 ( 2 ) 溶洞、沟槽、石芽、漏斗等岩溶造成基岩面起伏大，或者有软土分布， 使地基不均匀下沉。 ( 3 ) 基础埋置在基岩上，其附近有溶沟、竖向岩溶裂隙、落水洞等，有可能 使基础下岩层沿倾斜的软弱结构面而产生滑动。 ( 4 ) 基岩和上覆土层，由于岩溶地区较复杂的水文地质条件，易产生新的工 程地质问题，如出现涌水、淹没等突发事故，造成地基条件恶化。 虽然在岩溶地区进行工程建设困难大、问题多，但只要充分掌握岩溶的发 育规律，查明影响岩溶发育的影响因素，预测岩溶对建筑物的危害，并采取有 第一章岩溶地基的评价及治理 效的防治措施，在岩溶地区是能够进行各种工程建设的。 1 2 岩溶发育条件和规律 1 2 1 岩溶的发育条件和规律 1 岩溶发育的基本条件 岩溶发育必须具备三个条件：有可溶性岩层的存在；可溶性岩必须是透水 的：具有溶蚀能力的水且水是流动的。 ( 1 ) 可溶性岩石 可溶性岩石按化学成分和矿物成分分为三类：碳酸岩类岩石；硫酸岩 类岩石( 石膏、芒硝) ；卤岩类岩石( 石盐、钾盐) 。后两类岩石分布 面积不广，一般不普遍。碳酸岩类岩石分布面积广，发育典型，与工 程建设有关的地质问题及灾害主要发生在碳酸岩类岩体中。属于碳酸 岩类岩石有石灰岩、白云岩等，其中纯石灰岩地区的岩溶最为发育， 白云岩次之，硅质和泥质狄岩最难溶蚀 ( 2 ) 可溶性岩石的透水性 可溶性岩石的透水性取决于岩石中的孔隙和裂隙。 ( 3 ) 岩溶水的溶蚀性及流动性 岩溶水的溶蚀性主要取决于水溶液的成分。水中二氧化碳的含量越多， 水的溶蚀力愈大。水是流动的，富含二氧化碳的水不断补充更新，使 水经常保持溶蚀性，溶蚀作用才能持续进行。 2 岩溶发育的规律 在岩溶发育地区，各种岩溶形态在空间的分布和排列是有一定规律的，主要 有以下规律： ( 1 ) 岩溶发育与岩层产状的关系 水平产状的可溶性岩，其上若有不透水的非可溶岩覆盖，则可溶性岩中 无岩溶发育；反之若可溶岩在非可溶岩之上，则地下水透过可溶岩在底 部被阻，沿两者接触面流动，岩溶多发生在可溶岩下部岩石中；岩层产 状陡倾甚至直立，可溶性岩与非可溶岩相间排列时，则两者接触面附近 第一章岩溶地基的评价投治理 的可溶岩溶蚀作用强烈；产状陡倾的岩层一般比缓倾斜或水平岩层岩溶 发育强烈。 ( 2 ) 岩溶发育与地质构造的关系 褶曲、节理、断层等地质构造是水流的良好通道，岩溶最易发育。 ( 3 ) 岩溶发育与地壳运动的关系 ( 4 ) ( 5 ) 地壳强烈上升地区，岩溶以垂直方向发育为主；地壳相对稳定的地区， 岩溶以水平方向发育为主；地壳下降的地区，原来垂直发育的岩溶又 会增加水平发育的条件。 岩溶发育与地形地貌的关系 地形陡峻、地表径流大，岩溶发育以地表形态为主，地下形态不发育； 地形平缓，地表水以下渗，岩溶的地表形态和地下形态均较发育。 岩溶发育与深度的关系 岩溶发育程度和规模随深度的增加而减弱、减小。原因是岩石的透水 性取决于裂隙的发育程度，一般裂隙随深度的增加而逐渐减小，地下 水的运动减弱，地下水的侵蚀性也降低，因此岩溶作用强度随深度的 增加而减弱。 1 2 2 土洞的发育条件和规律 土洞是岩溶地层上覆土被地表水冲蚀或被地下水潜蚀所形成的洞穴。 1 土洞的发育条件 ( 1 ) 易产生裂隙和潜蚀的土层。 ( 2 ) 岩溶地区。 ( 3 ) 地表水或地下水活动。 2 土洞的发育规律 ( 1 ) 土洞的形成与土层的关系 土洞多位于黏性土，具亲水、湿化性的土层易形成土洞。一般土层越厚， 土洞发展成地面塌陷所需的时间越长，且易形成自然拱而不容易扩展至 地面。 ( 2 ) 土洞的形成与岩溶的关系 第一章岩溶地基的评价及治理 土洞是岩溶作用的产物，其分布也受到岩性、地质构造和岩溶水等因素 的控制。土洞或塌陷地段，其下伏基岩中必然有岩溶水通道。土洞发育 区必然是岩溶发育区。 ( 3 ) 土洞的形成与岩溶水的关系 水是形成土洞的动力和外因。由地下水形成的土洞多分布在地下水位变 化幅度以内，且大多位于高水位与平水位之间。当人工降低地下水位时， 由于其流速、水位升降幅度都较自然条件下大的多，因此土洞与塌陷的 发育强度也要大的多。 易于形成土洞和土洞密集地段处于下列部位： ( 1 ) 土层较薄，土中裂隙及其下伏岩体溶蚀裂隙发育。 ( 2 ) 岩面开口通道密集，石芽或出露的岩体与土体交接部位。 ( 3 ) 两组构造裂隙交汇或大裂隙带上。 ( 4 ) 隐伏溶沟、溶槽、漏斗等凹岩面地段，基岩上有较软弱土体分布。 ( 5 ) 地下水强烈活动于岩土交接面的地段或大幅度降水地段。 ( 6 ) 地势低洼，河、湖水体近旁。 1 2 3 岩溶塌陷的机理与分布规律 岩溶塌陷为在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 伏基岩一起塌陷的统称。本节主要指工程中大量遇到的岩溶地区土层的塌陷， 即：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。 1 岩溶塌陷的机理 岩溶塌陷形成机理相当复杂，往往有多种效应复合、叠加，主要理论有： ( 1 ) 潜蚀论 在覆盖型岩溶地区，由于浅部岩溶发育，当人为地改变地下水动力条件时， 地下水流速和坡降增大，对第四纪土层和填充在岩溶裂隙中的充填物进行冲 蚀、淘空，并将土颗粒带走。从而造成土体流失，并向下迁移，形成土洞并 向上扩展直至地面塌陷。当地下水位在可溶岩顶板上下波动时，即地下水位 在第四纪土层低部运动时，潜蚀作用最为强烈。 籀一章岩溶地基的评价及治理 ( 2 ) 真空吸蚀论 当岩溶网络地下水位急剧下降，岩溶腔内有压水面转为无压时，其中水面以 上空问出现了低气压既真空( 或负压) ，此瞬间具有强烈的吸力，对覆盖土 层内部结构产生吸嘬、液化、旋吸、淘空和搬运等破坏作用并造成塌陷。 ( 3 ) 液化论 在岩溶含水层上，覆盖有饱水的、具有蚀变性的松散土层，当地下水的渗流 方向突变，垂直方向的渗透动水压力迅速增加的时候，土层会突然“液化”， 水体随土体瞬间流向下部岩溶裂隙通道而产生塌陷。 总之，造成岩容塌陷，往往不是某一单独因素造成的，而是多种因素共同 作用的结果。因此，在分析塌陷成因时，应结合当地的地质条件，气象条件以 及水、气运动规律等综合考虑。 2 岩溶塌陷的分布规律 岩溶塌陷的分布受岩溶的发育程度的制约，与地质构造、地形地貌、土层 厚度等有关。塌陷多发生在下列地段“1 ： ( 1 ) 浅层岩溶强烈发育地段。 ( 2 ) 断列破碎带及褶皱轴部。 ( 3 ) 溶蚀洼地等地形低洼处及有软土分布的地段。 ( 4 ) 在靠近抽水、排水点附近，以及地下水主要径流方向上。 ( 5 ) 第四纪土层较薄地段。层厚度小于l o 米者塌陷最严重，而土层厚度小 于3 0 米者地面塌陷较少。 总之，塌陷是地下水动力条件改变的产物。塌陷的发育和发展与抽排水时 的水位降深、降落漏斗和地下水的径流方向以及流速均有关。 1 3 稳定性评价 岩溶地基的稳定性评价，分为建筑场地的稳定性评价和建筑地基的稳定性 评价两部分。而建筑地基的稳定性评价可分为定性评价和定量评价两种方法， 目前广泛使用的方法是定性法。 第一章岩溶地基的评价及治理 1 3 1 建筑场地的稳定性评价 这是指可行性研究和初步勘察阶段的地区性评价。着重从岩溶发育、分布 情况及其稳定程度，对场地的岩土工程条件进行评价。即着重研究建筑场地形 成岩溶的岩性和水的运动规律，并结合地区的地貌、地质构造、岩溶发育过程 以及岩溶形态的分布等进行综合分析，在较大的拟建范围内，按岩溶发育程度 在平面上划出对建筑物稳定性不同影响的地段，用来作为选择建筑场地、总图 布置的依据。 下列地段属于工程地质不良或不稳定的地段： ( 1 ) 有浅层、处于极限平衡状态的洞体或溶洞群，洞径大、顶板破碎且 可见变形迹象，洞底有新近塌落物等。 ( 2 ) 地表水沿土中裂隙下渗或地下水自然升降变化使上覆土层被冲蚀， 形成成片或成带土洞塌陷。 ( 3 ) 有规模较大的浅层隐伏岩层如漏斗、洼地、槽谷中充填软弱土体或 地面出现明显变形现象。 ( 4 ) 有覆盖土地段内，降水工程的降落漏斗中最低动水位高于基岩面的 范围。 ( 5 ) 岩溶通道排汇不畅或上涌导致暂时淹没。 1 3 2 岩溶地基的定。性评价 这是在地基基础设计的详细勘察阶段，针对具体建筑物下极其附近对稳定 性有影响的个体岩溶形态进行评价。根据评价结论确定是否需要进行工程处理。 目前岩溶地基的稳定性评价方法有两种：定性评价和定量评价。 定性评价是一种经验的比拟法，简便易行，但在使用中又具有明显的随意 性，评价结果往往是因个人的经验水平而异，但若能根据影响稳定评价的各项 因素进行综合分析，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 根据岩溶形态及各项地质条件，并考虑建筑物荷载的影响来判断其稳 定性。既：根据洞体大小、顶板的厚度和形状、岩体的结构及强度、 第一章岩溶地基的评价发治理 结构面的多少及其分布与空间组合，研究洞体内充填情况以及水的活 动等因素，再结合洞体的埋深一j 二覆土的厚度、建筑物的基础形式、 荷载条件等进行综合分析。 对岩溶地基稳定性不利的因素有： 地质构造：有断裂、褶皱、裂隙发育、有两组以1 二张开裂隙切割岩体， 呈干砌状。 岩层产状：岩层走向与洞轴线平行，倾角陡。 岩性和厚度：薄层石灰岩、泥灰岩、白云质灰岩，有互层、岩体强度 低。 洞体形态及埋藏条件：埋藏浅，在基底附近，洞径大，呈扁平状，复 体相连。 顶板情况：顶板厚度与洞跨比值，有切割的悬挂岩块未胶结。 地下水：有水流或间歇性水流。 地震基本烈度：地震基本烈度等于或大于7 度。 建筑物荷重及重要性：建筑物荷重大，为重要建筑物。 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。许多成功的实例说聪，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： ( 1 ) 对于二、三级工程，当属下列条件之一者，可不考虑岩溶对地基的稳 定性影响： a ) 基础置于微风化硬质岩石上，延伸虽长但宽度小( 如i 2 米内) 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，如单独基础，土层厚度大于3 倍基宽； 条基，土层厚度大于6 倍基宽且场地不具备形成土洞的条件。 c ) 虽基底与洞体项扳间的土层厚度小于b ) 所列，但岩溶条件符合下列 条件之一时： 洞体被密实充填物填实，且无被水冲蚀的可能。 第一章岩溶地基的评价及治璀 洞径或溶隙宽度较小，基础底面积大于洞隙平面投影尺寸，并有足 够的支撑长度。 微风化硬质岩石中，洞顶板厚度接近或大于洞跨。 ( 2 ) 当遇到下列情况之一时，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于不稳定或处于临界状态的 岩溶洞隙。 1 3 3 岩溶地基的半定量评价 岩溶地基的定量评价是指对洞顶板稳定性的验算。在有可能取得溶洞计算 参数时，可将洞体顶板视为结构自承重体系进行结构力学分析，根据顶板形态、 成拱条件及裂隙切割分布，分别将其作为梁板或拱壳受力情况计算。当有条件 取得有代表性的参数时，亦可进行有限元法分析。 由于，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， 尚属摸索提高阶段。下面介绍几种简单的，较为实用的半定量的评价方法。 1 洞体顶板坍塌自行堵塞估算法 顶板坍塌后，塌落物体积松涨，当塌落向上发展到一定高度，洞体可被松 涨物自行堵塞。在没有地下水搬运的情况下，可以认为洞体空间已被支撑而不 再向上扩展了。 所需塌落高度h 按下式计算： h = h 。( k - 1 )( 卜1 ) 式中：h 。洞体最大高度( m ) k 岩体松涨系数，对岩石取1 1 1 3 ，对土取1 0 5 1 1 0 。 如高度h 以上还有外荷载，则还应加上荷载作用所需的厚度，才是洞体的 安全高度。 第一章岩溶地基的评价及治理 2 结构力学近似分析法 将洞体顶板用结构力学中的梁来比拟，其中的最大弯矩( m ) 计算如下 ( 1 ) 当顶板跨中有裂缝，顶板两端岩石坚固、完整时，按悬臂梁计算 m = p ( l 2 ) 2 ( 2 ) 当裂隙位于顶板两端处，而顶板较完整时，按简支梁计算 m = 古p l 2 ( 3 ) 当支坐和顶板岩层均较完整时，按两端固定梁计算： m = ( 1 1 2 ) p l 2 则，截面抗弯验算： 6 m ( b h 2 ) 。 h ( 6 m bo ) 截面抗剪验算： 4 f 。h 2 s h ( 4 f 。s ) 上述式中：m 顶板最大弯矩( k n 1 1 1 ) ： ( 卜2 ) ( 卜3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 卜7 ) ( 1 - 8 ) p 顶板所受的总荷载，p = p ，+ p ：+ p 。； p 。顶板厚度为的岩体自重力( k n ) ； p 。顶板上覆土层自重力( k n ) ； p 。顶板上附加荷载( k n ) ； i 溶洞跨度( m ) ； o 一岩体的计算抗弯强度，石灰岩取允许抗压强度的1 8 倍( k p 。) ； f 。支坐处的剪力； s 一岩体的计算抗剪强度，石灰岩取允许抗压强度的1 1 2 倍( k p a ) ； b 梁板的宽度( 1 1 1 ) ： h 顶板岩层厚度( m ) 。 3 成拱分析法 当顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时，可认为顶板将呈拱状塌落， 而其上的载及岩体自重由拱自身承担，按普氏松散介质破裂拱理论，此时破裂拱 高h 为： 第一章岩溶地基的评价及治理 i i = 0 5 b + h 。t a n ( 9 0 。一巾) f( 卜9 ) 式中b 洞体跨度( m ) ； h 。洞体高度( m ) ； 中洞壁岩体的内摩擦角( 。) ； f 洞体围岩的坚实系数，对松散介质，f = t a n 由。 破裂拱高加上部荷载作用所需的岩体厚度才是洞顶板的安全厚度。 1 3 4 土洞的评价 1 土洞的特点 ( 1 ) 埋藏浅：土洞经常处于建筑荷载影响深度范围内，有的就在基础持力层 附近。 ( 2 ) 顶板强度低：土洞顶板土体的容许承载力一般均在3 0 0 左右，抗拉、抗 剪强度则更低。土洞发育到一定阶段时，往往由于顶板不能承受自重而 坍塌。 ( 3 ) 分布密：土洞往往呈密集分布。 ( 4 ) 发育快：土洞在自然条件下，其发育速度远大于石灰岩等可溶岩石的岩 溶，由于人工降水地下水形成的土洞或地表塌陷更为迅速，短短的数天 抽水试验，塌陷便会接踵而来。 ( 5 ) 随时发育：当场地具备土洞发育的内在条件，如果由于自然或人为作用， 如：排水不当、地面增大附加荷载、抽取地下水等，就会经常出现新的 土洞或塌陷。 2 土洞评价要点 对于土洞的评价，要将重点放在土洞产生的内在条件上。在岩溶发育区 内，进行土洞发育程度的分区时，应考虑适宜土洞形成的区段。例如可将岩 溶发育区中，地下水最高水位高于基岩面的土层分布区以及其他有利于土洞 发育的地段划为土洞发育区。 具备下列条件的部位都可能是有利于土洞发育的地段，对于工程来说应 视为不利于建筑的地段。 ( 1 ) 土层较薄，土中裂隙发育，地表无植被或新挖方区，地表水渗入条件 第章岩溶地基的评价丑治理 好，其下基岩有通道、暗流或呈负岩而的地段。 ( 2 ) 右芽或出露的岩体与上覆土层交接处，岩体裂隙通道发育且是地面水 经常集中入渗部位。 ( 3 ) 土层下岩体中两组结构面交会，或处于宽大裂隙带上。 ( 4 ) 隐伏的深大溶沟、溶槽、漏斗等地段，邻近基岩面以上有软弱土层分 布。 ( 5 ) 人工降水的降落漏斗中心；当岩溶导水性相对均匀，在漏斗中地下水 流向的上游部位；当岩溶水呈集中管道流时，在漏斗中地f 水流向的 f 游部位。 ( 6 ) 地势低沣、地面水体近旁。 1 3 5 覆盖型岩溶地区的稳定性评价 覆盖型岩溶地区稳定性评价目前还没确统一的标准。在进行稳定性评价时 一般应考虑以下几个因素： ( 1 ) 岩溶的发育情况。 ( 2 ) 覆盖上层的性质、厚度，有无潜蚀通道。 ( 3 ) 地下水位及其变化情况。 ( 4 ) 已有塌陷情况等。 根据上述因素，对塌陷区的现状进行综合评价，并预测塌陷的发展趋势。 为工程处理提供依据。 1 4 岩溶地基处理 1 4 1 岩溶地基处理的一般原则”1 岩溶地基处理方法多来自于岩溶地夏建筑经验的总结，对今后工程建设有 定的指导作用。应用时需因地制宜并注意借鉴当地行之有效的措施与方法， 以取得更好的经济技术效果。 1 重要建筑物宦避开岩溶强烈发育区。 2 当地基含石膏，岩盐等易溶岩时，戊考虑溶蚀继续作用的不利影响。 2 当地基含石膏，岩盐等易溶岩时，应考虑溶蚀继续作用的不利影响。 第一章岩溶地基的评价及治理 3 不稳定的岩溶洞隙应以地基处理为住，并可根据其形态、大小及埋深，采 用清爆换填、浅层楔状填塞、洞底支撑、梁板跨越、调整柱距等方法处理。 4 岩溶水的处理宜采取疏导的原则。 5 在未经有效处理的隐伏士洞或地表塌陷影响范围内不应作天然地基。对土 洞和塌陷宣采用地表截流、防渗堵漏、挖填灌填岩溶通道、通气降压等方 法进行处理，同时采用梁板跨越；对重要建筑物应采用桩基或墩基。 6 应采取防止地下水排泄通道堵截造成动力水对基坑底板、地坪及道路等不 良影响，以及泄水、涌水对环境污染的措施。 7 当采用桩基( 墩) 基时，宜优先采用大直径墩基或嵌岩桩，并应符合下列 要求： ( 1 ) 桩( 墩) 以下相当桩( 墩) 径的三倍范围内，无倾斜或水平状岩 溶洞隙的浅层洞隙，可按冲剪条件验算顶板稳定。 ( 2 ) 桩( 墩) 底应力扩散范围内，无临空面或倾向i 临空面的不利角度 的裂隙面可按滑移条件验算其稳定。 ( 3 ) 应清除桩( 墩) 底面不稳定石芽及其问的充填物。嵌岩深度应确 保桩( 墩) 稳定极其底部与岩体的良好接触。 1 4 2 岩溶洞隙的处理 对地基稳定性有影响的岩溶洞隙，应根据其位置、大小、埋深、围岩的稳 定性和地下水条件综合分析，因地制宜采取合理的措施，处理原则是“1 ： 1 ) 对洞口较小的洞隙，宣采用镶补、嵌塞与跨盖等方法处理。 2 ) 对洞口较大的洞隙，宜采用梁、板和拱等结构跨越，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。也可采 用浆砌块石等堵塞措施。 3 ) 对于围岩不稳定、风化裂隙破碎的岩体，可采用灌浆加固和清爆填塞等 措施。 4 ) 对规模较大的洞隙，可采用洞底支撑或调整柱距等方法处理。 般对岩溶水的处理以疏导为主，对岩溶的洞穴及裂隙的处理以挖填、跨 盖、灌注为主。 第一章岩溶地摹的评价艘治理 常见的岩溶洞隙处理措施有“1 ： 1 挖填：挖除岩溶洞隙中的软弱充填物，换填碎石、灰土、素土或素混凝土等 以增强地基的完整任和强度，或在压缩性地基上凿去突出的基岩，铺挚可压 缩的上层( 垫层) 以调整地基的变形性，如： ( 1 ) 基础下有溶沟、溶槽、漏斗等时，挖去其中的软弱充填物，换填碎石 或毛石混凝土。 ( 2 ) 粘性土地基局部有石芽突出时，将石芽尖部凿去，换填素土。 ( 3 ) 基础下溶洞埋藏不深时，可炸开溶洞顶板，挖除充填物，换填碎石等。 2 跨盖：基础下有溶沟、溶槽、漏斗等时，可采用钢筋混凝土梁跨越，或用刚 性大的平板基础覆盖，但必须有较完整的岩石作为支承点，也可用调整柱距 的方法处理。 3 灌注：基础下的溶洞埋藏较深时，可通过钻孔向洞内灌注水泥砂浆、混凝土 或沥青混凝土等材料堵塞溶洞。 4 排导：对建筑地基内或附近的地下水宜疏不宜堵。一般可采用排水隧洞、排 水管道等进行疏导，防止水流通道堵塞，造成场地和地基季节性淹没。 上述各种措施，应根据工程具体情况，单独采用或综合采用。 1 4 3 土洞和地表塌陷的处理 土洞和地表塌陷密集，或因人工改变地下水动态面引起塌陷的地段都属于 工程地质条件不良或不稳定地段。在土洞发育区建筑，建筑场地的选择最好选 在地势较高或地下水最高水位低于基岩面的地段，避开岩溶强烈发育及基岩面 上软粘土厚而集中的地带。如果地下水位高于基岩面，在场地附近抽水时，应 注意由于降低地下水位引起土洞或地表塌陷的可能性。在建筑物地基范围内有 士洞和地表塌陷时，必须认真处理。 常用的土洞和地表塌陷处理措施有“： 1 处理地表水和地下水 在建筑场地和地基范围内，认真作好地表水的截流、防渗、堵漏等工作， 杜绝地表水渗入土层。这种措旌适用于地表水形成的土洞和地表塌陷。 对于地下水形成的土洞和塌陷，当地质条件许可时，亦可考虑采用截流、 1 4 第一章岩浴地摹的评价及治理 改道的办法，阻止土洞和地表塌陷的发展。 2 挖填处理法 这种措施多用于个体浅埋土洞。对地表水形成的土洞和塌陷，先挖除软 土，后用块石、片石或毛石混凝土等回填。对地下水形成的土洞和塌陷， 除挖除软土抛填块石外，还应做反滤层，面层用粘土夯实。 3 灌砂法 这种措施适用于埋藏深、洞径大的土洞。施工时，在洞体范围内的顶板 地面上打两个或更多的钻孔，其中直径较小的孔( 直径5 0i 皿1 ) 作排气 用，直径较大的孔( 直径1 0 0 咖) 作灌砂用。灌砂时，同时进行冲水， 待小孔中冒出砂时为止。如果洞内有水，灌砂困难，可用c 1 5 的细石混 凝土作灌料进行压力灌注，或灌注水泥、砾石也可。 4 用钢筋混凝土梁板跨越 在进行上述处理的同时，均应配合采用梁板跨越的方法。 5 对重要建筑物，根据场地的地质条件可采用桩基 宜优先采用大直径嵌岩桩，一般情况下不宜采用打入式端承桩。 上述各种措施，一般多联合采用。 1 4 4 洞穴堆积物的处理 洞穴堆积物的特点是松软、下沉量大、强度低、不宜清除，如在其上进行 工程建设时，一般应进行地基处理。主要的处理方法有： 1 桩基： 在溶洞堆积物厚大，不宜清除时，可采用桩基穿过溶洞堆积物。 2 清爆： 当溶洞顶覆盖较薄，可采用清爆的方法，接露溶洞充填物，以便清除、 换填或使充填物风干、提高地基土的强度。 3 加固充填物： 对于溶洞中较厚的碎块石堆积物，可采用压浆的方法使其固结；对于粘 性土、砂类土等以细颗粒为主的堆积物地基或已建成建筑地基还可采用 旋喷桩方法加固。 第一章岩溶地基的评价及治理 1 5 勘探方法 1 5 1 岩溶勘探方法 岩溶地区的地质条件相当复杂，选用勘探方法时应注意其适用条件，且应 采用多种手段互相补充、相互验证，以提高勘探效果。主要方法有物探、钻探。 1 物探 物探是利用岩土的物性差异进行的间接勘探方法。物探方法多种多样，各 有其适用范围。应开展综合物探采用多种方法相互验证，排除假象。用于岩溶 地区勘探效果较好的物探方法有：电阻率法、无线电波透视法、地震勘探法、 电测井法等。 ( 1 ) 电阻率法 电阻率法是利用岩层电阻率为参数，对介质进行研究的一种方法。依据布 极和工作方法的不同，又可分为电测掇法和电剖面法。 电测探法主要以层状介质为研究对象，可测定岩溶地层的起伏情况、岩溶 地层深度、岩溶发育的主导方向等。 电剖面法主要研究倾斜或直立岩层，可测定构造破碎带、陡倾的岩溶发育 的分布位置和范围等。 ( 2 ) 无线电波透视法 透视法是利用电磁波透过不同介质时，介质对电磁波吸收的差异来分辨地 质体的方法。主要用于岩溶地区的溶洞、暗河、岩溶发育带的勘探。 ( 3 ) 地震勘探法 由于岩( 土) 层的的弹性性质不周，弹性波在其中的传播速度也不同，利 用这种差异，通过人工激发的弹性波在地下传播，根据波速即可判断地层的岩 性、地质构造等。 ( 4 ) 电测井法 不同的地层具有不同的电阻率或自然电场。电测井法就是在井孔中利用电 法勘探方法测量井、孑l 壁剖面的电阻率或自然电位，从而确定井孔的地质剖面。 物探应根据物性条件采用有效方法，对异常点应采用钻探验证。 第一章岩溶地基的评价及治理 2 钻探 在岩溶地区钻探应特别注意钻进过程中所遇到的各种异常现象。如遇空洞 时发出的隆声，钻具突然下落、钻进速度突然加快、孔内掉块、冲沈液突然减 少、停止回水、冲沈液颜色变化等。在在岩溶地区钻探还应注重钻孔的综合利 用，进行简易的水文地质观测，为物探综合测井提供方便。必要时对钻孑l 中的 岩层、溶洞充填物、地下水等取样进行实验和分析。 勘探钻探应在地质调查和物探的指导下有目的地进行。分析钻探成果时， 应注意避免片面性、局限性，注意积累经验，使多种勘探成果互相验证，以提 高地质成果资料的精度。 1 5 2 土洞勘探方法 对建筑物地基内的土洞应查明其位置、埋深、形态和成因。查明土洞的方 法有下列几种： 1 物探法：主要用电探法。对土层厚度与洞径相近的浅埋洞体能获得较好 的效果。 2 。井探法：既在土洞部位挖探槽或探井，对有代表性的塌陷地带及浅埋土 洞都宜采用。 3 触探及钎探法：在已开挖的基槽内布置触探或钎探，它们是查明士洞的 简便可行的方法。 4 夯探法：在基槽开挖后沿基槽进行夯击，根据回声判断有无土洞，若有 空洞回声，再用钎探进一步查明。 5 钻探法：勘探深埋土洞时使用。可采用小口径钻孔配合注水的方法。钻 探应在物探或钎探的基础上进行。 总之，应有针对性地选择勘探手段：为查明岩溶地区的岩溶发育规律、基 岩埋深等可采用综合物探：为查明浅层土洞可采用轻型动力触探或钎探；为查 明深层土洞可采用静力触探或小口径钻探；为查明岩溶洞穴可采用钻探；为查 明断层、岩组分界、洞隙和土洞形态及塌陷等情况时，应布置探槽或探井。由 于岩溶地区的地质条件相当复杂，在岩溶勘探时，宜采用工程地质测绘和调查、 物探和钻探等多种手段结合的方法进行。 第一章岩溶地基的评价及治理 1 6 岩溶塌陷治理研究现状巧1 在我国辽阔的疆土内，分布着大片碳酸盐岩地层，总面积约3 4 6 万k m 2 ， 其中9 1 万k m 2 的碳酸盐岩裸露于地表，由于地面水和地下水的溶蚀作用，发育 着各种类型的岩溶地貌和岩溶形态，给1 程建设带来了一定的复杂性。尽管如 此，建国以来，我们在岩溶地区成功的建设了大量的、各种类型的工程，也遇 到了许多岩溶问题。经过多年来的工程实践和理论研究，目前，中国岩溶塌陷 研究已进入综合防治阶段，建成了大型岩溶塌陷物理模型试验室。尤其是8 0 年 代以来，由于大型水利水电、铁道、矿山、工程建设的发展，以及信息技术、 电子计算机技术的引进，在岩溶探测、分析和治理技术方面都有了很大的发展。 1 6 1岩溶探测技术的发展 在岩溶地区修建各类建筑物都有一个特殊的地基稳定问题，这是因为在建 筑物基础之下可能埋藏有岩溶洞穴、漏斗、溶沟、石芽等岩溶形态，在荷载作 用下，可引起基础不均匀下沉、滑动、倾倒等工程地质问题。 房屋地基的稳定性，由于近年来大量高层建筑物建于隐伏的岩溶化岩体之 h 就显得特别重要。实践证明，仅以少量钻孔岩芯的抗压强度作为地基承载力 的评价依据可能导致严重的工程失误。真正影响地基强度和稳定性的因素是埋 藏岩溶形成的各种临空面、岩体中的溶洞、溶隙、溶蚀带以及基坑开挖过程中 抽排水引起的突水涌泥、地面沉降等环境效应。因此，必须采用多种勘察手段 并进行综合研究。 1 地球物理勘探 物探是通过获取天然的或人工的物理场的各种参数进行地质解译，具有一 定的“透视性”，特别适用于对岩体中复杂的岩溶洞穴进行探测。除了电法、 地震法、声波法、测井法以外，8 0 年代以后发展起来的地质雷达、微重力勘探、 层析成像( c t ) 技术等在我国水利水电、煤矿、冶金、铁道等部门得到了广泛的 应用。其中侧视雷达在百色水利枢纽用于研究活动性断裂构造。微重力勘探在 东风电站灌浆廊道、电磁波c t 层析成像技术在天生桥电站的引水隧洞中用于探 测围岩溶洞分布和构造破碎带位置，都有明显效果。 2 遥感技术的应用 培 第一章岩溶地基的评价及治理 地球资源卫星遥感( m s s 、t m 、s p 0 3 7 ) 、航空遥感、热红外遥感、侧视雷达 遥感等在7 0 年代引进我国以后，被广泛应用于岩溶地区工程地质勘察，由于遥 感影象视域广阔、信息量大，在识别地层、断裂构造、岩溶地貌等方面，具有 其他勘测方法所不及的优点，尤其适用于我国南方裸露型岩溶地区。在新建铁 路选线、水利水电工程区域稳定性评价、岩溶水库渗漏分析等方面都发挥了重 要作用。在红水河、清江流域规划和大瑶山铁路隧道选线中，应用遥感技术获 得了较好的效果。 1 6 2 岩溶工程地质分析技术发展 岩溶地貌与水文网分析法 通过岩溶形态、地貌及地表地下水文网的展布现状和演化过程，分析 研究岩溶发育规律、水动力类型、岩溶通道位置，判断地下水系的补给、径流、 排泄域范围和地下分水岭位置，据以评价地区( 段) 的岩溶渗漏条件。在天生桥、 岩滩等电站中应用。 1 6 3 岩溶地面塌陷工程地质问题及治理情况 岩溶地面塌陷主要见于覆盖型岩溶地区，以湖南、广西、广东为最多，河 北、i b 东、辽宁亦有分布。岩溶塌陷的诱发因素有自然因素( 降雨、地震) 和人为 因素f 抽、排水) 两类，而以后者居多。例如，铁路隧道开挖揭露溶洞排水，致使 地面塌陷。水库因渗漏而引起塌陷更是屡见不鲜。在我国南方，约有2 0 的小 型水库发生过坝基塌陷。 岩溶塌陷的形成条件，主要与岩溶发育强度、覆盖层结构、厚度和水动力 条件等有关。而塌陷的成因机制，根据现场观察和模拟试验，主要有潜蚀、真 空吸蚀、气爆、震动、土层液化等作用。 7 0 年代以来，岩溶地质研究所和矿山部门对岩溶塌陷的成因、预测和防治 做了大量的研究工作。主要是在查明塌陷区地质环境、地表地下水补排条件的 基础上，进行稳定性分区，圈出危险地段，运用数学方法建立预测模型。岩溶 地面塌隐的处理，重点在于拦截地表水集中入渗，控制抽排水量和水力坡降， 采用堵洞、灌浆等工程措施也能起到较好的效果。并将加固、防水、保护环境 三者统一考虑。 第二章唐山市地质与水文状况对岩熔塌陷的影响 第二章唐山市咋奉育中心劫删搓撬瓣自与工程生也j 贡及水文地质的关系 2 1 唐山市岩溶塌陷地质灾害的现状 唐山市处于岩溶裂隙发育浅埋区，地下隐伏破碎构造构成径流通道基础， 历史上地下水动态变化使第四系覆盖层结构受到了不同程度的塌陷破坏，特别 是进入8 0 年代，在自然和人为因素影响下，曾发生了多次岩溶塌陷，使城市建 设、交通、农田受到破坏，仅1 9 7 6 年以来发生岩溶塌陷发生近2 0 处，范围近 2 0 k m 2 。尤其是1 9 8 8 年以来，市区多处发生岩溶塌陷，使建筑物造成严重破坏。 令人担忧的是岩溶塌陷多发生在市重点规划建设的路北区，此区是市政府驻地， 高层建筑和重要管线集中，为人口稠密的繁华中心区。鉴于岩溶塌陷这种动力 地质现象发生的隐蔽性和突发性的特点，会给我们带来更大的危害，为此，自 1 9 9 1 年以来有关上级曾多次指示，加强对岩溶塌陷地质灾害的防治和治理工作。 唐山市体育中心位于唐山市中心地带( 详见图2 1 1 、2 1 2 ) ，第二田径 训练馆曾在1 9 8 8 年6 月6 日发生地面塌陷，坑深6 5 m ，面积约3 5 m 2 。用2 0 0 m 3 碎石将坑填满后，于6 月1 5 曰再次塌陷，并将馆内两根混凝土柱子陷入坑内， 房顶随之坍塌。与此同时，位于第二田径训练馆东南方6 0 m