岩溶与土洞-专题三.ppt

专题四岩溶与土洞 主要内容 基本概念岩溶土洞与潜蚀岩溶与土洞的工程地质问题 概述 岩溶 也称喀斯特 Karst 它是由于地表水或地下水对可溶性岩石溶蚀的结果而产生的一系列地质现象 如溶沟溶槽 溶洞 暗河等 土洞 是由于地表水和地下水对上层的溶蚀和冲刷而产生空洞 空洞的扩展 导致地表陷落的地质现象 危害 严重地影响建筑场地的使用和安全 岩土体中空洞的形成 岩石结构的破坏 地表突然塌陷 地下水循环改变等 一 岩溶 一 岩溶的主要形态岩溶形态是可溶岩被溶蚀过程中的地质表现 地表岩溶形态 溶沟 槽 石芽 漏斗 溶蚀洼地 坡立谷 溶蚀平原等 地下岩溶形态 落水洞 井 溶洞 暗河 天生桥等 1 溶沟溶槽 微小的地形形态 它是生成于地表岩石表面 由于地表水溶蚀与冲刷而成的沟槽系统地形 2 漏斗 是由地表水的溶蚀和冲刷并伴随塌陷作用而在地表形成的漏斗状形态 3 溶蚀洼地 是由许多的漏斗不断扩大汇合而成 平面上呈圆形或椭圆形 直径由数百米到数米 溶蚀洼地周围常有溶蚀残丘 峰丛 峰林 底部有漏斗和落水洞 4 坡立谷和溶蚀平原 坡立谷是一种大型的封闭洼地 也称溶蚀盆地 面积由几平方公里到数百平方公里 坡立谷再发展而成溶蚀平原 5 落水洞和竖井 皆是地表通向地下深处的通道 其下部多与溶洞或暗河连通 它是岩层裂隙受流水溶蚀 冲刷扩大或坍塌而成 6 溶洞 是由地下水长期溶蚀 冲刷和塌陷作用而形成的近于水平方向发育的岩溶形态 溶洞内常有支洞 有钟乳石 石笋和石柱等岩溶产物 7 暗河 是地下岩溶水汇集和排泄的主要通道 部分暗河常与地面的沟槽 漏斗和落水洞相通 暗河的水源经常是通过地面的岩溶沟槽和漏斗经落水洞流入暗河内 8 天生桥 是溶洞或暗河洞道塌陷直达地表而局部洞道顶板不发生塌陷 形成的一个横跨水流的石桥 称其为天生桥 二 岩溶的形成条件岩溶的形成是由于水对岩石的溶蚀结果 因而其形成条件是 1 必须有可溶于水而且是透水的岩石 2 水在其中是流动的 有侵蚀力的 岩体岩体首先是可溶解的 根据岩石的溶解度 能造成岩溶的岩石可分三大组 1 碳酸盐类岩石 如石灰岩 白云岩和泥灰岩 2 硫酸盐类岩石 如石膏和硬石膏 3 卤素岩 如岩盐 岩体必须具有透水性能 这才有发展岩溶的可能 岩体的透水性要注意两个方面 一是可溶岩石本身的透水性另一是在岩体内要有裂隙 水质天然水是有溶解能力的 这是由于水中含有一定量的侵蚀性CO2 当含有游离CO2的水与其围岩的碳酸钙 CaCO3 作用时 碳酸钙被溶解 这时其化学作用如下 CaCO3十CO2十H2O Ca 十2HCO3 这种作用是可逆的 即溶液中所含的部分CO2在反应后处于游离状态 如果水中的游离CO2含量比平衡所需的数量要多 那未 这种水与CaCO3接触时 就会发生CaCO3的溶解 确定水中的侵蚀性CO2是有意义的 因为水中含侵蚀性CO2越多 则水的溶蚀能力越大 但是水中侵蚀性CO2的含量是随水的活动程度不同而不同的 水在岩体中活动方面水在可溶岩体中活动是造成岩溶的主要原因 它主要表现为水在岩体中流动 地表水或地下水不断交替 地下水或地表水主要来源于大气降水的补给 而大气中是含有大量CO2的 这些CO2就溶解于大气降水中 这样使水具有溶解可溶性岩石的能力 水是流动的 不管是地表水或地下水 地表水则在地表的可溶岩石表面的凹槽流动 一方面溶解围岩 另一方面流水有动力的结果 又同时冲刷围岩 于是产生了溶沟溶槽和石芽 地下水在向地下流动过程中 与岩石相互作用而不断地耗费了其中具有侵蚀性的二氧化碳 这样造成了地下水的溶解能力随深度的加深而减弱 再加上深部水的循环较慢 溶解能力及冲刷能力大大减少 使深部的岩溶作用减弱 岩溶的垂直分带在岩溶地区地下水流动有垂直分带现象 因而所形成的岩溶也有垂直分带的特征 1 垂直循环带 或称包气带 这里平时无水 只有降水时有水渗入 形成垂直方向的地下水通道 大量的漏斗和落水洞等多发育于本带内 2 季节循环带 或称过渡带 这带位于地下水最低水位和最高水位之间 本带受季节性影响 在本带形成的岩溶通道是水平的与垂直的交替 3 水平循环带 或称饱水带 这带位于最低地下水位之下 常年充满着水 地下水作水平流动或往河谷排泄 因而本带形成水平的通道 称为溶洞 地下暗河等 4 深循环带 本带内地下水的流动方向取决于地质构造和深循环水 这一带中水的交替强度极小 岩溶发育速度与程度很小 一般为蜂窝状小洞 或你溶孔 上述讨论了水的活动引起各种岩溶的现象 但是水的活动不仅限于其围岩的溶蚀和冲刷 而很多时候岩溶水还可以造成很多的堆积现象 最普遍的见到是在溶洞内沉淀有石钟乳 石笋 石柱 钙华等 二 土洞与潜蚀土洞因地下水或者地表水流入地下土体内 将颗粒间可溶成分溶滤 带走细小颗粒 使土体被掏空成洞穴而形成 这种地质作用的过程称为潜蚀 当土洞发展到一定程度时 上部土层发生塌陷 破坏地表原来形态 危害建 构 筑物安全和使用 一 土洞的形成条件土洞的形成主要是潜蚀作用导致的 潜蚀是指地下水流在土体中进行溶蚀和冲刷的作用 机械潜蚀 如果土体内不含有可溶成分 则地下水流仅将细小颗粒从大颗粒间的孔隙中带走 这种现象我们称之为机械潜蚀 其实机械潜蚀也是冲刷作用之一 也称内部冲刷 溶滤潜蚀 如果土体内含有可溶成分 地下水流先将土中可溶成分溶解 而后将细小颗粒从大颗粒间的孔隙中带走 因而这种具有溶滤作用的潜蚀称之为溶滤潜蚀 溶滤潜蚀主要是因溶解土中可溶物而使土中颗粒间的联结性减弱和破坏 从而使颗粒分离和散开 为机械潜蚀创造条件 例如黄土 含碳酸盐 硫酸盐或氯化物的砂质土和粘质土等 机械潜蚀的发生 除了土体中的结构和级配成分能容许细小颗粒在其中搬运移动外 地下水的流速是搬运细小颗粒的动力 能起动颗粒的流速称为临界流速 Vcr 不同直径 d 大小的颗粒具有一定的临界流速 当地下水流速 V 大于 Vcr 时 就要注意发生潜蚀的可能性 二 土洞的类型土洞可分为由地表水下渗发生机械潜蚀作用形成的土洞和岩溶水流潜蚀作用形成的土洞 1 由地表水下渗发生机械潜蚀作用形成的土洞主要形成因素有三点 1 土层的性质 土层的性质是造成土洞发育的根据 最易发育成土洞的土层性质和条件是含碎石的亚砂土层内 2 土层底部必须有排泄水流和土粒的良好通道 3 地表水流能直接渗人士层中 地表水渗人士层内有三种方式 第一种是利用土中孔隙渗入 第二种是沿土中的裂隙渗入 第三种是沿一些洞穴或管道流入 2 由岩溶水流潜蚀作用形成土洞这类土洞与岩溶水有水力联系的 它分布于岩溶地区基岩面与上复的土层 一般是饱水的松软土层 接触处 这类土洞的生成是由于岩溶地区的基岩面与上复土层接触处分布有一层饱水程度较高的软塑至半流动状态的软土层 当地下水在岩溶的基岩表面附近活动时 水位的升降可使软土层软化 地下水的流动能在土层中产生潜蚀和冲刷可将软土层的土粒带走 于是在基岩表面处被冲刷成洞穴 这就是土洞形成过程 本类土洞发育的快慢主要取决于 1 基岩面上复土层性质 软土或高含水量的稀泥则基岩面上容易被水流潜蚀和冲刷 2 地下水的活动强度 3 基岩面附近岩溶和裂隙发育程度 三 岩溶与土洞的工程地质问题1 溶蚀岩石的强度大为降低 岩石遭受溶蚀可使岩石有孔洞 结构松散 从而降低岩石强度和增大透水性能 2 造成基岩面不均匀起伏 这就造成了地基的不均匀性 3 漏斗对地面稳定性的影响 4 溶洞和土洞对地基稳定性的影响 溶洞和土洞地基稳定性必须考虑如下三个问题 1 溶洞和土洞分布密度和发育情况 2 溶洞或土洞的埋深对地基稳定性影响 如若H 1 5b 同时岩石比较完整 裂隙较少 岩石也较坚硬 则该溶洞顶板作为一般地基是安全的 如若H 3b 岩石裂隙较多 岩石较为破碎 则溶洞的埋深是安全的 3 抽水对土洞和溶洞顶板稳定的影响 岩溶渗漏的工程措施 灌 浆 铺 黏土 混凝土 堵截围喷塞引排 岩溶地基稳定性及工程处理 岩溶地基特点 1 溶洞的存在 可能会使建筑物局部坍塌 沉陷或断裂 2 溶隙存在 使整体强度大大降低 3 厚度不匀的覆土 地基不均匀 4 厚度较大 造成土洞 2 岩溶地基岩体质量分级 1 以地基溶蚀程度为主的质量分级I微弱溶蚀地基II弱溶蚀地基III中等溶蚀地基IV强烈溶蚀地基V极强溶蚀地基 2 以岩体力学性质为主的质量分级I优II良III中IV差V坏VI极坏 岩溶塌陷的形成条件 1 上覆土层性质 结构及厚度沙性土 厚度小于10米 易塌陷2 岩溶发育 有溶洞或宽大溶蚀裂隙3 地下水位强烈下降或快速重复波动 四 岩溶与土洞地基的防治应首先设法避开有威胁的岩溶和土洞区 实在不能避开时 再考虑处理方案 一 挖填 即挖除软弱充填物 回填以碎石 块石或混