工程地质学第六章地表地质作用PPT课件

第6章地表地质作用Earth ssurfaceGeologicalprocesses 主要内容 风化作用河流地质作用边坡灾害 滑坡 崩塌 泥石流 喀斯特地质作用海岸带的质地作用地面塌陷及处理对策地面沉降及监测防治 不良地质现象 岩石风化 斜坡滑动与崩塌 河流的侵蚀与堆积 岩溶 地震等 这些地质现象可能会对工程的安全和使用起到不同程度的不良影响 甚至危害甚大 因而称这些地质现象为不良地质现象 地面塌陷 概述地面塌陷的危害我国地面塌陷的分布特点地面塌陷的形成条件及发生机理岩溶塌陷的稳定性评价地面塌陷的防治 主要内容 一 概述 定义 地面塌陷是指天然洞穴或人工洞室 巷道上覆岩土体失稳突然陷落 导致地面快速下沉 开裂的现象和过程 地面塌陷造成的地面变形量大 变形速度快 且具有突然性 事前往往很难准确判断发生的时间 加之 其发生过程可导致地面建筑物开裂 倒塌 甚至整体陷落 公路 桥梁扭曲错断 农田肢解以及大量的人员伤亡 所以 地面塌陷是人类面临的一种地质灾害 地面塌陷 地下存在空洞是地面塌陷发生的先决条件 地下空洞可分为天然洞穴和人工洞室两类 天然洞穴 由自然地质作用形成的 包括岩溶洞穴 土洞 黄土洞穴 红土洞穴 冻胀丘融化形成的土洞 和熔岩洞穴 人工洞室 人工采掘活动所形成的 包括人防工程 地铁 隧道 涵洞和采矿形成的地下巷道系统 目前面临的地面塌陷主要包括岩溶塌陷和采空区塌陷 矿山采空区地面塌陷是人为诱发地面塌陷的最主要类型 地面变形地质灾害的类型 按地面变形的形式分类地面沉降地面塌陷地裂缝渗透变形特殊岩土胀缩变形2 按地面变形的成因分类内动力地面变形 地震裂缝 地震塌陷 构造地裂缝 火山地面变形等水动力地面变形 由地表水和地下水运动引起的地面变形 如由江河湖海波浪和水流冲蚀而形成的库岸再造 岩溶水动态变化造成的岩溶塌陷 过量开采地下水引起的地面沉降 坡面流引起的地面冲刷等重力地面变形 崩塌 滑坡 黄土湿陷等人类活动诱发地面变形 修路开挖边坡 采矿地面塌陷 城市建设平整土地 农业活动中的梯田改造等 二 地面塌陷的危害 1 破坏地面建筑 造成人员伤亡 2009年8月8日 安徽省合肥市长江中路与徽州大道交叉口发生路面塌陷 一辆蓝色出租车掉入塌陷区中 2009年7月4日凌晨2时30分许 鄂州市汀祖镇刘云村陈盛湾村内 一幢占地面积百余平方米的平顶楼房部分向地下塌陷6米 户主30岁的儿子被埋遇难 安徽淮南采空区塌陷 黑龙江鹤岗煤矿 开采70多年来 已塌陷土地41 97km2 搬迁房屋总建筑面积39 7 104m2 目前山西省各类矿山采空区已达2万多平方公里 以全省15 6万平方公里的土地面积计算 山西有近七分之一的地面已经成为 悬空区 使大面积土地塌陷 2000年4月6日下午4时 8时 洪山区青菱乡烽火村地面塌陷 陷坑18个 最大陷坑长63米 深6 7米 最小陷坑1 2长 深小于2米 陷坑带呈近东西向分布 散分在东西300米 南北250米的范围内 有2栋民房完全倒塌 有16栋民房出现不同程度的开裂 破损 2008年8月11日 贵州沿河自治县谯家镇韩家村桃子坪发生一起地面塌陷 造成一人失踪 3间民房及2亩耕地损毁 危及附近农户9户38人 房屋24间 贵州沿河一村庄发生地陷 村民跌入深坑失踪 2014年2月14日深度8 10m 直径12m 损失8两超级跑车 美国Corvette博物馆 西安70米长路面塌陷 9辆货运汽车掉进深约3米 长约70米的坑中附近群众以为地震 2 损毁铁路 公路和水利设施 2008年11月15日杭州地铁一号线地面塌陷事故 造成75米的路面陷落了15米 正在行驶的十一辆汽车包括一辆公交车陷入坑内 17人死亡 4人失踪 我国东部岩溶区 铁路4010公里 岩溶塌陷376处 近十年间中断车1860小时 颠覆列车3次 3 引发矿井水患 2009年7月22日黑龙江省鸡西市鑫永丰煤矿发生采空区地面塌陷 形成面积约3000m2 深10余米的塌坑 由于正值降雨 水与流沙大量涌入坑内 使矿井淹没 23名当班矿工被困井下 4 破坏农田 三 我国地面塌陷分布的特点 一 岩溶地面塌陷分布据1993年的不完全统计 南方岩溶地面塌陷点已发现34072个 占全国总数的96 5 其中湖南省有14152个 居全国之首 其次为广东省和广西壮族自治区 分别为8751个 8735个 再其次为贵州 云南 四川 1 北方岩溶地面塌陷区长江以北 由于华北地台大多为大型宽缓的褶皱和断块构造 气候较干旱 降水量少 岩溶发育程度不高 除古代的岩溶洞穴系统有部分残留外 现代岩溶主要以溶蚀裂隙为主 岩溶地面塌陷大多集中在山区与平原的过渡地带 如辽宁省的南部 山东的泰安 枣庄 莱芜 河北的唐山 秦皇岛柳江盆地 江苏的徐州 安徽的淮南 淮北等地 分布有古代岩溶塌陷的痕迹 陷落柱 华北地台曾经历过多次构造运动 地下水的区域排泄基准面也多次变迁 致使碳酸盐岩地层形成大量的洞穴 洞穴坍塌使上覆石炭 二叠纪煤系地层随之下陷 从而形成大小分散的陷落体 即陷落柱 古代岩溶塌陷主要分布在晋 冀 鲁 豫 陕等省 太原西山 汾河沿岸 河北太行山一带的煤田中较为常见 现代已发地面塌陷点1252个 占全国岩溶塌陷总数的3 5 北方岩溶对地面塌陷的影响并不突出 2 南方岩溶塌陷区位于长江以南的广大地区 是我国碳酸盐岩分布最集中 面积最大的区域 总面积约176 08 104km2 气候温热湿润 植被茂密 地质构造多为紧密的褶皱和密集的断块 现代岩溶十分发育 裸露岩溶区和半裸露岩溶区的面积占碳酸盐岩总面积的41 3 主要分布于云南 贵州 四川 广西 湖南 江西 湖北等省 湖南省岩溶塌陷居全国之首 其次为广东省和广西壮族自治区 再其次为贵州 云南 四川 矿山排水 开采地下水 水库蓄水等人为干扰岩溶水流场的活动 是诱发岩溶地面塌陷的主导力量 二 矿山采空区地面塌陷的分布矿山采空区地面塌陷是我国地面塌陷中另一种重要形式 其中煤矿开采造成的地面塌陷比例最大 目前我国采矿业造成的地面塌陷主要分布在全国20个省区市 塌陷点总数达17138个 占全国各种类型地面塌陷总点数44 4 其中湖南省为12549个 再其次为内蒙古自治区2800个 再其次分别为山西 黑龙江 安徽 河南等省 四 地面塌陷的形成条件及发生机理 一 地面塌陷的形成条件1 岩土体的内部条件 1 地下存在空洞 先决条件 具备一定规模的地下无岩土的空间 即空洞 地下空洞的存在有着两方面的意义 其一 它是洞体顶板 侧壁局部冒落物以及塌陷发生时坠落物的储容空间 在地下岩溶发育区 地下洞穴以及溶蚀裂隙还起着将洞穴暂时堆积物输移到远处或深处溶洞的通道作用 其二 地下空洞为具有多个临空面的空腔 空洞的顶 底板和侧壁在周围岩压的作用下极易发生应力集中 而处于稳定性很差的状态 一旦受到外力干扰 容易失稳而发生覆岩的冒落 甚至发生波及地表的塌陷 地下空洞的形成 可以是自然力 也可以是人工挖掘的结果 1 岩溶系统 在可溶盐岩分布区的岩溶洞穴包括各种形态的溶洞 溶隙 管道等 一般而言 当可溶岩岩性较纯 岩层厚度较大 出露分布广 断层较发育 岩层较破碎时 岩溶较易发育 岩溶洞隙的发育一般受岩溶地下水排泄基准面的控制 多发育于浅部 向深部逐渐减弱 浅部岩溶洞隙由于地下水活动频繁 交替强烈 一般连通性较好 成为塌陷物质的储集空间和运移通道 塌陷坑与开口洞隙存在着密切的垂向对应关系 洞穴愈大 塌陷规模也愈大 洞隙开口愈大 塌陷速度愈快 2 地下井巷系统是最易引发地面塌陷的一种人工洞室 人为针对某种专门目的而挖掘 可出现在不同的岩性地层中 而不限于可溶盐岩地层 洞室规模可大可小 可深可浅 随施工进度或采矿计划不断扩大 即在施工完成或闭矿之前 洞室的面积和体积随时间而变 采掘区地应力的变化和调整一致在持续进行 而处于宏观的不稳定状态 人工洞室 尤其是长时间不间断采掘的矿山发生地面塌陷的几率最大 2 洞穴围岩状况地下洞穴的受力状况如同梁的受力 洞的顶板相当于承载上覆岩土体自重的梁 洞的两侧如同位于梁端的两个支点 是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱 一般而论 当洞穴埋藏深度与洞穴高度之比小于25 1时 洞顶上部就会形成三个变形特点不同的带 即冒落带 裂隙带和弯曲带 2 岩土体的外部条件 1 自然影响因素 a 大气降水降雨入渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大 自重加大 下渗水流会湿润裂隙面 降低岩石块体间的抗滑阻力 从而引起洞顶和洞壁的进一步变形而失稳 降雨强度大 历时较长时 入渗的水流进入围岩中的宽大裂隙 形成较大的动水压力和冲刷作用 在岩溶地区 降水入渗对补给封闭岩溶洞穴 快速上升的岩溶水会压缩洞内 形成上挤的压力 导致气爆发生 引发洞顶塌陷 b 河 湖近岸地带的侧向倒灌作用河 湖近岸地带普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层含水介质 汛期洪水位急剧上升的情况下 河 湖水将向地下水产生侧向倒灌 地下水位随之上升 这时岩溶地下水对洞隙上覆盖层土体产生正压力或使浮托力增大 在洪水位迅速回落时 岩溶地下水位回落快于潜水位 对洞隙上覆盖层的浮托力很快消减 通过洞隙开口处从潜水含水层向岩溶洞隙产生垂向的渗透潜蚀作用 在盖层中形成土洞进而扩展形成塌陷 这种现象称之为洪水倒灌潜蚀塌陷 简称为洪水塌陷 c 地震一是地震力可使洞顶覆岩以及洞壁的裂隙进一步扩大 引起岩层破裂 位移加剧 二是洞隙上覆松散饱水细粒物质发生 液化 而形成地面塌陷 2 人为活动的影响矿山采空区地面塌陷 人为激发活动主要表现在地面施加荷载 人为爆破和车辆振动 水库蓄放水的人工调节等 岩溶地面塌陷 除上述人为活动外 地下水的抽排 回灌 尤其是快速 大降深的抽水活动往往是引发地面塌陷最普遍的原因 二 地面塌陷的发生机理 1 矿山采空区地面塌陷的机理 第一阶段为掘进和回采的初期 存在冒落带 裂隙带和弯曲带 第二阶段为地裂缝发展阶段 仅存在冒落带和裂隙带 第三阶段为地面塌陷阶段 仅存在冒落带 2 岩溶地面塌陷的机理 岩溶 水 包括地表水和地下水 对可溶性岩石进行的以化学溶蚀作用为主的改造和破坏地质作用以及由此产生的地貌及水文地质现象的总称 岩溶作用 以化学溶蚀为主 同时还包括机械破碎 沉积 坍塌 搬运等作用 是一个化学 物理相结合的综合作用 可溶性岩石包括碳酸盐岩 硫酸盐岩 卤化物等 1 地下水潜蚀机制地下水位下降时 水力梯度也随之增大 地下水流速加快 动水压力增强 当动水压力大于土体内聚力与颗粒间摩擦力 土颗粒开始被渗流带动迁移 这一现象称为潜蚀或管涌 在覆盖型岩溶区 下伏存在溶蚀空洞 地下水经覆盖层向空洞渗流 或地下水位下降时 水力梯度增大 在一定的水压力作用下 地下水对土体或空隙中的充填物进行冲蚀 掏空 从而在洞体顶板处的土体开始形成土洞 随着土洞的不断扩大 最终引发动洞顶塌落 当土层较厚或有一定深度时 可以形成塌落拱而维持上伏土层的整体稳定 当土堆较薄时 土洞不能形成平衡 形成塌陷的原因很多 如潜蚀 真空吸蚀 振动 土体软化 建筑荷载 因条件不同 产生塌陷的原因而不同 也可能是以一种原因为主导 多种因素综合作用的结果 A 水位下降前的平衡状态 B 水位下降 随着向上侵蚀过程使通道被排空 出现活跃的地下侵蚀 潜蚀进入开阔的洞穴 C 洞穴的顶部逐渐坍陷 可能短期内受钙化砾石层的抑制 D 最后的拱顶坍陷 形成了被同心球状张力裂缝包围的落水洞 2 真空吸蚀效应我国徐卫国等于1979年提出的 国内也普遍接受这一论点 岩溶网络的封闭空腔 溶洞或土洞 中 当地下水位大幅度下降到空腔盖层底面下时 地下水由承压转为无压 空腔上部便形成低气压状态的真空 产生抽吸力 吸蚀顶板的土颗粒 同时内外压作用 覆盖层表面出现一种 冲压 作用 从而加速土体破坏 3 压强差效应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相应的压强差值 4 自重效应雨水入渗后 盖层饱和容重比干容重一般增加30 40 使土拱承受更大的重量 导致塌陷 5 浮力效应岩土体位于地下水位之中 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小 产生塌陷 6 土体强度效应土体吸水饱和后 土体抗剪强度降低 土拱抗塌力减小 产生塌陷 7 其他效应振动效应 荷载效应 酸液效应 五 岩溶塌陷稳定性评价 一 岩溶塌陷的地质模式岩溶塌陷的地质模式是其形成条件组合特征的概括 反映其形成条件的差异 其划分主要考虑塌陷盖层的岩性结构 含水结构 岩溶水位与基岩面及上覆土层水的关系 岩溶塌陷地质模式的组合因子 岩溶塌陷稳定性的评价包括 塌陷堆积体 简称塌陷体 土洞及浅埋岩溶洞隙等三个方面的稳定性评价 塌陷体的稳定性主要根据塌陷的微地貌特征 堆积物的性状及地下水埋藏与活动情况等因素进行定性评价见表 二 岩溶塌陷的稳定性评价 1 塌陷体的稳定性评价 2 土洞稳定性的评价休止状态的土洞其稳定性主要取决于土洞顶板埋深或其与安全临界厚度之比 1 成拱分析法 普罗特尼可夫塌落拱理论 当洞隙顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时 或处于松散层中的土洞 可认为顶板将成拱形塌落 而其上荷载及岩 土体则由拱自身承担 此时破裂拱高h为 式中 h 破裂拱高 安全临界高度 m h0 洞隙高度 m b 洞隙宽度之半 m 内摩擦角 度 f 坚固系数 普氏系数 R 岩石单轴饱和抗压强度 MPa n 粘性土剪切面上的正压力 c 土的粘聚力 2 坍塌平衡法土洞顶板土体的平衡条件 见图 是 式中 G ABDC土体自重 F 侧壁摩擦阻力 H0 极限平衡时的顶板厚度 安全临界厚度 D 土洞跨度 土体密度 侧压力系数 内摩擦角 3 顶板坍塌堵塞法对于顶板较破碎的洞隙或土洞顶板 在洞内无水流搬运迁移的情况下 坍落后其体积松胀 当坍塌到一定高度时 洞体将被完全堵塞 此时可认为洞体空间已被支撑 不再向上扩展 其所需的坍塌高度 即安全临界高度 h1可估算如下 3 浅埋岩溶洞隙的稳定性评价 1 浅埋岩溶洞隙稳定评价的原则当岩溶洞隙基岩顶板厚度过薄或软弱破碎时 将会丧失稳定而垮塌 对浅埋的岩溶洞隙 除主要受洞隙规模影响外 还受基岩埋深 覆土的岩性结构与性状及地下水位埋深等因素的影响 洞隙稳定性的评价一般采用定性评价与半定量评价相结合的方法 定性评价是洞隙稳定条件的地质分析 是评价的基础 半定量评价尽管计算方法比较严密 但限于条件的概化难以完全符合实际 其边界和参数的确定也难以达到足够的精度 因此只能起到补充和核对的作用 2 洞隙稳定性的定性评价根据洞隙的稳定条件和影响稳定的各种因素 综合分析评价其稳定性见表 洞隙稳定性定性评价 3 洞隙稳定性的半定量评价 a 洞隙顶板的安全厚度评价对于比较完整的微风化坚硬岩石组成的洞隙顶板 根据大量的洞隙地基工程实例调查统计 其安全厚度主要与洞跨有关 一般洞隙厚跨比 即为稳定安全 b 结构力学近似分析法 按洞隙顶板抗弯厚度计算按板梁受力情况 其受力弯矩按下列情况计算 A 当顶板跨中有裂缝 顶板两端支座岩石坚固完整时 按悬臂梁计逄 B 当裂隙位于支座处 而顶板较完整时 按简支梁计算 C 若支座和顶板岩石均较完整 裂隙胶结良好时 按两端因定梁计算 抗弯验算 对于矩形梁 故 式中 M 弯矩 kN m q 顶板所受总荷载 q q1 q2 q3 q1 顶板厚为h的岩石自重 kN m q2 顶板覆土层自重 kN m q3 顶板上附加荷载 kN m l 洞隙跨度 m 弯曲应力 kPa 抗弯强度 kPa 对灰岩一般取抗压强度的1 10 0 125 b 梁板的宽度 m h 顶板岩层厚度 m 按洞隙顶板抗剪的安全厚度验算 由下列极限平衡条件计算顶板厚度h 式中 F 上部荷载传至顶板的竖向力 kN G 顶板岩土自重 kN U 洞体顶板处平面周长 m frv 顶板岩体的抗剪强度 对灰岩一般取抗压强度的0 06 0 13 kPa 除上述计算公式外 应用于土洞稳定性评价的成拱分析法 坍塌平衡法及坍塌堵塞法等计算公式 也可利用 六 地面塌陷的防治 以防为主 及时治理 一 岩溶地面塌陷的防治1 岩溶地面塌陷灾害预防 1 查明洞穴分布 调查工作应在查明区域地质 水文地质背景的基础上 运用钻探和物探手段确定浅表洞穴的分布情况 并从危险性的角度进行分区 对松散堆积物厚度不大 且直接覆盖在溶洞和隙宽较大溶隙开口处的那些地段 要予以高度重视 不应布设任何建筑物 2 对已出现地面变形 但尚未塌陷的地点 要圈围出警戒区 及时撤离人员 3 拟建的以岩溶水为开采对象的供水源地布设地点 场地选择时 应事先进行致塌危险性的充分论证 并尽可能远离村镇和人口密集区 4 对分散开采的农村井机 应强调小流量小降深逐渐过渡到预定开采量的操作方法 以避免洞穴负压的形成 5 在可能出现塌陷的地段 要防止地表水的进入 对严重漏水的河溪 库塘进行铺底防漏或人工改道 6 加强对岩溶水位 尤其是地面变形的监测 要注意宣传 加强群测群报的工作 2 岩溶地面塌陷的治理 1 清除填堵法常用于相对较浅的塌坑或埋藏浅的土洞 清除其中的松土 填入块石 碎石形成反滤层 其上覆盖以粘土并夯实 广西桂林榕城回填堵塞法治理岩溶地面塌陷 2 跨越法用于较深大的塌陷坑或土洞 对建筑物地基而言 可采用梁式基础 拱形结构 或以刚性大的平板基础跨越 遮盖溶洞 避免塌陷危害 对道路路基而言 可选择塌陷坑直径较小的部位 采用整体网格垫层的措施进行整治 铁道部门用扣轨梁跨越岩溶塌陷 4 钻孔充气法随着地下水位的升降 溶洞空腔中的水气压力产生变化 经常出现气爆或冲爆塌陷 设置各种岩溶管道的通气调压装置 破坏真空腔的岩溶封闭条件 平衡其水 气压力 减少发生冲爆塌陷的机会 湖南白洋湾水库用卧管和烟筒通气法防治岩溶塌陷 3 强夯法在土体厚度较小 地形平坦的情况下 采用强夯砸实覆盖层的方法消除土洞 提高土层的强度 5 灌注填充法在溶洞埋藏较深时 通过钻孔灌注水泥砂浆 填充岩溶孔洞或缝隙 隔断地下水流通道 达到加固建筑物地基的目的 灌注材料主要是水泥 碎料 砂 矿渣等 和速凝剂 水玻璃 氧化钙 等 山东泰安车站用灌浆堵塞岩溶裂隙防治地面塌陷 6 深基础法对于一些深度较大 跨越结构无能为力的土洞 塌陷 通常采用桩基工程 将荷载传递到基岩上 7 旋喷加固法在浅部用旋喷桩形成一 硬壳层 在其上再设置筏板基础 硬壳层 厚度根据具体地质条件和建筑物的设计而定 一般10 20m即可 铁道部门用旋喷桩加固软土地基防治岩溶塌陷 二 矿山采空区地面塌陷的防治1 采空区地面塌陷危害的预防 1 矿山开采前应结合开采方式 开采进度 运用采动理论估算不同开采期 地面变形的范围和程度 做出风险评估 2 要明确禁采区和限采区 对地表重要建筑物 水库和城镇所在地要结合采深采厚和地质条件分析 拿出危害后果最小的开采方案 3 开采过程中要对不同区块的地面变形进行监测预报 及时撤离人员 4 矿坑排水设计必须考虑地面塌陷的可能地点 规模 避免单纯追求疏干工期的做法 5 改进井巷顶板管理方法