巖溶及巖溶地區(qū)的工程地質(zhì)分析

巖溶及巖溶地區(qū)的工程地質(zhì)分析巖溶基本概念巖溶也稱喀斯特(karst),是指以碳酸鹽為主的可溶性巖石（石灰?guī)r、白云巖、石膏、巖鹽）地區(qū)，由于地表徑流和地下水流對(duì)巖石的溶蝕作用和機(jī)械破壞作用，在巖體中形成洞穴，或在巖層的表面形成奇峰異石等獨(dú)特的地貌景觀。南斯拉夫的喀斯特高原是典型地區(qū)，并因此得名"喀斯特"。1966年5月在中國第二次全國巖溶學(xué)術(shù)會(huì)議上將“喀斯特”以“巖溶”作為中國的通用術(shù)語。凡是以地下水為主，地表水為輔，以化學(xué)過程（溶解與沉淀）為主。機(jī)械過程（流水侵蝕和沉積，重力崩塌和堆積）為輔的對(duì)可溶性巖石的破壞和改造作用都叫巖溶作用。這種作用所造成的地表形態(tài)和地下形態(tài)叫巖溶地貌。巖溶作用及其所產(chǎn)生的水文現(xiàn)象和地貌現(xiàn)象統(tǒng)稱巖溶。巖溶在我國分布非常廣泛，典型的分布區(qū)有廣西桂林、陽朔、柳州以及云南東部、貴州的大部分地區(qū)廣西的桂林山水、云南的路南石林皆聞名于世。這些奇異的景觀都發(fā)育在碳酸鹽巖地區(qū)。整個(gè)西南石灰?guī)r地區(qū)連成一片，面積共達(dá)550000km2;全國石灰?guī)r分布面積約1300000km2,約占全國總面積的13.5%二．研究意義由于巖溶地區(qū)有著獨(dú)特的水文特征和地貌特征，因此在巖溶地區(qū)進(jìn)行各種經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生活生產(chǎn)會(huì)遇到非巖溶地區(qū)所沒有的問題。在巖溶地區(qū)，由于存在大量的地下空洞，盡心水庫修建時(shí)要注意防止?jié)B漏問題，在開鑿睡到和建設(shè)礦井時(shí)要注意涌水排水問題，在建筑鐵路、橋梁和廠房時(shí)要注意地基塌陷問題。三．巖溶作用的基本條件在自然界，要保證巖溶作用能進(jìn)行，必須有水在碳酸鹽巖內(nèi)部的裂隙或孔隙中流兩者不斷地相互接觸和相互作用，而且不斷循環(huán)更替，排除鈣離子飽和的補(bǔ)入未飽和的。這就要求具有以下條件：1.在可溶性巖石中具有一定的裂隙或孔隙系統(tǒng)，為水的循環(huán)提供通道。碳酸鹽巖一般都是又層面裂隙與構(gòu)造裂隙的，如果有裂隙就會(huì)形成更好的通道。白云巖內(nèi)由于白云巖化作用還有較高的孔隙度。2.有適宜的地貌條件和地質(zhì)構(gòu)造條件，為誰的向碳酸鹽巖中、中滲入提供補(bǔ)給途徑，并為水的排出碳酸鹽巖體之外提供通道。四．巖溶地貌1.地表喀斯特地貌（1）．溶溝和石芽溶溝是指地表水沿巖石表面和裂隙流動(dòng)過程中不斷對(duì)巖石溶蝕和侵蝕，從而形成的石質(zhì)溝槽；石芽指突出于溶溝之間的石脊，其實(shí)它是溶溝形成過程中的殘余物。云南地區(qū)的石林就是發(fā)育比較好的形態(tài)高大的石芽群，它的形成條件是厚層、質(zhì)純、產(chǎn)狀平緩、垂直節(jié)理稀疏和濕熱的氣候環(huán)境。（2）．天坑和豎井主要是由于巖溶地面不斷凹陷，形成漏斗狀的圓形洼地或豎井狀的洞，在我國的重慶和四川南部地區(qū)分布較為廣泛，他形成于陡峭的坡地兩側(cè)和洼地、盆地底部，因?yàn)榱魉刂鴰r石的裂隙侵蝕強(qiáng)烈，所以天坑或豎井深達(dá)幾十米到幾百米。（3）．溶蝕洼地和溶蝕谷地溶蝕洼地是一種范圍廣，近似圓形的封閉性巖溶洼地，四周多低山和峰林，底部平坦，雨季易澇，旱季易干。面積一半數(shù)平方千米至十幾平方千米。溶蝕谷地是溶蝕洼地進(jìn)一步擴(kuò)大或融合而形成的，它受構(gòu)造影響比較大，面積更為廣，一般數(shù)十平方千米至數(shù)百平方千米，平面條狀分布，長達(dá)數(shù)十公里，底部平坦，常有地表徑流，例如廣西都安有一溶蝕谷地寬一公里，長十公里。這種喀斯特地形在我國云貴高原分布廣泛，當(dāng)?shù)厝朔Q之為“壩”。（4）．干谷干谷是地表徑流消失后巖溶區(qū)遺留下來的谷地，它的形成原因是河流的某一段河道水流沿著谷底的豎井或水洞流入地下，形成地下徑流。這種地表徑流轉(zhuǎn)為地下徑流的現(xiàn)象叫做伏流。還有一種形對(duì)淺埋的巖溶土洞,將其挖開或爆破揭頂,如洞內(nèi)有塌陷松軟土體,應(yīng)將其挖除,再以塊石、片石、砂等填入,然后覆蓋粘性土并夯實(shí),稱挖填法。對(duì)巖溶洞、隙、溝、槽、石芽等巖溶突出物,可能引起地基沉降不均勻,將突出物鑿去后做30-50cm砂土墊褥處理,稱為墊褥法。3.2加固法該法通常包括灌漿法、頂柱法、強(qiáng)夯法、擠密法、漿砌法等。對(duì)埋深較大的巖溶土洞,宜采用密鉆灌漿法加固。應(yīng)視巖溶洞隙含水程度和處理目的來選擇材料。用于填塞時(shí),可用粘土、砂石、混凝土、水泥砂漿等;用于防滲時(shí),可用水泥漿和瀝青作帷幕,灌漿順序可先外圍后中間,先地下水上游后下游;用于充填加固時(shí),用快干材料或砂石等將洞隙先行填塞,開始時(shí)壓力不宜過高,以免漿料大量流出加固范圍。在對(duì)廣州白云機(jī)場候機(jī)樓擴(kuò)建工程巖溶地基處理過程中,程鑒基運(yùn)用雙液化學(xué)硅化法對(duì)復(fù)雜多層含水溶洞成功進(jìn)行加固。當(dāng)洞頂板較薄、裂隙較多、洞跨較大,頂板強(qiáng)度不足以承擔(dān)上部荷載時(shí),為保持地下水通暢,條件許可時(shí)采用附加支撐減少洞跨,稱頂柱法。在覆蓋形巖溶區(qū),處理大面積土洞和塌陷時(shí),強(qiáng)夯法是一種省工省料、快速經(jīng)濟(jì)且能根治整個(gè)場地巖溶地基穩(wěn)定性的有效方法。一般夯擊遍數(shù)1~8遍,夯點(diǎn)距3m。如無地下水影響,兩遍夯擊間歇時(shí)間可不受限制,在夯擊過程中,如果夯錘突然下陷,說明下部有隱伏土洞,此時(shí)可隨夯隨填土或砂礫土料處理。對(duì)巖洞土洞中軟土較深地段,適宜于擠密性。采用砂柱、石灰柱、松土樁、混凝土樁或者鋼管等打入洞內(nèi),形成復(fù)合地基,提高地基穩(wěn)定性和強(qiáng)度。3.3跨越法此法包括板跨法、梁跨法、拱跨法等。深度較大、洞徑較小不便入內(nèi)施工或洞徑雖大、但因有水的溶洞,可據(jù)建筑物性質(zhì)和基底受力情況,用混凝土板或鋼筋混凝土板封頂,稱板跨法。對(duì)埋藏較深但仍位于地基持力層內(nèi)的規(guī)模較小的塌陷或土洞,可用彈性地基梁或鋼筋混凝土梁跨越土洞或塌陷體。在地下建筑工程的邊墻、塹式擋墻、堤式坡腳擋墻及橋墩、橋臺(tái)等地基下常見洞身較寬、深度又大、洞形復(fù)雜或有水流的巖溶地基,宜采用拱跨形式。3.4樁基法溶洞、塌陷漏斗較深較大或溶洞多層發(fā)育,可采用樁基礎(chǔ)。在基巖起伏處,其上覆土層性質(zhì)較軟弱、厚度又大、不易清除時(shí),宜采用鉆孔或沖孔灌注樁、爆擴(kuò)樁,視工程需要作支承樁或摩擦樁,樁頭錨入基巖內(nèi);采用打入樁時(shí),樁尖應(yīng)錨入基巖,采用人工挖孔樁時(shí),多數(shù)情況開挖時(shí)宜設(shè)護(hù)壁。在巖溶地區(qū)，由于地表覆蓋層下有石芽溶溝，巖體內(nèi)部有暗河、溶洞，建筑物的地基通常是很不均勻的。上覆土層還常因下部巖溶水的潛蝕作用而塌陷，形成土洞。土洞的塌陷作用常常是突然發(fā)生的。土洞出現(xiàn)的地區(qū)往往就是地下巖溶發(fā)育的區(qū)域。根據(jù)巖溶發(fā)育的特點(diǎn)，巖溶地區(qū)可能遇到以下幾類地基：1.石芽地基由于地表巖溶作用，石灰?guī)r表層溶溝發(fā)育。縱橫交錯(cuò)的溶溝之間多殘留有錐狀或尖棱狀的石芽，致使石灰?guī)r基面高低不平，形成石芽地基。石芽間的溶溝常被土充填，因此強(qiáng)度較低，壓縮性較高，易引起地基的不均勻沉降而影響建筑物的穩(wěn)定性。因此，在石芽地基上修建建筑物時(shí)，必須查清基巖的埋深、起伏情況、覆蓋土層的壓縮性及石芽的強(qiáng)度。2.溶洞地基 溶洞地基的穩(wěn)定性取決于溶洞的規(guī)模、埋深及充填情況。當(dāng)溶洞的規(guī)模大、埋深淺、溶洞頂板承受不了建筑物的荷載時(shí)，就會(huì)使溶洞頂板坍塌、地基失穩(wěn)。當(dāng)建筑物地基直接遇到溶洞時(shí)，可視溶洞的規(guī)模及充填物情況，進(jìn)行適當(dāng)處理。規(guī)模小，可采用清除或堵塞，或蓋板跨越；規(guī)模大，則不宜作為建筑物的地基。為了確保溶洞地基的穩(wěn)定性，必須根據(jù)溶洞的規(guī)模、溶洞頂板巖層的性質(zhì)確定洞穴離地面的安全深度，即溶洞頂板的安全厚度。當(dāng)溶洞埋深大于安全厚度時(shí)，地基是穩(wěn)定的；否則地基不穩(wěn)定，必須進(jìn)行處理。實(shí)踐中，對(duì)溶洞頂板安全厚度的確定常采用以下方法：a.對(duì)洞頂完整的溶洞，頂板安全厚度采用厚跨比法確定。認(rèn)為當(dāng)溶洞頂板厚度h與建筑物跨過溶洞的長度L之比h/L>0.5時(shí)，溶洞頂板安全。b.對(duì)頂板不完整、洞頂坍塌的溶洞，頂板安全厚度洞頂板坍塌堵塞計(jì)算法。所需塌落高度(H)按下式計(jì)算：H=H0/(K-1)式中H0——洞體最大高度（m）；K——巖體松散（漲余）系數(shù)，石灰?guī)rK=1.2，粘土K=1.05。c.若溶洞頂板不完整，裂隙、節(jié)理發(fā)育，則可按裂隙節(jié)理分布特征采用受力的梁（板）計(jì)算彎矩，根據(jù)彎矩和巖體應(yīng)力求洞頂板的厚度。3.土洞地基在覆蓋型巖溶地區(qū)，可溶巖的上覆土層中常常發(fā)育著空洞，一般叫土洞。當(dāng)土洞頂板在建筑物荷載作用下失去平衡而產(chǎn)生下陷或塌落時(shí)，則危及建筑物的安全。因此，凡是巖溶地區(qū)有第四紀(jì)土層分布的地段，都要注意土洞發(fā)育的可能性，應(yīng)查明土洞的成因、形成條件，土洞的位置、埋深、大小，以及與土洞發(fā)育有關(guān)的溶洞、溶溝的分布。由于溶洞的形成與地表水和地下水的關(guān)系極為密切，土洞的處理首先措施是治水，然后根據(jù)具體情況，可采取以下方法處理：a.當(dāng)土洞埋深較淺時(shí)，可采用挖填和梁板跨越；b.對(duì)直徑較小的深埋土洞，因其穩(wěn)定性好，危害性小，故可不處理洞體，而僅在洞頂上部采取梁板跨越；c.對(duì)直徑較大的深埋土洞，可采用頂部鉆孔灌砂（礫）或灌碎石混凝土以充填空間。二、滲漏和突水問題地區(qū)的巖體中有許多裂隙、管道和溶洞，在進(jìn)行水庫、大壩、隧道、基坑等工由于巖溶程活動(dòng)時(shí)，如存在承壓水并有富水優(yōu)勢斷裂作為通道，則可能會(huì)遇到地下突水而導(dǎo)致基坑、隧道等工程的排水困難甚至淹沒，也可能因巖溶滲漏而造成水庫無法蓄水。庫區(qū)應(yīng)選在地勢低洼，四周地下水位較高，上游有大泉出露而下游無大泉出露，上下游流量沒有顯著差異的河段上，要避免鄰區(qū)有深谷大河。如果發(fā)現(xiàn)庫底有滲漏，應(yīng)根據(jù)不同的滲漏形式和特點(diǎn)懸著相應(yīng)的處理方法。例如對(duì)集中型滲漏應(yīng)以“堵”“截“為主；對(duì)分散型滲漏應(yīng)以”鋪“”灌“為主。多數(shù)情況下，由于滲漏形式和通道較復(fù)雜，需要采取綜合處理。1.堵：是處理集中滲漏通道的主要辦法。可利用不同的材料堵塞空洞，堵塞材料可因地制宜采用塊石、砂、混凝土或粘土等。2..截：系指在地下管道的集中滲水出筑隔水墻截?cái)酀B漏通路。3.圍：庫區(qū)有個(gè)別大溶洞或反復(fù)泉，采用簡單的堵法不能見效，可以修筑高煙筒圓形圍墻，將其與水庫隔離以達(dá)到防滲的目的。4.鋪：是處理地表呈面狀或帶狀的分散滲漏帶的常用辦法。庫岸斜坡常用混凝土蓋板或粘土斜墻。庫底則常用粘土鋪蓋。5.灌：灌入漿液充塞孔洞和裂隙，并使經(jīng)過灌漿的地帶連成一帷幕，以起到防止?jié)B漏的作用，這是防止壩基和繞壩防滲最常用的辦法。對(duì)巖溶突水的處理，原則上以疏導(dǎo)為主。對(duì)隧道中的巖溶水，可用水管引入隧道邊溝或中心排水溝排出。水量過大時(shí)，可用平行導(dǎo)坑排水。第三章結(jié)語及參考文獻(xiàn)結(jié)語規(guī)劃工程場地應(yīng)在滿足工程需要盡量避開巖溶發(fā)育區(qū)。無法避開時(shí),綜合考慮工程荷載、重要性、施工工藝,把地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體,綜合運(yùn)用多種處理方法,揚(yáng)長避短,以便取得最佳技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效