Question

岩溶区土洞发育机制的分析^[]

Answer 1

土洞是岩溶区常见的一种岩溶作用产物，它的形成和发育与土层的性质、水的活动、岩溶的发育等因素有关。其中地下水或地表水的活动是土洞发育最重要最直接的影响因素。地下水或地表水的活动和运移，将对土层产生潜蚀作用及崩解作用而形成土洞。此外，土洞洞体形成后，其洞壁周围将产生应力集中现象，当地下水位发生变化时，将进一步改变土洞洞壁周围土体的应力状态，并有可能致使洞体周边处产生破坏，土洞进一步扩大而最终导致塌陷。

此外，土洞发育具有以下特征：

(1)土洞多位于粘性土层中，砂土及碎石土中少见。在粘性土中，凡颗粒细、粘性大、胶结好、水理性稳定的土层，不易形成土洞；反之，则易形成。

(2)在溶槽处，经常有软粘土分布，其抗冲蚀能力弱，是土洞发育的有利部位。

(3)土洞是岩溶作用的产物，其分布受岩性、岩溶水、地质构造等因素控制。凡具备土洞发育条件的岩溶发育的地区，一般均有土洞发育。

(4)土洞常分布于溶沟两侧和落水洞、石芽侧壁的上口等位置。

(5)由地下水形成的土洞多位于地下水变化幅度以内，且大部分分布在高水位与低水位之间。在最高水位以上及低水位以下，土洞少见。

1.2.1 潜蚀作用、崩解作用和真空吸蚀作用对土洞发育的影响

1.2.1.1 潜蚀作用对土洞发育的影响

潜蚀是在地表水或地下水的渗透作用下，土体中的细颗粒在孔隙通道中移动并被携出的现象。在岩溶区的土层中，渗透水的水力梯度加大，水力流速加快，动水压力增强，且水力坡度达到某一临界值J_kp时，土中细粒被渗流带走迁移，产生土洞甚至塌陷。太沙基(1933)根据单位体积的土体在水中的浮重和作用于该体积的渗透水相平衡原理，得到土体产生潜蚀作用的临界水力梯度J_kp为：

J_kp=(G_s-1)(1-n) (1-6)

式中：G_s为土颗粒相对密度；n为土体的孔隙率。

当土层中地下水渗流的水力梯度大于临界水力梯度J_kp时，土层就有可能产生潜蚀破坏。例如：桂林市漓江一级阶地中的冲洪积的粉质粘土、粉土地层，其土颗粒相对密度一般为2.65～2.70，孔隙率n为40%～50%，那么其产生潜蚀的临界水力梯度为0.83～1.02，当地下水位急剧变化时，其水力梯度就有可能超过临界水力梯度，土体将产生潜蚀破坏。据调查，桂林市漓江两岸的80%的土洞及塌陷发生在水位变化幅度较大的冬春两季，尤其是冬春之交，如桂林工学院教职工宿舍32^＃场地地面产生的塌陷、图书馆地面塌陷等，就是由于粉质粘土、粉土地基中地下水的潜蚀作用而产生的。

一般来说，潜蚀作用多发生在黏粒含量相对较少，颗粒相对较粗的土层中，纯粘土中一般较少发生，粘土中由于含有较多的亲水矿物，在地下水的作用下较易发生崩解作用。潜蚀作用还与土颗粒的级配和颗粒大小有关，级配良好的砂、土，其空隙相对较大，较易产生潜蚀破坏，其临界水力梯度相对较低，抵抗渗透变形的能力较弱；配级不良的砂、土，粗颗粒空隙常被细颗粒充填，其空隙相对较小，较难发生潜蚀；而黏性土，由于其孔隙通道细小，粒间具有一定的黏结力，较不易产生单个颗粒的潜蚀作用，但在粗、细颗粒交界处，则容易产生接触冲刷或接触流土而形成土洞。例如：在桂林漓江两岸，广泛地存在黏性土、粉土、砂等二元或多元结构，当地下水位变化时，渗透水流垂直于层面运动，将细颗粒带入粗粒层中而产生接触流土，并最终发育成土洞乃至塌陷。

1.2.1.2 崩解作用对土洞发育的影响

黏性土由于浸水而发生崩解散体的现象叫崩解，崩解是由于土体没入水中后，水进入孔隙或裂隙中的情况不平衡，因而引起粒间扩散层增厚的速度也不平衡，以致粒间斥力超过引力的情况也不平衡，故产生了应力集中，使土体沿着斥力超过引力最大的面崩落下来。土体的成分、结构是影响崩解性的主要因素。

岩溶区广泛分布红粘土，红粘土含有较多的亲水矿物，例如：通过X射线衍射分析，桂林市区残积红粘土矿物成分中，伊利石约占40%～60%，高岭土占20%～30%，伊利石/蒙脱石混层矿物占10%～20%，它们的结构联结力较弱，易于水化，遇水易产生崩解。由于水化崩解后的土将会在自重作用下脱离土体，故土体不断产生新的临空面，使水化崩解过程可以向上部继续发展，甚至在地下水不运动的情况下，土体也可以产生较明显的破坏裂纹空间。一般来说，当土层出现干湿交替变化，土层的含水量或饱和度产生较大变化时，土层更容易崩解。这也是红粘土中土洞塌陷多发生在暴雨过后水位上升或人为降水之后的原因之一。

地下水位升降是土层崩解乃至塌陷最活跃的因素，地下水位变化愈频，土体崩解崩解愈快。根据不同水位变幅的崩解试验，土层的崩解率总体上随着水位的变幅的增大而增大，而水流速度的改变对土层崩解的影响在短期内是不大的。

除地下水动力因素外，地下水化学成分也是导致岩溶区土层土洞发育并塌陷的原因之一。不同水质的水体对土体崩解的影响存在明显差别，其中酸性水体的作用更具有突发性；如1981年，桂林市第二造纸厂排放的酸性溶液渗入地基中，造成较大范围的土洞发育及塌陷，主要是由于酸性液体渗入土体，使土体中的CaCO₃或 CaMg(CO₃)溶解，粒间联结变小，结构破坏。

水溶液的成分对崩解作用的影响，还表现为当水溶液的阳离子为一价离子时，缓慢崩解成细小的颗粒，并使水混浊成悬液，并且与原始含水率无关；若水溶液中的交换阳离子为二价的镁和钙时，则崩解特征与原始含水率有关，干土很快地崩解，湿土较为稳定；当水溶液中阳离子为三价的铝和铁时，土不易崩解。例如：桂林地区地下水中的阳离子主要为二价钙离子，其次为二价镁离子，土体在干燥时易崩解，而湿时较稳定，当久旱未雨后突遇大雨，地下水位升高，原来干燥的土遇水浸泡很容易产生崩解而形成土洞甚至塌陷。

1.2.1.3 真空吸蚀作用对土洞发育的影响

当经潜蚀作用和崩解作用形成较小规模的土洞后，真空吸蚀作用将有利于土洞的发育和扩大。真空吸蚀作用，是在岩溶区特定的地质-水文地质结构体系内，即岩溶真空地质环境中发生与形成的，与岩溶网络地下水面下降在土洞和土洞通道内造成的真空相关，是导致土洞周边土体结构机械破坏的原因之一。当地下水位大幅度下降到土洞空腔底面下时，空腔上部便形成相对真空，此时对盖层产生强大的抽吸力，并可引起以下三种作用：

(1)初始真空吸盘吸蚀作用：当土洞内存在地下水，因地下水位大幅下降，当水压面下降刚刚转为无压时，水面对盖层底面便产生如同吸盘一样的液面吸吮作用，紧紧地吸住土洞盖层，使土洞周边土体结构破坏并进一步发展扩大。

(2)真空腔吸蚀作用：在土洞空腔内，当初始真空吸盘离开盖层底面后，在下降的水与盖层之间形成真空腔，对土洞周边土体产生嘬蚀作用，把盖层内细小土粒和水分等嘬吸出来，使土洞周边土体结构变疏松，含水量增大，加快剥蚀，使土洞扩大。

(3)漩吸漏斗吸蚀作用：这是一种发生在地表水体与真空腔之间的盖层内部吸蚀作用，当土洞覆盖层厚度不大，土体为粉质粘土、粉土时。例如漓江一级阶地二元结构中发育土洞(土洞盖层厚度一般小于10m)。由于土洞处于相对真空，地表水在大气压的作用下，易被吸入土洞真空腔，并在盖层的通道内形成漩涡流，将穿透盖层周围土颗粒而使土洞发展扩大。

1.2.2 地下水位升降对土洞发育扩大的影响

岩溶区的土层，经前述地下水的潜蚀作用或崩解作用，起初形成较小的土洞，并认为土洞为球形。根据弹性理论，土洞洞壁周围将产生应力集中。

1.2.2.1 球形土洞的弹性力学分析

设一半径为a的球形土洞，受内压力为P_a；并假设同球心半径为b的球面上受一均布外压力P_b(设b＞＞a)。此问题相当于厚壁球形容器在内、外压力作用下的轴对称弹性力学问题(图1-1)。

图1-1 厚壁球形容器在内、外压力作用下示意图

Fig.1-1 Diagram for thick wall spherical container with the action of inner pressure and external pressure

根据弹性力学分析，不难得到球形容器的应力状态方程：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：σ_θ、σ_r分别为半径为r时，球形容器球面上的切向应力、径向应力(kPa)；a、b分别为球形容器的内、外半径(m)；P_a、P_b分别为球形容器所受内、外初始压力(kPa)。

由于b≫a，即

，所以(1—7)式可写成如下：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

当只有外压力P_b作用时，即P_a=0，此时(1-8)式变为如下：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

根据圣维南原理，由于外压力P_b作用，将对容器内半径a边界周围附近产生应力集中，而远离内边界越远，应力集中影响越弱，其应力状态越接近原始应力。据(1-9)式可知：当r=3a时，σ_θ=1.02P_b，σ_r=0.96P_b与原始应力P_b误差不超过4%，从误差角度上来说，满足工程要求。

而当只有内压P_a作用，P_b=0时，此时(1-8)式可写成如下：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

同样，由于内压 P_a的作用，随着 r 的增大，其影响越来越小，当 r=3a时，σ_θ=0.02 P_a，σ_r=-0.04 P_a，即当r=3a时，由于P_a的作用，其对r=3a球面上应力的贡献分别只有0.02 P_a和-0.04 P_a，也小于5%P_a，满足工程上的要求。

通过对上述厚壁球形容器的应力分析可知：对于地面以下深度为h，半径为a的球形土洞。有地下水作用时，可视为产生的内压力P_a，而土层自重压力，可视为产生的外压力P_b，其影响半径可认为是3a，即只需分析P_b在b=3a时球面上的外压力对土洞内产生的应力集中。当经潜蚀或崩解作用产生的土洞半径较小时，即h≫a，此时可认为：P_b=γh，P_a=γ_wh_w。当无地下水时，即P_a=γ_wh_w=0；P_b=γh。将其代入(1-8)式，可以到球形土洞周边的应力状态。

1.2.2.2 土洞周边土体塑性破坏判别

当根据(1-8)式求得土洞周围土体任一点的应力状态后，可将其代入莫尔—库仑极限准则进行判别，判断该处是否产生塑性破坏。

莫尔—库仑极限平衡条件为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

或

1.2.2.3 应用举例

某粉质粘土层中，设地面以下5m处有一经潜蚀作用形成，半径a=0.200m土洞，地下水位埋深为3.0m，粉质粘土的抗剪强度指标黏聚力c=26kPa，内摩擦角φ=18°，重度γ=18kN/m³，饱和重度γ_sat=19kN/m³。

有地下水时土洞稳定性判别

当有地下水时：P_a=γ_wh_w=20(kPa)

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

代入(1-8)式得土洞周边处(r=a)的应力为：

σ_θ=98(kPa)；σ_r=20(kPa)

根据(1-11)式进行破坏判别：

得临界状态时的

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

所以：σ_r=20kPa＞σ₃=13.9(kPa)。(安全)

地下水位下降时土洞稳定性判别

若天气久旱未雨(如秋冬季)地下水位下降至土洞底面以下，此时P_a=0；而P_b未变，P_b=72(kPa)，将其代入(1-8)式得

土洞周边处应力(r=a)：σ_θ=108(kPa)；σ_r=0；

根据(1-6)式进行判别得临界状态的σ₃=19.2(kPa)

即：σ_r=0＜σ₃=19.2(kPa)；(破坏)

由此可见，由于地下水位的下降，改变了土洞周围土体的应力状态，导致土洞周围土体由安全变为破坏。

由于土洞认为是球对称，还可以求得土洞的破坏半径r大小，水位下降后，据(1-8)式得土洞周围的应力状态：

；

]]

θ=σ₁； σ_r=σ₃，

并代入极限平衡条件(1-6)式得：

r=0.216m

由此可见水位下降后，土洞的半径由原来的0.200m破坏扩大到0.216m。

综合前面分析可以得出以下结论：岩溶区地下水或地表水的活动，使土体中的细颗粒在孔隙通道中移动携出，产生潜蚀作用而形成土洞；岩溶区红粘土中富含亲水矿物，遇水易水化产生崩解作用，也是土洞形成的原因。一般来说，潜蚀作用多发生在砂、土层中，而崩解作用多发生在黏性土层中。真空吸蚀作用，有利于土洞的发育扩大。经潜蚀作用或崩解作用形成土洞后，土洞周边将产生应力集中；而地下水位的变化，将使土洞周围土体的应力状态进一步发生改变，并有可能导致土洞周围土体产生塑性破坏，使土洞进一步扩大甚至塌陷。