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桂林岩溶地基中的不良地质现象及治理^[]

Answer 1

桂林是我国典型的岩溶地区之一，由于岩溶地质作用，桂林岩溶地基中广泛地发育有溶洞、土洞、塌陷、溶槽、溶沟等不良地质现象。

3.2.1　桂林岩溶地基中的不良地质现象类型

桂林岩溶地基的组成主要有：红粘土、粉土、砂、卵砾石、石灰岩等，而根据成因，主要有残坡积（Q^el+dl）和冲洪积（Q^al+pl），其发育的不良地质现象主要有以下一些：

3.2.1.1　溶洞

岩溶区溶洞的发育过程，实质上是水对方解石、白云石等碳酸盐岩的溶解作用。溶洞的发育必须具备有可溶性岩石、岩石中的通道、流动的水及具侵蚀性的水。

地质构造（褶皱、断裂）的性质、规模对溶洞的发育起着重要的控制作用。桂林岩溶区工程实践表明，地质构造不仅控制着溶洞发育的方向，而且还影响着溶洞发育的规模和大小。张性构造部位有利于溶洞发育，而压性构造部位则不利于溶洞的发育。

桂林市区内以及东郊一带的下伏基岩一般为上泥盆统融县组石灰岩（D₃r）：一般灰色—灰白色，质纯层厚，块状构造，坚硬性脆，局部不规则裂隙发育。控制桂林市的主要地质构造（褶皱、断裂）均通过该组灰岩，且多为张性断裂，因张性断裂带受拉张应力作用，张裂程度较大，断裂面较粗糙，裂口较宽，断层岩多为角砾岩、结构疏松。断层岩粒径相差悬殊，胶结性差或未胶结，孔隙度高、透水性强、利于地下水的赋存、运移，常为岩溶水的有利通道，故通常岩溶作用和岩溶化程度强烈。沿断裂带发育的溶洞比较多，规模也比较大。桂林岩溶区的溶洞绝大部分发育在该组灰岩中。

市区南郊雁山区一带为中泥盆统东岗岭组石灰岩（D₂d）：深灰—灰黑色，中—厚层状，主要矿物成分为方解石，该层溶洞的发育相对融县组石灰岩（D₃r）要少。

市区北郊八里街一带基岩出露为下石炭统岩关组泥灰岩（C₁y）：灰黑色，薄—中厚层块状构造，含有泥质和碳质，岩石中方解石（CaCO ₃）含量相对少。由于泥灰岩呈韧性，岩石中发育的地质构造（褶皱、断裂）也多为闭合、压性构造，不利于地下水的运动，也不利于溶洞的发育，在该区极少见有溶洞、土洞及塌陷等不良地质现象。

3.2.1.2　土洞

土洞是在有效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地面变形破坏的总称。土洞是岩溶区常见的一种岩溶作用产物，它的形成发展与土层的性质、水的活动、岩溶的发育等因素有关。桂林岩溶地基中的土洞，主要分布在残坡积（Q ^el+dl）和冲洪积（Q ^al+pl）的粘性土层中、尤其在残、坡积粘土中发育较多，土洞趋于圆形或近圆形，直径大多在1 m 以内，一般发育垂直深度在距离地面5～15 m 之间，洞内有时为软、流塑的粘性土所充填，很多情况下为空洞。

此外，桂林岩溶区的土洞发育具有以下特征：

（1）土洞多位于粘性土层中，在桂林漓江一级阶地中的粉土、砂砾石、卵石等地层中极少见。

（2）在溶沟、溶槽处，即靠近基岩面附近，经常有软粘土分布，其抗冲（侵）蚀能力弱，常常有土洞发育。

（3）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。

3.2.1.3　岩溶塌陷

岩溶塌陷是指分布在下伏溶洞和土洞之上的岩、土体覆盖层，在自然或人为等各种因素的作用下失去平衡而向下陷落的作用和现象。它是溶洞、土洞发育发展的最终结果，桂林岩溶塌陷主要分布在桂林漓江一级阶地中，其次为残坡积（Q ^el+dl）和冲洪积（Q ^al+pl）的粘性土层中。

岩溶区地基土层塌陷大多是局部性的，其平面范围较小，如桂林市西城区的调查显示：已发生的岩溶塌陷规模，平面范围小于3 m 的塌陷，占塌陷总数的75％。从已有土洞塌陷的剖面形态来分析，桂林岩溶区主要的土洞塌陷的剖面形态有以下4种：

（1）井状：塌陷坑壁陡立呈直筒状；

（2）漏斗状：口大底小，塌陷坑壁呈斜坡状，状如漏斗；

（3）碟状：塌陷坑呈平缓凹陷，面积较大，深度小，呈碟形；

（4）坛状：口小肚大、塌陷坑壁呈反坡状。

3.2.1.4　红粘土软弱下卧层

桂林岩溶区的红粘土，一般呈现上硬下软的分布特征（广西岩溶地区也大都如此），尤其是靠近基岩附近，常分布有软、流塑粘性土，构成地基的软弱下卧层。桂林红粘土下伏基岩为微风化石灰岩，致密石灰岩的渗透系数可以达到3 ×10^-12 ～6 ×10^-10cm/s，而红粘土的渗透系数大约为10^-8cm/s左右，因此致密石灰岩便成为红粘土的相对隔水层。石灰岩顶面分布的粘土长期处在水的浸泡之中，最后成为软塑、流塑状态，并构成地基软弱下卧层。

3.2.1.5　基岩面起伏

由于岩溶作用的差异以及溶洞引起塌陷，石灰岩表面经常可以形成很大的起伏，在桂林岩溶区的工程勘察中常可见到，相隔5 m以内距离的两个钻孔，揭露石灰岩的基岩面高差达10 m以上，几乎形成直立的陡崖。

3.2.2　桂林岩溶地基中的不良地质现象主要成因

桂林岩溶地基中的不良地质现象，主要影响因素是地基土层、地下水、地表水、人为因素等。

3.2.2.1 地基土层的影响

3.2.2.1.1　地基土层组成结构

地基土体的组成结构不同，土体产生渗透破坏的形式及抵抗渗透变形的能力也不同。漓江阶地中的冲洪积（Q ^al+pl）砂土层，级配良好的砂土容易产生潜蚀和管涌破坏，其临界水力坡度相对较低，抵抗渗透变形的能力也相对较低，在相同水力条件下容易产生渗透变形，形成土洞及塌陷。漓江一级阶地具有混杂结构的覆盖层，其抗塌性能较差。由于此类结构较松散，且粗细颗粒渗透性能差异大，在其接触面上容易产生接触冲刷而形成土洞和塌陷。漓江两岸阶地中砂、卵石层往往是直接覆盖在基岩上，此时，最有利于地基塌陷的孕育；其次是粘性土、砂卵石层混层结构；再其次是均一的粘性土地层。

分布在红粘土底部的软塑状态且粘粒含量低的土，其抗剪强度较低，抵抗渗透变形及塌陷的能力也较低，容易形成土洞及塌陷。

3.2.2.1.2　地基土覆盖层厚度

通过对桂林市西城区大量钻孔资料和地表测绘资料的统计分析表明，覆盖层厚度越小，岩溶塌陷越发育。厚度小于6 m 区域的塌陷个数占总塌陷个数的74％以上；厚度小于10 m 区域的塌陷个数占总塌陷个数的99％以上；覆盖层厚度大于10 m 时，基本上不会发生岩溶塌陷。

3.2.2.2　地下水活动的影响

据统计，桂林市80％以上的岩溶塌陷（含土洞塌陷）是在地下水强径流带发生的。对于岩溶塌陷的发育，它是一种十分敏感和活跃的动力因素，其作用主要有以下几种：

3.2.2.2.1　渗透潜蚀作用

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，当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Jk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Jk，其表达式与式（1.43）相同。

当土层中地下水渗流的水力梯度大于临界水力梯度J_k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，孔隙度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，其水力坡度就可能超过临界水力坡度，土体将产生潜蚀破坏。据调查，桂林市漓江两岸大部分土洞及塌陷均发生在水位变化幅度较大的冬春两季，尤其是冬春之交。

例如，桂林理工大学（原桂林工学院）教四楼东侧一楼联合教室基础下榻，使基础与上部墙体脱离达5 cm，形成直径4 m 的凹塌区，墙体由一楼至三楼，裂缝宽2～15 mm，其原因是隔壁的厕所与化粪池长期漏水使地基红粘土湿化、软化直至潜蚀流失所致。此外，桂林理工大学原图书馆的墙体开裂，也是由于地表池内水渗漏产生潜蚀作用使地面变形所致。

3.2.2.2.2　真空吸蚀作用

当岩溶地下水位下降至覆盖层底板以下、由有压力转为无压力时，在岩溶空腔中的水、气形成了负压，对盖层产生了附加吸力而使其遭到吸蚀剥落并向下迁移，最大压力约为1个大气压的压力。对于上覆土层中所含的水，负压使其增加了向下渗透的附加水头，从而加剧了对土体的潜蚀作用，加速了土体颗粒间联接破坏并导致土洞的形成与扩展。桂林岩溶区的溶洞以及发育在残坡积红粘土中的土洞，当地下水在溶洞土洞中运动时，往往可产生真空吸蚀作用。

3.2.2.2.3　地下水位波动的崩解作用

地下水位的波动，使覆盖层中的水反复饱和与丧失，其结果使覆盖土层产生崩解、散体、剥落而向下迁移，形成土洞并向上扩展。

桂林岩溶区广泛地分布红粘土，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40％～60％，高岭土20％～30％，伊利石/蒙脱石混层矿物10％～20％，它们的结构联结力较弱，易于水化，遇水易产生崩解。

3.2.2.3　其他因素

人工爆破、人为大幅度降水、交通工具加载或振动、地下工程施工及基坑开挖等产生临空面而改变溶洞周围应力状态等，都有可能引起溶洞地基的塌陷失稳。

3.2.3　地基不良地质现象的处理

在桂林岩溶区进行地基基础设计时，若想采取浅基础方案，一般应对地基中存在的不良地质现象进行处理，并有针对性地采取不同的处理措施。

3.2.3.1　溶洞地基

当采用天然地基浅基础时，不论溶洞大小、形态、分布如何，一般不考虑溶洞的不利影响；当采用桩基础时，对于桩基础底面3倍桩径且5 m以下的溶洞，一般也不考虑溶洞的不利影响。若要对溶洞进行地基处理，一般采取灌注混凝土，或者采用高压旋喷桩处理。对于重要工程，或者是岩溶很发育，溶洞之间相互联系密切，呈串珠状，若灌浆或灌注混凝土，易产生流失，很难奏效，此时采用钢管护壁，如2005年施工的横跨漓江的南洲大桥岸上桩，采用Φ1700 mm 孔口护筒；在钻进过程中有严重漏浆时，孔口护筒接高，护筒必须跟进；在钻进过程中有严重漏浆和塌孔现象时，Φ1700 mm 护筒入土15 m 后，在护筒内再套Φ1600 mm 护筒，护筒跟至岩面。最终护筒与钢筋砼结合在一起，作为永久结构支撑在岩石上。在2001年竣工的桂林市解放桥也是采用此方法进行桩基础施工的。

3.2.3.2　土洞或岩溶塌陷地基

对于土洞或岩溶塌陷地基的处理措施，主要可以分为以下几种情形：

（1）当采用浅基础形式，若土洞或塌陷范围不大，且埋深不超过5 m，无地下水或地下水埋深很大，一般可直接开挖，清除洞内软土或塌陷充填物，再回填粘性土、砂石等并分层夯实，也可直接回填混凝土，但此时应注意在回填物表面做30 cm 左右的褥垫层，以调整地基土差异引起的不均匀沉降。

（2）桂林岩溶区的绝大部分土洞分布深度以及塌陷深度是在地表5 m 以下，此时一般采用灌浆处理，此法占桂林岩溶地基处理措施的80％以上。

在土洞或塌陷范围的顶部地基基坑面上钻孔，可采用多个钻孔，一般直径为110～220 mm，将碎石、砾石灌入洞内，然后再灌入水泥浆，或直接灌入混凝土再进行压力灌浆。灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，浆液配置以先稀后浓为原则，灌浆压力一般为0.15～0.30 MPa。例如桂林理工大学（原桂林工学院）新建图书馆、桂林旅游专科学校雁山校区等场地的土洞或塌陷处理，均采用此方法，处理效果很好。

对已查明的塌陷地段用钻机钻至软弱地层的底面，或用锥体挤密塌陷体形成空桩，然后用碎石加适量的干粉状水泥（配合比为6:1）充填挤密，同时对软弱地层予以挤密，然后采用压力灌浆，将水泥浆液充填到塌陷区深部的软弱地层及其孔隙，碎石水泥桩孔与压力灌浆孔交错布置，处理效果很好。实例如地处漓江一级阶地的桂林福隆园第一期拆迁回建房6号楼塌陷的处理。

3.2.3.3　红粘土软弱下卧层

对于分布在红粘土之下，基岩面之上的红粘土软弱层，若拟采用浅基础方案，软弱下卧层验算不满足要求，此时可直接采取压力灌浆措施处理。先以Φ75～110 mm 钻具钻至基岩面或软弱土层底面，然后放入灌浆花管，（根据现场情况也可直接用钻机将灌浆花管打入到灌浆底部），然后用水泥砂浆灌注泵进行水泥压力灌浆。采用自下而上分段灌浆，灌浆段长1.0～1.5 m。灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，灌浆压力一般为0.20～0.30 MPa。桂林橡胶机械厂住宅楼场地的软弱土层即采用此方法处理。

3.2.3.4　基岩面起伏

对于岩溶区基岩面起伏的情形，若采用天然地基浅基础，则应注意由于土层的厚薄不均引起的不均匀沉降，若采用桩基础，则在桩基础施工时应注意滑桩倾斜。

另外，在上泥盆统融县组石灰岩（D₃r）中，常常发现分布有溶沟、溶槽、鹰嘴岩、孤石等，在有溶沟、溶槽、鹰嘴岩的地段桩基础的施工，应注意甄别孤石与完整石灰岩，避免误把孤石当成完整岩石而选为基础持力层。

3.2.4　结论

桂林岩溶地基岩土层主要为红粘土、粉土、砂、卵砾石、石灰岩等，地基中发育的不良地质现象主要有溶洞、土洞、岩溶塌陷、溶沟等。不良地质现象一般由渗透潜蚀作用、真空吸蚀作用、地下水位波动的崩解作用以及人为因素等形成，若不采取相应的处理措施，将会影响建筑物的地基基础设计。

对岩溶发育的含溶洞岩石地基，一般采用灌注混凝土或采用钢管护壁处理措施；对土洞或岩溶塌陷地基，一般先在洞内灌入碎石、砾石，或灌入混凝土，然后再进行压力灌浆，灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，灌浆压力一般为0.15～0.30 MPa；对于分布在红粘土软弱下卧层，可直接采取水泥压力灌浆处理。

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