岩溶土洞的形成机理研究

作为岩溶区特有的不良地质现象，岩溶土洞已成为覆盖型岩溶区基础工程建设面临的主要地质隐患。土洞发育位置隐蔽，而且还会进一步发展演化，所以，土洞的存在一方面会使地基土体无法满足承载力要求，另一方面，会进一步发展形成岩溶地面塌陷，破坏地面基础工程设施，直接威胁人民群众财产安全。因此，从土洞孕育的基础地质条件和动力条件出发，对岩溶土洞的形成演化机理、影响因素和条件进行系统研究，将具有重大意义。本项目将重点放在自然条件下岩溶土洞的形成机理上，通过典型区岩溶土洞的地质背景研究，建立岩溶土洞发育的地质模式，然后通过岩溶土洞的探测定位和不同部位的采样，进行渗透变形试验、崩解试验、土体化学成分、矿物成分分析等一系列试验，对岩溶土洞形成演化的物理－化学过程进行系统研究，深入揭示其形成机理，划分岩溶土洞的成因类型，建立岩溶土洞形成与主要影响因素的关系，为岩溶土洞的处置和发生潜在土洞的危险性评价提供依据。

岩溶土洞作为岩溶区特有的不良地质现象,已成为我国覆盖型岩溶区基础工程建设面临的主要地质病害隐患。本项目以岩溶土洞为研究对象，针对岩溶土洞发育的基本地质模式和形成机理这一关键技术问题进行系统研究。.项目首先以桂林、贵港、龙岩、鞍山和广州市为典型区，通过野外调查、雷达扫描、钻探、开挖等技术手段，根据发现土洞的位置、土层结构、地下水动力条件的不同，建立了两种岩溶土洞发育的地质模式：1、岩溶土洞发育在基岩面附近的地质模式（有含水层的多元结构土层）；2、岩溶土洞发育在波动带的地质模式（无含水层的单层结构土层）。然后，通过室内大型物理模型试验、矿物成分、渗透变形实验、崩解试验，深入分析岩溶土洞的形成机理，建立了单层土体结构岩溶土洞形成机理：土洞首先在基岩面形成，然后逐渐往地面扩展，其发育扩展过程可分为3个阶段： .①基岩面附近阶段，土洞形成与地下水位的承压状态和地下水位初始下降速度密切相关，此阶段土洞的形态是以缝（洞）的形式存在，形成通道，通道规模较小，施工（钻探）中难以发现。.②地下水包气带(季节变动带)阶段，土洞扩展以地下水反复浸泡下发生崩解作用为主, 规模较大，施工（钻探）中易发现。.③近地表（垂直渗入带）阶段，土洞扩展以上部降雨入渗，洞顶剥落为主，崩塌块体较大。 .此外，通过高精度的地下水动力监测手段，建立了岩溶土洞（塌陷）水动力条件的危险性评价指标：.①岩溶水位日变幅和水位恢复时间：前者反映地下水开采强度，后者反映地下水补给速度。评价时，将地下水动态变化对岩溶塌陷的影响按区划分为高、中、低三级：.低影响区：岩溶水位日变幅度小于1.0米、恢复时间小于5.0小时；中等影响区：岩溶水位日变幅度1.0-3.0米、恢复时间在5.0-10.0小时之间；高影响区：岩溶水位日变幅度大于3.0米、恢复时间大于10.0小时。.②监测的岩溶水位最大瞬时下降速度：岩溶管道裂隙系统水气压力变化速度是触发土体破坏、并快速产生岩溶塌陷的关键指标。粘土破坏的瞬时临界速率（V）约为180cm/min，即，岩溶管道裂隙系统水气压力的瞬时变化速率高于该临界值越多，地表出现岩溶塌陷坑的时间越短。.该指标实现了开采井的抽水活动引发岩溶土洞（塌陷）危险性的定量评价，同时，也可以通过监测系统，监控开采井的水位动态，据此限定开采井的开采方式，实现地下水的安全开采。