岩溶红粘土地基溶洞土洞共生机理及处理方法

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1、岩溶红粘土地基溶洞土洞共生机理及处理方法　　【摘要】对岩溶红粘土地基的基本特点及溶洞和土洞的成洞机理进行了微观结构力学强度分析，分析了岩溶红粘土地基中红粘土的微观集粒结构特征，提出了溶洞和土洞的共生渗透失稳成洞模型及处理方法。研究认为：只有把地基、基础、上部结构及其各种技术经济条件综合形成一个工程技术经济环境系统，探求从系统的技术经济环境综合平衡途径的角度出发，才能设计相对最优的具体的溶洞和土洞工程防治方案。结合工程实际，分析了溶洞处理方法在工程实践中的具体应用及其效果。　　【关键词】岩溶；红粘土；溶洞；土洞；共生机理　　　　　　1.引言　　　　岩溶红粘土地基是

2、指在地基的主要受力层范围内的岩石和土由具有可溶性的碳酸盐类岩石（石灰岩、白云岩等岩石）及其上覆红粘土组成，而且岩石和土在平面和空间分布很不均匀的一种特殊的岩土混合地基。上覆红粘土的孔隙比大，含水率较高，渗透性低，具有一定胀缩性，且以收缩为主，但具有较高的力学强度和特殊的上硬下软的“反剖面”性质。下覆基岩起伏不平，岩面倾斜，石芽密布，常有大块孤石或个别石芽出露地表。由于地下岩溶作用和地表渗水以及快速大量的人工降水等种种原因，这种地基中常有溶洞和土洞发育，有时溶洞和土洞发育分布较为集中。当土洞不断扩大，其顶部土体因自重作用而使土洞向地面延伸，导致地面塌陷，极易引发严

3、重的工程事故。许多学者和工程技术人员经过对岩溶的研究和在工程实践中的具体经验提出了一些溶洞和土洞的处理方法，但溶洞和土洞的形成机理较为复杂，其形成过程受多种自然和人为因素的影响。实践证明，只有根据具体的工程环境特点，结合工程实际情况，查明溶洞和土洞的数量、形状、大小、分布情况及形成过程，才能提出更符合客观实际的相对最优的工程处理方案。　　本文将下覆基岩、上覆红粘土及其中的水作为一个相互作用的整体系统，分析其在地质构造、地表水下渗、地下水位不规则性升降及地下水的机械冲蚀、化学溶蚀等物理化学作用下溶洞和土洞的共生渗透失稳成洞机理模型，据此提出溶洞和土洞的综合防治方法

4、，结合工程实例，说明这些方法在工程实践中的具体应用。　　　　2.岩溶红粘土地基的基本特点　　　　2.1岩溶红粘土地基的成因及组成。　　含有能在水中产生H+离子的CO2硫化物(FeS2)和氯化物(HCl)的水在具有地表水向下渗透，并在具有地下水运动（主要是流动和水位升降）空间的可溶性的碳酸盐类岩石（主要是石灰岩、白云岩）在因地质构造作用形成的各种断层、裂缝、节理中流动，使碳酸盐类岩石在机械冲蚀破坏和长期的溶蚀作用下，逐渐形成（前期慢，后期逐渐加快）具有溶洞的下覆基岩，碳酸盐类岩石经过长期的岩溶作用和红土化作用两个特殊的地球化学作用过程后形成基岩上覆红粘土，由空间分

5、布极不规则的下覆基岩和土层厚度差异较大（有时相差达几十米）的上覆红粘土形成特殊的地质岩土体，当其成为地基的主要受力层范围内的岩石和土时，就构成了特殊的岩溶红粘土地基。　　2.2岩溶红粘土地基红粘土的成分及微观结构特点。　　经过X射线衍射、红外光谱分析、差热分析、扫描电镜、能谱分析及粒度分析研究表明，岩溶红粘土地基中的红粘土的主要矿物成分是高岭石、伊利石和绿泥石等粘土矿物、游离氧化物和碎屑矿物，其中，粘土矿物的成分重量占总矿物重量超过50%，游离氧化物主要是Si、Al、Fe的氧化物，以SiO2、Al2O3、Fe(HO)2、Fe2O3等形式存在，其含量约占矿物总重量

6、的13%～18%，碎屑矿物主要是石英褐铁矿和部分白云岩石碎屑，粒径多在0.1mm～0.5mm之间。　　　　经实验研究表明，岩溶红粘土地基中的红粘土具有特殊的微观集粒结构，如图1所示，其微观结构主要由四部分组成：一是由粒径较小的粘粒及少量粒状砂粒及不定形物质和强结合水形成特殊的基本结构单元——集粒，其内部微粒物质呈非定向方式排列，以边——面或边——边或面——面接触方式连接，形成一个富含水分但又结合牢固的结构单元集聚体。二是由集粒周围的弱结合水形成的公共水膜。三是由Si、Al、Fe的游离氧化物和少量泥质胶结物质组成的胶体连结体。四是土中固体、液体和气体三相界面交接处

7、的毛细水连结体。红粘土土体的强度主要由集粒单元本身的强度及其相互之间的连结强度共同组成。3.溶洞和土洞共生渗透失稳成洞机理　　　　3.1溶洞和土洞的共生渗透失稳成洞的物质条件。　　岩溶红粘土地基是可溶性的碳酸盐类岩石在特殊的温度、湿度及地质环境中经过长期特殊地质作用形成的岩土体，溶洞和土洞是在岩溶红粘土地基形成的地质历史过程中和后期逐渐形成的特殊地质现象。在下覆基岩、上覆红粘土及岩土中的水组成的整体相互作用系统中，几者在空间上具有相对的因果共生关系。没有可溶性的碳酸盐类岩石及长期地质构造形成断层、裂缝等水的运动空间，就不会有岩溶现象发生，也就不会产生溶洞。如果没

8、有断层、裂缝、溶洞等水的