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昆明新机场土洞形成机理及发育规律研究.pdf

昆明新机场土洞形成机理及发育规律研究

tjstreng
2012-09-22 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《昆明新机场土洞形成机理及发育规律研究pdf》,可适用于经济金融领域

岩土工程界第卷第期探讨与分析收稿日期昆明新机场土洞形成机理及发育规律研究覃羡安王昆宋平杨新照(中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院昆明昆明新机场建设指挥部昆明)摘要文章从土洞的形成条件和影响因素等方面分析研究了昆明新机场土洞的形成机理,认为由于土层中裂隙发育,大气降水渗入土层后产生超静孔隙水压力和动水压力,在两个作用力共同作用下,土洞形成、发展扩大。并分析了土洞的发育规律,认为土洞的发育受控于岩溶的发育特征和土层中裂隙发育程度。关键词土洞形成机理红粘土岩溶土洞为发育于岩溶地区上覆土层中的空洞。土洞对场地的稳定性和适宜性有明显的不利影响,对建筑物地基的整体稳定性也存在不利影响。土洞在空间分布上具有隐蔽性,由其导致发生的地表塌陷,在时间上则具有突发性,因此,土洞是对工程建设最具潜在威胁的地质灾害之一。昆明新机场位于昆明市官渡区大板桥镇浑水塘车站附近,为大型枢纽机场。勘察表明,昆明新机场地下水位埋藏于基岩内,场区内无常年地表径流,但场区内土洞较为发育,对工程建设具有潜在的危害。因此,有必要对场区土洞的形成机理进行研究,分析其发育规律,并提出防治措施。土洞形成的条件及影响因素土洞形成的首要条件是土层下存在岩溶通道,即土层下存在土体能掉下并被流水带走的空间其次是地下水或地表水的活动,地下水或地表水对土层起着最直接的破坏作用,也是土洞是否进一步发展的最直接的外力第三是土层要有一定的厚度,若土层太薄则容易直接被流水全部带走或只能形成规模很小的对工程基本无影响的土洞。土洞的形成及发育实质上是土中细颗粒在水流作用下的崩解、迁移以及土中结构体团块的剥落、迁移的过程。因此,影响土洞形成的因素即为影响土颗粒崩解和土结构剥落的因素。影响土洞形成的因素有多种,归纳起来有:土层本身的矿物成分、化学成分、颗粒大小、物理性质、含水状态,土层的结构、构造、裂隙发育程度和土层外部因素如水的化学成分、地下水或地表水变化等。场区地质环境及土洞揭露情况拟建机场总体以岩溶地貌为主,由洼地和垅岗组成,为溶蚀剥蚀准平原地貌区,地面波状起伏,高程一般~m,地形坡度在b~b之间,局部垅岗地形坡度为b。覆盖层为红粘土,厚度变化大,一般为~m,最厚达m,上硬下软,上部多为硬塑或坚硬,下部一般为可塑,局部软塑状。下伏基岩为灰岩、砂屑灰岩、白云岩等。岩层产状总体为:Nb~bE,SENb~b,倾角较缓,沿层面溶蚀不强烈。岩体内主要发育两组近于正交的节理,产状为:NbW,SWNb~b和Nb~bE,SENb~b,均为陡倾,间距~m,节理多张开,沿节理面溶蚀强烈。区内岩溶发育,地表发育的岩溶形态主要有岩溶洼地、漏斗、落水洞、溶沟、溶槽等,其中岩溶洼地和漏斗沿主要构造线在平面上呈串珠状产出,岩溶洼地发育密度约为个km,漏斗发育密度约为个km。地下岩溶也较发育,钻探揭露,钻孔遇洞穴率为,通过地面地质测绘并结合钻孔电视分析,勘探钻孔中揭露的洞穴以陡倾角溶蚀裂隙为主。区内地下水位埋深约~m,丰水期与枯水期水位变幅约~m,均在基岩内升降,且离岩土交界面较远。通过钻探和地面地质测绘,发现场区内发育个土洞。土洞最大高度为m,最小为m,部分土洞底板为基岩,部分则为土层土洞一般无充填或半充填。个土洞中有两个近期已发育至地表,形成塌陷,说明场区内土洞还在不断发展扩大之中。场区土洞形成机理分析经土样的X衍射分析,场区红粘土矿物成分主探讨与分析GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVolNo要为高岭土、褐铁矿、石英、累脱石、蒙脱石、绢云母等(表),分析表明场区内红粘土的矿物含量及分布并不均匀。文献研究表明,土的矿物成分不同,其崩解表红粘土矿物成分X衍射分析成果表取样编号矿物成分及其含量累脱石褐铁矿三水铝石石英高岭石锐钛矿蒙脱石、绿泥石绢云母ZKZK~ZKHZKHZK节率也不一样,其中蒙脱石对土的崩解率影响最大(蒙脱石含量越高土的崩解率越大),另外高岭石对土的崩解率也有较大影响。由于累脱石的晶体结构中含有蒙脱石晶层,具有较大的亲水面积,并具有良好的亲水性、分散性和膨胀性,故累脱石含量高的土,其崩解率也高。从表可以看出,场区内部分土层含有较多的高岭石、累脱石或蒙脱石,在地下水的作用下,这些土层易产生崩解,当这些土层下发育岩溶空洞时,则土层中容易发育土洞。野外调查发现,昆明新机场场区内的红粘土中普遍发育网纹状裂隙(见图),网格面积一般~m,裂隙宽度一般~cm,最宽可达cm,裂隙发育深度一般~m,最深可达m(见图)。这些裂隙为大气降水和地表水快速下渗提供了通道。文献研究认为,土洞形成的力学机制有推拉和剪切两种,这两种作用都是由地下水流动引起的。地下水流对土颗粒的作用力也有两种:一是由超静孔隙水压力引起的作用于土颗粒的正应力,另一种是由动水压力引起的作用于土颗粒侧面的剪应力或称拖曳力。由于场区内无地表径流发育,且地下水水位埋深较大,水位变幅均在基岩内升降,故场区内地下水水位的变化不会给土洞的形成及发育造成很大的影响,即场区内土洞的发育与地下水水位的变化并无密切关系。但当大气降水后,雨水沿裂隙渗入土层,在土中形成超静孔隙水压力,其大小为:gQwHURw式中:g为重力加速度,Qw为水的密度,H为地下水下降幅度,Rw为超静孔隙水压力。由于场区内地下水处于土层之下,式中的H应为土层裂隙内的水的下降幅度,其值等于裂隙的发育深度。当超静孔隙水压力大于土的抗拉强度时,在岩溶通道口上的土体将产生剥落,进而形成土洞。土的抗拉强度约为其粘聚力的。土工试验表明,场区内红粘土的粘聚力在~kPa之间,相图红粘土地表网状裂隙发育示意图应的抗拉强度为~kPa之间。场区内红粘土中的裂隙深度多数大于m,当裂隙中充满水时,则引起的超静孔隙水压力一般大于kPa,比抗拉强度大。所以,当有较大的大气降水,裂隙中充满水时,就会促进土洞生成或使土洞进一步发展扩大。大气降水是场区内土洞形成的最主要的驱动力。文献研究表明,当土层出现干湿交替变化时,土层含水状态(含水量和饱和度)发生剧烈或较大的改变,土层更容易崩解。昆明地区为高原季风温凉气候,干湿季节分明,其中月~次年月为干季,月~月为雨季。所以,昆明新机场内的红粘土每年都会出现明显的由气候引起的干湿交替变化,而土层干湿交替的发育深度与土层中裂隙的发育深度相当。因此,当土洞顶板发育至裂隙发育深度时,土洞发展扩大的速度会因土层相对容易崩解而加快。另外,当土洞顶板发育至裂隙发育深度后,由于裂隙的存在,使地表水迅速下渗至土洞,即水的流速加快,这时,造成土洞发展扩大的主要作用为动水压力引起的对土颗粒侧面的拖曳力,又由于土层中的裂隙越接近地表越宽,连通性越好(见图),水的流速也越快,则土洞也会越往上发展,其发展速度也越快。所以,当土洞顶板发育至裂隙发育深度后,由于土层的干湿交替及裂隙的存在,土洞会岩土工程界第卷第期探讨与分析迅速发展至地表,最终产生塌陷。图土层内裂隙及土洞发育示意图场区土洞发育规律分析由于土洞下必须有岩溶通道,土洞的发育及分布直接受地下岩溶通道的发育及分布特征的影响。场区内第一层水平岩溶通道埋深为~m,水平岩溶通道与上覆土层之间发育多条溶蚀裂隙,裂隙沿场区内主要的两组节理发育,倾角均为陡倾,走向为近南北向或近东西向,平面上呈近正交共轭产出。经统计分析,溶蚀裂隙延伸一般~m,宽一般~m,上宽下窄,发育密度约为条km,裂隙内充填软塑状红粘土或无充填。这些溶蚀裂隙为土洞的形成提供了通道,裂隙发育地带,特别是不同走向的裂隙的交汇处就是土洞易发育地带。土洞的发育还受地表岩溶发育特征的影响。场区内岩溶洼地、溶沟、溶槽和石芽都较发育。由于洼地容易积水,且洼地底下存在岩溶通道,所以当洼地底部植被稀少,土层较厚且土层中裂隙发育时,洼地内易发育土洞。溶沟和溶槽发育地带溶蚀裂隙一般也较发育,且溶沟和溶槽也容易汇水或为汇水通道,故溶沟和溶槽发育地带也为土洞易发育地带。在实际揭露的个土洞中,其中规模较大的个分布在洼地内或溶沟和石芽较为发育的洼地边沿的斜坡上。土洞发育同时还受土层中裂隙发育情况的影响。在向阳坡及植被稀少的地带,土层中的裂隙发育得更深更宽更密,这些裂隙使大气降水能迅速下渗,同时也能容纳更多的地表水,使土层内产生更大的超静孔隙水压力或动水压力,土层内更容易发育土洞。在实际揭露的个土洞中,有个土洞分布在土层较厚且裂隙较发育的向阳斜坡上。综上所述,昆明新机场土洞的发育规律主要受控于岩溶的发育特征和土层中裂隙发育程度,土洞容易在岩溶发育和土层中裂隙发育的地带出现。结语昆明新机场地下水位埋深较大,因其变幅位于基岩内而与土洞的形成无密切关系,但由于昆明气候干湿分明,土层常出现干湿交替,红粘土中裂隙普遍发育,大气降水能迅速下渗,在土层中形成超静孔隙水压力和动水压力。在这两种作用力的作用下,土层中含亲水矿物的土体易于崩解、剥离而形成土洞,故集中的季节性的大气降水是形成土洞的最主要的驱动力。场区内土洞的发育规律主要受控于岩溶的发育特征和土层中裂隙发育程度。可通过采用地表地质测绘、物探、钻探和坑槽探的综合方法查明地表岩溶和地下岩溶的发育特征和规律,查明土层内裂隙的发育程度和分布范围,进而查明土洞可能形成的部位及规模。建议工程建设中根据土洞的勘察成果及稳定性评价结论,采取合理、可靠的工程处理措施,在工程运营后应加强地表排水和绿化工作,防止因土洞生成、扩大进而塌陷而引起地质灾害,给工程建设带来不必要的损失。参考文献谭鉴益广西覆盖型岩溶区土层崩解机理研究J工程地质学报,,():~万志清,秦四清,李志刚,等土洞形成的机理及起始条件J岩土力学与工程学报,,():~谭鉴益坛状圆柱状岩溶塌陷预测模型与分析J水文地质工程地质,,():~工程地质手册编写委员会工程地质手册(第四版)M北京:中国建筑工业出版社,

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