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在岩溶区,土洞是主要的环境地质灾害之一。土洞的灾害性主要表现在4个方面,隐伏性:土洞从基岩开口向上逐渐发育,在造成地表塌陷之前,其发育过程是在覆盖岩土体内部进行的,很难查清其发育发展情况、规模大小、可能造成地表塌陷的时间及地点,具有极大的隐伏性。突发性:土洞塌陷的发生是抗塌力与致塌力相互抗衡的一个结果,塌陷坑的形成不是一蹴而就的,而是经过长期的孕育与盖层土体的反复破坏形成。当致塌力超过一定的临界值时,就会以突发的形式爆发出来,一次完整的塌陷过程可能就是1分钟左右。群发性:地面塌陷灾害往往不是孤立存在的,常在同一地区的某一时段集中形成灾害群。严重性:土洞塌引起成城市房屋地基失稳,建筑物受到破坏,地下管网受损,交通、供水、供电中断等事故发生,造成重大的经济损失和人员伤亡。
研究区桂阳高速公路位于我国最为典型的岩溶发育区。区域内土洞发育,时有塌陷发生。公路施工过程,改变了原有的水动力条件,增大了土洞上部荷载,因而加速了土洞的发育和塌陷的产生。
针对桂阳高速公路部分路段的土洞发育状况,我们进行了大量的地质工作,在野外工作中查明了研究区的地质概况,并重点查明了研究区隐伏土洞发育概况。在野外工作的基础上,我们统计分析了部分路段土洞的发育规律,认识了土洞的类型。
天然条件下地下水动力条件难以达到土体发生渗透变形的临界坡降,因此可以得出研究区存在的大部分土洞主要是崩解作用的结果,渗透作用在自然条件下对土洞的发育影响微乎其微。通过崩解试验研究土体的崩解性,分析土体崩解性与粒径大小、含水量、干容重等土的基本物理参数之间的相关关系,即土体的粒径、含水量、干容重对土体崩解性以及土洞发育的影响,并通过等体积转换研究了土洞在崩解作用下的发育速度。
公路施工过程中的开挖工程、抽水工程改变了原有的地下水条件,增强了地下水活动,使场地内的水力坡降超过了土体发生渗透变形的临界坡降值,产生潜蚀效应。从场地内塌陷点的情况也可以看到,潜蚀作用一旦发生,往往比较剧烈,土洞的发育也就相对较快。通过崩解试验得到研究区土体内产生潜蚀效应的最小水力坡降,即临界渗透变形水力坡降。
土洞的稳定性是工程上最为关心的问题,土洞的稳定性包括土洞在一定条件下是否继续发育和土洞在一定条件下是否发生塌陷。根据场地地质特征和水力条件,评价部分路段隐伏土洞在有地下水活动和无地下水活动不同条件下的稳定性,是制定土洞处理措施的依据。
结合场地的工程条件和土洞发育特征,对不同路段采取了不同的治理措施。对零星分布的土洞选用成本低便于操作的灌浆法。在土洞分布密集地段选用开挖、铺设土工布加反滤层的施工方法。结果表明两种方法都取得了良好的效果,为以后的工程施工提供了一定经验。结合场地的工程地质水文地质条件和土洞的发育机制,提出土洞的治理方案,这将是今后岩溶区土洞治理的指导思想。现场调查资料显示,水的化学作用对土洞发育的也有一定影响。地表水、地下水的离子成分、离子浓度及酸碱度对土体崩解性渗透性的影响也是今后土洞研究的一个方向。