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[摘要]粤北地区的石灰岩以化学风化为主而物理风化较弱，同时因灰岩的化学成分和构造裂隙的发育程度的差异性，导致风化速率不一致而形成极不规则的基岩风化面，易形成石芽和溶蚀性溶洞以及残积土软弱层。
[关键词]石灰岩 风化 石芽 溶洞 残积土
[中图分类号] P62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-5-18-2
石灰岩作为一种特殊的化学沉积岩在地球上大面积出露，约占沉积岩总面积的20%左右，而在我国其所占比例高达55%，特别是在云、贵、川、湘、桂及粤北等地区。由于其岩石化学成分活泼，在大气降雨充沛的热带及亚热带潮湿地区，地下水丰富，大气温度较高，易产生化学风化作用，而物理（机械的）风化相对较弱，从而形成喀斯特岩溶地貌。下面笔者根据多年从事岩土工程勘察经验浅析一下粤北地区石灰岩地区的工程地质特点。
1石灰岩的沉积成岩机理与化学成分
1.1石灰岩的沉积成岩机理
现代地质学研究认为碳酸盐岩多在温暖、藻类和珊瑚类等生物种类丰富、含盐度较高的近岸浅海环境下沉积成岩。由于藻类的新陈代谢，进行光合作用，大量吸收海水中的CO2，使海水中的CaCo2达到饱和状态，沉淀出CaCo2（文石质灰泥）；同时各类生物贝壳的生物磨蚀及机械磨蚀和生物尸体的堆积也提供了大量的灰泥质来源。因处于近岸浅海环境，受沉积盆地地形、潮汐水流动力、陆源物质来源的补给等因素的影响，原已沉淀的灰泥质被短距离搬运到异地堆积或有其它物质成分的掺入，从而形成不同成分、不同结构构造的碳酸盐岩岩石。
1.2石灰岩的化学成分与矿物成分
石灰岩的化学成分主要是CaO、MgO和CO2，其次是SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、Na2O、SO2和有机质等。这些化学成分的含量，因沉积环境的不同而有较大的差别，从而形成多种多样的石灰岩类和白云岩类岩石。
2石灰岩的风化形式与控制风化的因素
2.1风化形式
在热带或亚热带温暖潮湿地区，对岩石化学成分活泼的碳酸盐岩石，其风化形式以化学风化作用为主，热胀冷缩等物理风化作用较弱。岩石在地下水的不断作用下，性质活泼的Ca、Mg元素形成络合物或胶凝体被带走，一部分化学性质不活泼的或惰性的物质，如硅质、粘土质、砂质、炭质等，则留在原地，形成风化残积土。而在我国北方寒带地区，由于温差大，岩石受热变化而产生体积频繁膨胀与收缩，造成岩石发生崩解等物理风化作用。
2.2控制化学风化的主要因素
2.2.1岩石的化学成分
岩石的化学元素组合决定了岩石化学的活性，从而影响岩石的化学风化速度。不同的岩石具有不同的风化速度，从而形成千姿百态的喀斯特岩溶地貌。对一些相对静水环境沉积的岩石，其化学成分相对均一，不均匀风化作用相对较弱，如薄层状炭质或泥炭质灰岩；而相对高能环境或异地沉积的石灰岩，虽然不可溶成分含量较低，但具有化学成分不均匀的特点，不均匀风化速度相对明显，易形成不规则的风化面。
2.2.2岩石的结构构造
岩石的原生构造，由于层间一般充填炭质、泥炭质等软物质，如层面、缝合线、瘤状、条带状等构造均属于软弱结构面，是易产生构造滑动的部位，易形成地下水流动通道。
2.2.3地下水的流动性
非饱和的地下水在水动力的作用下通过各种通道流经石灰岩时，带走化学活泼的组分，此时即产生化学风化作用。非饱和地下水的补给流动速度影响岩石的化学风化速度。
2.2.4岩石裂隙的发育程度
石灰岩多属于硬质脆性岩石，其中的裂隙包括断层、节理、层间滑动面等一系列后生的具良好连通性的线性构造。这些构造是地下水的流通通道，其连通性、线密度控制地下水的水动力条件、流动速度、范围，也控制了岩溶的发育程度和范围。
3基岩面的风化形态
3.1常见的几种基岩面风化形态
由于岩石的化学组分的不均匀性、岩石结构构造的差异性等因素，产生不均匀的风化速度，化学风化的选择性，形成千姿百态的基岩风化面，常见的有凹陷型、石芽型、超层型、溶洞型。
3.2控制基岩面风化形态的因素
3.2.1凹陷型
凹陷与凸起的基岩面呈线状、带状交替出现，基岩面埋深高差一般为几十米，分布极有规律性。控制基岩面形态的主要因素是风化速度的差异，表现方式有：一是不同岩性、构造和结构的灰岩组合，并且岩层倾角较陡；二是张性断裂或较宽的破碎带，由于是非饱和地下水的主要补给通道，从而在断裂带中产生较快的风化速度。
3.2.2石芽型
对同一层位的厚层状灰岩，特别是在高能环境下沉淀并经短距离搬运后再沉积具泥炭质含量低的灰岩，如块状亮晶砂岩、条带状灰岩等，由于岩体内局部化学成分的差异而导致岩石化学活性不同，形成不同的风化速度。风化沿不规则的岩块面进行，从而在岩石体内产生不规则的溶沟、溶槽、孔洞等等，形成石芽、石笋、蜂窝状孔洞。
3.2.3超层型
对于两种化学成分、结构、构造差异极大的石灰岩组合地带，如厚层状的砂质灰岩与薄层、纹层状泥炭质灰岩交替出现地段，当地层倾角<25°时，由于两种岩石的风化速度极不一致，即形成超层型风化岩面。在这种风化型中，风化物残留原地，构成可见原岩结构构造的残积土。
3.2.4溶洞型
在高能环境下形成的厚层状结晶灰岩，由于其岩石成分主要是由化学沉积而成，含较少的泥质和炭质，岩石化学活性较高，加之岩石内局部的化学成分差异，在非饱和地下水作用下，断裂构造带或节理密集地段的灰岩的溶蚀速度比未受后生构造破坏的完整灰岩快，从而在岩石中沿断裂或裂隙形成具较好连通性的溶蚀孔洞，即溶洞。溶洞与石芽型、超层型所形成的孔洞有明显区别，前者多充填外来物质，含水量高、密实度低，后二者的充填物多为原地风化残积物，具较高的强度或可见原岩结构构造。 4不良地质现象的类型与分布规律
4.1喀斯特岩溶
这是石灰岩地区最常见的一种不良地质现象，主要是溶洞和石芽，对端承桩基础极为不利。溶洞的分布受地层层位和后生断裂构造的控制，特别是与具一定长度规模的张性断层的关系更为密切。由于溶洞受断层和地层层位双重因素控制，在面上能较易预测它的分布范围，但在点上难于查定其形态和规模。
4.2软弱土夹层
灰岩风化残坡积土具有十分明显的“上硬下软”的特点。中上部土体呈硬塑或坚硬状，为硬土层，承载力高，而在基岩面凹陷处或基岩面上1～3m范围内，土体多呈软塑状，甚至呈流塑状，承载力极低，构成软弱土夹层。小厚度的软弱土层是常见现象，而厚大软弱土层的分布则受地层层位和一定的断层构造控制。
4.3土洞
在一定的断裂和地下水的共同作用下，石灰岩风化残坡积土体经进一步淋滤和暗流冲刷，从而在土体中形成一种仅充填水的空洞。多数土洞呈线状分布，受一定的地层层位和断层或裂隙带控制。
4.4膨胀性与吸水性
石灰岩风化残坡积土本身具较高的粘聚力和内摩擦角，但在这些地区常见已开挖好的边坡发生崩塌滑坡，已支护好的基坑发生变形甚至被破坏，还有一些已建好使用多年的浆彻毛石挡土墙发生变形破坏倒塌。这些现象是由于这种土的孔隙比大，含较多亲水性粘土矿物，除具低膨胀性外，易吸水脱水导致反复改变土的性质，破坏土体的稳定性。
5石灰岩地区的工程地质勘察要点
石灰岩地区存在多种不良地质，对不同的基础类型，应各有侧重，有针对性地进行勘察工作。
5.1天然浅基础
石灰岩风化残坡积土的承载力较高，一般>200kPa，对多层或8～9层、单柱荷载<3000kN的建筑物，多选用天然浅基础，如独立柱基础或柱下条形基础。由于这种基础的抗不均匀沉降的能力较差，在勘察时必须查明土的工程物理力学性能在水平、垂直方向上的变化情况和土洞的分布，在土层厚度不大的地段，更应查明下卧软弱土夹层的厚度、埋深、力学性能。
5.2桩基础
对桩基础，特别是端承桩基础，查明基岩的埋深、完整性、基岩面的平整度是极为重要的。基岩埋深决定桩的长度，基岩的完整性决定桩基的承载力和稳定性，而基岩面的平整度（即起伏坡度）决定桩端的入岩深度。在多数情况下，溶洞与石芽是相伴出现，造成基岩面形态十分复杂，既有陡倾斜的岩面，又有溶洞，此时，桩端嵌岩深度必须大于现行规范的要求，才能保证桩的质量达到设计和规范要求，或采用其它基础型式。此外，在溶洞和超层风化地段的勘察入岩深度不够，或对溶洞与超层风化区分不清，都可能导致桩基础失稳。因此，对拟用端承桩基础的场地进行勘察之前，须从较大区域上了解该场地的不良地质现象的可能类型及程度，以便确定勘察注意事项。
5.3基坑及边坡
着重查明土体的抗剪强度、自由膨胀率、地表水及地下水的补给与排泻条件。此外，在勘察报告中，应提示在施工时开挖面不宜暴晒失水或水泡软化。
6小结
岩土勘察工作的目的就是为地基基础设计与施工提供依据。在石灰岩地区的勘察工作，除提供常用的地基基础设计参数外，更重要的是查明溶洞、石芽、陡倾岩面、软弱土夹层等不良地质现象的类型、发育程度及分布规律。同时，对不同的勘察对象采取不同的技术要求，最终提出经济、合理的基础选型方案。
[关键词]石灰岩 风化 石芽 溶洞 残积土
[中图分类号] P62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-5-18-2
石灰岩作为一种特殊的化学沉积岩在地球上大面积出露，约占沉积岩总面积的20%左右，而在我国其所占比例高达55%，特别是在云、贵、川、湘、桂及粤北等地区。由于其岩石化学成分活泼，在大气降雨充沛的热带及亚热带潮湿地区，地下水丰富，大气温度较高，易产生化学风化作用，而物理（机械的）风化相对较弱，从而形成喀斯特岩溶地貌。下面笔者根据多年从事岩土工程勘察经验浅析一下粤北地区石灰岩地区的工程地质特点。
1石灰岩的沉积成岩机理与化学成分
1.1石灰岩的沉积成岩机理
现代地质学研究认为碳酸盐岩多在温暖、藻类和珊瑚类等生物种类丰富、含盐度较高的近岸浅海环境下沉积成岩。由于藻类的新陈代谢，进行光合作用，大量吸收海水中的CO2，使海水中的CaCo2达到饱和状态，沉淀出CaCo2（文石质灰泥）；同时各类生物贝壳的生物磨蚀及机械磨蚀和生物尸体的堆积也提供了大量的灰泥质来源。因处于近岸浅海环境，受沉积盆地地形、潮汐水流动力、陆源物质来源的补给等因素的影响，原已沉淀的灰泥质被短距离搬运到异地堆积或有其它物质成分的掺入，从而形成不同成分、不同结构构造的碳酸盐岩岩石。
1.2石灰岩的化学成分与矿物成分
石灰岩的化学成分主要是CaO、MgO和CO2，其次是SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、Na2O、SO2和有机质等。这些化学成分的含量，因沉积环境的不同而有较大的差别，从而形成多种多样的石灰岩类和白云岩类岩石。
2石灰岩的风化形式与控制风化的因素
2.1风化形式
在热带或亚热带温暖潮湿地区，对岩石化学成分活泼的碳酸盐岩石，其风化形式以化学风化作用为主，热胀冷缩等物理风化作用较弱。岩石在地下水的不断作用下，性质活泼的Ca、Mg元素形成络合物或胶凝体被带走，一部分化学性质不活泼的或惰性的物质，如硅质、粘土质、砂质、炭质等，则留在原地，形成风化残积土。而在我国北方寒带地区，由于温差大，岩石受热变化而产生体积频繁膨胀与收缩，造成岩石发生崩解等物理风化作用。
2.2控制化学风化的主要因素
2.2.1岩石的化学成分
岩石的化学元素组合决定了岩石化学的活性，从而影响岩石的化学风化速度。不同的岩石具有不同的风化速度，从而形成千姿百态的喀斯特岩溶地貌。对一些相对静水环境沉积的岩石，其化学成分相对均一，不均匀风化作用相对较弱，如薄层状炭质或泥炭质灰岩；而相对高能环境或异地沉积的石灰岩，虽然不可溶成分含量较低，但具有化学成分不均匀的特点，不均匀风化速度相对明显，易形成不规则的风化面。
2.2.2岩石的结构构造
岩石的原生构造，由于层间一般充填炭质、泥炭质等软物质，如层面、缝合线、瘤状、条带状等构造均属于软弱结构面，是易产生构造滑动的部位，易形成地下水流动通道。
2.2.3地下水的流动性
非饱和的地下水在水动力的作用下通过各种通道流经石灰岩时，带走化学活泼的组分，此时即产生化学风化作用。非饱和地下水的补给流动速度影响岩石的化学风化速度。
2.2.4岩石裂隙的发育程度
石灰岩多属于硬质脆性岩石，其中的裂隙包括断层、节理、层间滑动面等一系列后生的具良好连通性的线性构造。这些构造是地下水的流通通道，其连通性、线密度控制地下水的水动力条件、流动速度、范围，也控制了岩溶的发育程度和范围。
3基岩面的风化形态
3.1常见的几种基岩面风化形态
由于岩石的化学组分的不均匀性、岩石结构构造的差异性等因素，产生不均匀的风化速度，化学风化的选择性，形成千姿百态的基岩风化面，常见的有凹陷型、石芽型、超层型、溶洞型。
3.2控制基岩面风化形态的因素
3.2.1凹陷型
凹陷与凸起的基岩面呈线状、带状交替出现，基岩面埋深高差一般为几十米，分布极有规律性。控制基岩面形态的主要因素是风化速度的差异，表现方式有：一是不同岩性、构造和结构的灰岩组合，并且岩层倾角较陡；二是张性断裂或较宽的破碎带，由于是非饱和地下水的主要补给通道，从而在断裂带中产生较快的风化速度。
3.2.2石芽型
对同一层位的厚层状灰岩，特别是在高能环境下沉淀并经短距离搬运后再沉积具泥炭质含量低的灰岩，如块状亮晶砂岩、条带状灰岩等，由于岩体内局部化学成分的差异而导致岩石化学活性不同，形成不同的风化速度。风化沿不规则的岩块面进行，从而在岩石体内产生不规则的溶沟、溶槽、孔洞等等，形成石芽、石笋、蜂窝状孔洞。
3.2.3超层型
对于两种化学成分、结构、构造差异极大的石灰岩组合地带，如厚层状的砂质灰岩与薄层、纹层状泥炭质灰岩交替出现地段，当地层倾角<25°时，由于两种岩石的风化速度极不一致，即形成超层型风化岩面。在这种风化型中，风化物残留原地，构成可见原岩结构构造的残积土。
3.2.4溶洞型
在高能环境下形成的厚层状结晶灰岩，由于其岩石成分主要是由化学沉积而成，含较少的泥质和炭质，岩石化学活性较高，加之岩石内局部的化学成分差异，在非饱和地下水作用下，断裂构造带或节理密集地段的灰岩的溶蚀速度比未受后生构造破坏的完整灰岩快，从而在岩石中沿断裂或裂隙形成具较好连通性的溶蚀孔洞，即溶洞。溶洞与石芽型、超层型所形成的孔洞有明显区别，前者多充填外来物质，含水量高、密实度低，后二者的充填物多为原地风化残积物，具较高的强度或可见原岩结构构造。 4不良地质现象的类型与分布规律
4.1喀斯特岩溶
这是石灰岩地区最常见的一种不良地质现象，主要是溶洞和石芽，对端承桩基础极为不利。溶洞的分布受地层层位和后生断裂构造的控制，特别是与具一定长度规模的张性断层的关系更为密切。由于溶洞受断层和地层层位双重因素控制，在面上能较易预测它的分布范围，但在点上难于查定其形态和规模。
4.2软弱土夹层
灰岩风化残坡积土具有十分明显的“上硬下软”的特点。中上部土体呈硬塑或坚硬状，为硬土层，承载力高，而在基岩面凹陷处或基岩面上1～3m范围内，土体多呈软塑状，甚至呈流塑状，承载力极低，构成软弱土夹层。小厚度的软弱土层是常见现象，而厚大软弱土层的分布则受地层层位和一定的断层构造控制。
4.3土洞
在一定的断裂和地下水的共同作用下，石灰岩风化残坡积土体经进一步淋滤和暗流冲刷，从而在土体中形成一种仅充填水的空洞。多数土洞呈线状分布，受一定的地层层位和断层或裂隙带控制。
4.4膨胀性与吸水性
石灰岩风化残坡积土本身具较高的粘聚力和内摩擦角，但在这些地区常见已开挖好的边坡发生崩塌滑坡，已支护好的基坑发生变形甚至被破坏，还有一些已建好使用多年的浆彻毛石挡土墙发生变形破坏倒塌。这些现象是由于这种土的孔隙比大，含较多亲水性粘土矿物，除具低膨胀性外，易吸水脱水导致反复改变土的性质，破坏土体的稳定性。
5石灰岩地区的工程地质勘察要点
石灰岩地区存在多种不良地质，对不同的基础类型，应各有侧重，有针对性地进行勘察工作。
5.1天然浅基础
石灰岩风化残坡积土的承载力较高，一般>200kPa，对多层或8～9层、单柱荷载<3000kN的建筑物，多选用天然浅基础，如独立柱基础或柱下条形基础。由于这种基础的抗不均匀沉降的能力较差，在勘察时必须查明土的工程物理力学性能在水平、垂直方向上的变化情况和土洞的分布，在土层厚度不大的地段，更应查明下卧软弱土夹层的厚度、埋深、力学性能。
5.2桩基础
对桩基础，特别是端承桩基础，查明基岩的埋深、完整性、基岩面的平整度是极为重要的。基岩埋深决定桩的长度，基岩的完整性决定桩基的承载力和稳定性，而基岩面的平整度（即起伏坡度）决定桩端的入岩深度。在多数情况下，溶洞与石芽是相伴出现，造成基岩面形态十分复杂，既有陡倾斜的岩面，又有溶洞，此时，桩端嵌岩深度必须大于现行规范的要求，才能保证桩的质量达到设计和规范要求，或采用其它基础型式。此外，在溶洞和超层风化地段的勘察入岩深度不够，或对溶洞与超层风化区分不清，都可能导致桩基础失稳。因此，对拟用端承桩基础的场地进行勘察之前，须从较大区域上了解该场地的不良地质现象的可能类型及程度，以便确定勘察注意事项。
5.3基坑及边坡
着重查明土体的抗剪强度、自由膨胀率、地表水及地下水的补给与排泻条件。此外，在勘察报告中，应提示在施工时开挖面不宜暴晒失水或水泡软化。
6小结
岩土勘察工作的目的就是为地基基础设计与施工提供依据。在石灰岩地区的勘察工作，除提供常用的地基基础设计参数外，更重要的是查明溶洞、石芽、陡倾岩面、软弱土夹层等不良地质现象的类型、发育程度及分布规律。同时，对不同的勘察对象采取不同的技术要求，最终提出经济、合理的基础选型方案。