土洞地基稳定性的影响因素及定性评价

影响含溶洞岩石地基稳定性的因素很多，有岩体的物理力学性质、构造发育情况(褶皱、断裂等)、结构面特征、地下水赋存状态、溶洞的几何形态、溶洞顶板承受的荷载(工程荷载及初始应力)、人为影响因素等，它们是地基稳定性分析评价的重要依据。
(1)断裂构造：岩溶地基失稳的主要表现形式是岩溶塌陷，岩溶塌陷是物质迁移转换的产物。物质的转移必须有一定的通道才能得以实现，可溶性基岩中的断裂、裂隙虽不能容纳过多塌落物质，但它可通过其中的水流将物质迁移他处，使土层中逐渐形成土洞，最终使上部覆盖层失稳。因此，断裂构造的力学性质、构造岩的胶结特性、裂隙发育程度、规模及其与其他构造的组合关系等，在一定程度上控制了岩溶地基的稳定性。
断裂构造的存在，总体来说对岩溶地基稳定性不利。断裂构造的力学性质、规模、构造岩的胶结特征、裂隙发育程度及与其他构造的组合关系，在一定的程度上决定了岩溶地基的稳定性。张性或张扭性断裂的断裂面较粗糙，裂口较宽，构造岩多为角砾岩、碎裂岩等，且多呈棱角状，粒径相差大，胶结较差，结构较松散，孔隙较大，透水性强，对岩溶地基稳定性不利，如桂林市西城区许多岩溶地基的塌陷失稳，均分布在张性或张扭性断裂带上或其附近；而压性或压扭性断裂的裂面较平直、光滑、裂口闭合、胶结较好、结构较致密、透水性差，不利于地下水活动，对地基稳定性影响较小。
(2)褶皱构造：在纵弯褶皱作用下，较易在褶皱转折端处形成空隙——虚脱现象，同时在褶皱核部易形成共轭剪节理及张节理，这些部位的空隙及裂面粗糙，胶结较差，地下水活动较频繁，对含溶洞岩石地基稳定性不利；而平缓的大型褶皱，对地基稳定性影响较小。
(3)结构面：当含溶洞岩石地基中存在结构面，如节理等，对其稳定性不利。结构面的性质、成因发展、空间分布及组合形态，是影响稳定性的重要因素。一般来说，次生破坏夹层比原生软弱夹层的力学性质差得多，如再发生泥化作用，则性质更差。若溶洞周边处出现两组或两组以上倾向不同斜交的结构面，就极有可能产生坍落或滑动，例如2002年8月，位于桂林工学院附近的屏风山一溶洞顶部由于存在多组斜交的结构面，顶部突然坍落直径数米、重达数十吨的石灰岩块石。关于结构面的溶洞地基稳定性评价，还可采用定量评价分析，可利用本书2.4节推求的方法来进行计算评价。
(4)岩石：当石灰岩呈厚层块状、质纯、强度高时，并且岩石的走向与溶洞轴线正交或斜交，角度平缓，对地基稳定性影响较小；反之，对地基稳定性不利。
(5)溶洞洞体：当溶洞埋藏较深，覆盖层较厚，洞体较小(与基础尺寸比较)，溶洞呈单体分布，且呈圆形时，对地基稳定性影响较小；反之，对地基稳定性不利。另外，当溶洞内有充填物时，也对地基稳定性有利。
(6)地下水：地下水是影响含溶洞地基稳定性的重要因素，地下水的活动将降低岩体结构面的强度。当水位变化较大或有承压水时，也可改变地基溶洞周围的应力状态，从而影响地基的稳定性。
(7)其他因素：人工爆破、人为大幅度降水、交通工具加载或振动、地下工程施工及基坑开挖等产生临空面而改变溶洞周围应力状态、地震(水库诱发地震)等，都有可能引起溶洞地基的塌陷失稳。

岩溶地基的稳定性是岩溶区工程建设的重要问题之一，它直接关系到工程建设的可行性、安全性及工程造价等。目前，对土洞地基稳定性的评价，定性评价较多，定量评价较少。定性评价主要是根据工作者的实践经验，定性分析土洞地基的土层性质与结构、地下水、岩溶发育程度等因素对土洞稳定性的影响。定量评价的方法主要有：①根据土洞坍塌的稳定条件进行评价；②根据试验资料或塌陷因素进行评价。
前一种定量评价方法由于受计算边界条件的影响，有时其计算结果误差较大，而后一种定量评价方法需要较多的试验资料，较繁琐，实践中用得较少。
从已有土洞塌陷的剖面形态来分析，可以判断土洞塌陷的力学机制。目前主要的土洞塌陷的剖面形态有以下4种。
(1)井状：塌陷坑壁陡立呈直筒状；
(2)漏斗状：口大底小，塌陷坑壁呈斜坡状，状如漏斗；
(3)碟状：塌陷坑呈平缓凹陷，面积大，深度小，呈碟形；
(4)坛状：口小肚大、塌陷坑壁呈反坡状；
上述剖面形态为井状、漏斗状、碟状的土洞塌陷，塌陷的力学机制应该属于整体破坏型式，即土洞失稳是从上到下整体同时产生的；而剖面形态为的坛状土洞塌陷，塌陷的力学机制应该是属于局部破坏型式，即该类土洞的塌陷首先是从土洞内壁开始破坏，然后向周围扩展，最后导致整个土洞地基失稳塌陷，形成口小肚大的坛状。
3.2.1 整体破坏型式土洞地基的稳定性
3.2.1.1 坍塌平衡法
土体内部形成空洞前，在垂直应力和水平应力作用下处于自然平衡状态。随着土洞的出现，上部土体失去支撑，应力状态发生变化(图3-1)。

图3-1 土洞顶板稳定性示意图

Fig.3-1 Diagram for roof stability in soil cave
假若土洞平面范围为长条形，作用在土洞顶板上的压力为p0，那么p0主要由以下作用力组成：
p0=G-2F (3-1)
式中：p0为空洞单位长度顶板上所受的压力(kN/m)；G为空洞单位长度顶板上土层的总重量(kN/m)，G=2aγH；a 为空洞长度的一半(m)；γ为土的重度(kN/m3)；H为地表至溶洞间土层厚度(m)；F为空洞单位长度侧壁的摩阻力(kN/m)；

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：N为楔形体在侧壁上的土压力(可取为土的静止土压力)，N=K0·γH。
因此，(3-1)式可变为：
p0=2aγH-γH2·K0·tgφ-2cH (3-3)
由上式可以看出，当p0=0时，亦即H增大到一定厚度时，顶板上方土体恰好处于基线平衡状态，若将这时的H称为临界厚度H0，有：

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当H＜H0时，可认为顶板不稳定。
若基底存在附加压力R(如建筑物基底附加应力)，则式(3-1)变为：
p0=G-2F+2aR=2aγH-γH2·K0·tgφ-2cH+2aR (3-5)
令p0=0时，化简式(3-5)得到临界厚度H0为：

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当土洞平面范围为圆形时，作用在土洞顶板上的压力p0为：
p0=G-F (3-7)
其中：
G=πa2γH；

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当土洞处于极限平衡状态时，土洞顶板的压力p0=0，式(3-7)为：
πa2γH-(πaγH2·K0·tgφ+2πa·cH)=0 (3-8)
化简得土洞地基临界安全厚度H0为：

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对比长条形和圆形土洞地基临界安全厚度H0的式(3-4)和(3-9)，可以发现：圆形土洞比长条形土洞的临界安全厚度要小，更有利于地基的稳定性。
3.2.1.2 成拱分析法
发育于松散土层中的土洞，可认为顶板将成拱形塌落，而其上荷载及土体重量将由拱自身承担。
此时破裂拱高h为：
h=B/f
其中：

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即

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3.2.2 局部破坏型式土洞地基的稳定性[36]
从桂林市土洞塌陷的调查来看，许多土洞塌陷的剖面形状为上小下大的坛状，这就表明该类土洞的破坏是从土洞内壁开始，然后向周围破坏，最后导致土洞地基失稳塌陷。此外，前述土洞地基整体破坏失稳评价，对地下水位变化对土洞稳定性的影响考虑较少，而地下水升降又是土洞地基失稳最主要的影响因素之一。根据桂林市的统计，有一半以上的土洞塌陷失稳与地下水位变化有关。考虑土洞地基局部破坏失稳型式，从弹塑性力学理论出发，分析地基中土洞洞壁周围土体的应力状态，通过计算评价土洞地基的稳定性。
3.2.2.1 土洞地基弹性理论应力分析
3.2.2.1.1 土洞中产生的次生应力
设距地面以下为h处有一半径为a的圆形土洞(h＞6a)。设地基土层是均质的、各向同性的弹性体，为此，可把在地基中的土洞周围土体应力分布问题视作一个双向受压无限板孔的应力分布问题，采用极坐标来求解土洞周围土体应力。此问题的求解应力公式同式(2-1)。

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圆形断面土洞周边(r=a)处的应力，根据(3-10)式，可得：

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由(3-11)式可知，在土洞周边处，切向应力σθ最大，径向应力σr=0，剪应力τrθ=0。
从表2-1可看出：当b≫ a，r=6a时，σr=0.97p，σθ=1.03p，与原始应力误差仅为3%，从工程角度上来说，可满足要求，故可认为其影响半径为r=6a，即在弹性体中，对存在一孔洞，圆孔周边产生应力集中的影响区域为6a半径范围，其余范围可不考虑其影响，仍可按弹性体考虑其应力状态。因此，只要基础底面至土洞中心的距离h大于6a(a 为土洞半径)，就可以用式(2-1)来解决土洞周围土体中的应力分布。
同理，也由下式来求得：在建筑物荷载作用下，地基中土洞周围土体的应力。

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式中符号意义同前。
3.2.2.1.2 不同土洞断面形状所产生的次生应力
(1)椭圆形断面形状所产生的次生应力：土洞若为椭圆形土洞，其长半轴为a(水平轴)，短半轴为b(竖直轴)，作用在土洞上的垂直应力仍为p，水平应力仍为q，那么，土洞周围任一点的切向应力σθ、径向应力σr和剪应力τrθ值的大小，可根据弹性理论，按椭圆孔复变函数解得。

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式中：m为椭圆轴比，m=b/a；θ为土洞周边计算点的偏心角(与水平轴夹角)。
从判断土洞稳定性的观点出发，只要找到土洞周边极值点处的应力大小，看其是否超过土体的强度，即可判断其稳定程度。从研究圆形土洞周边应力得知，椭圆形土洞周边应力的两个应力极值仍然在水平轴(θ=0、π)和垂直轴(θ=π/2、3π/2)上。
从式(3-13)中可见，当原始应力(p、q)为定值时，切向应力σθ值的大小是随轴比m而变化的，即轴比m是影响应力分布的唯一因素。
例如，当已知垂直方向的原始应力为p，q=0.25p时，计算所得的切向应力随轴比m=b/a的变化情况列于表3-1。

表3-1 椭圆形断面土洞周边应力随轴比的变化　Table3-1 Stress variation in soil cave periphery of different axis ellipse

注：负值表示拉应力
(2)其他断面形状土洞所产生的次生应力：岩溶区地基中的土洞断面形状，除了圆形和椭圆形外，还有其他的形状，如近似正方形、矩形、拱形、马蹄形等。对于这些断面形态的土洞，其周围的应力状态较复杂，很难用理论解来表示，目前常用光弹试验或有限元方法等来确定其周围的应力状态。但对于土洞的稳定性判别，只需要土洞周边某些关键点的应力状态，并可根据《岩土工程手册》中的表10-4-2来计算查求，然后对这些关键点进行稳定性判别。
3.2.2.1.3 土洞周围土体稳定性判别及塑性破坏边界
由前述式(3-11)可知，在圆形土洞周边r=a处，σr=0，τrθ=0，σθ值不仅与σθ、q有关，而且与θ值也有关。当p、q给定后，σθ值的大小将随θ而变化。表3-2列出了圆形土洞周边q=p、p/2、p/3、p/4等不同情况下的σθ随θ变化值。

表3-2 圆形土洞不同p、q时σθ随θ变化　Table3-2 The σθ values in different p、q with the variation of θ values in round soil cave

由式(3-11)知，在土洞周边处，σr=0，σrθ=0。且土洞周边上的应力以水平方向的左右两点(θ=0，π)最大，土洞顶底板中央应力最小，并有可能出现拉力。因此，判断土洞周边是否稳定，可找出关键点处的应力值，判别其是否产生破坏，如果关键点处不会产生破坏，则可认为土洞是稳定的；反之，土洞将产生破坏。例如，对圆形土洞而言，即 θ=0、π、3π/2、2π处的应力值是关键点的应力值。

图3-2 土的极限平衡条件

Fig.3-2 The limit equilibrium condition of soil
(1)土洞周边土体的莫尔—库仑准则判别：根据极限应力圆与抗剪强度包线相切的几何关系(图3-2)，可建立以σ1、σ3表示土中一点的剪切破坏条件，即土的极限平衡条件。

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

或

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在土洞周边处，由于τrθ=0，
所以σθ，σr为大、小主应力，σ1=σθ，
σ3=σr=0，得到土的极限平衡条件式如下：

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(2)土洞破坏区塑性边界：当p ≠ q时，土洞周围土体塑性区的边界为不规则形状，要准确地确定塑性区边界有一定的困难，目前尚无理论解，通常采用近似计算方法确定塑性区边界。其原理为，首先按弹性理论求得土洞周围土体应力，然后将此应力值代入塑性条件，满足塑性条件的区域则为塑性区。这种方法只能近似地求出塑性区边界，求不出塑性区的应力。具体解法如下：
按(3-10)式求出圆形土洞周围土体中的某点处的应力σr，σθ，τrθ；若土洞为椭圆形，则用(3-4)式；若土洞为其他断面形状，可用本书的方法求得关键点处的应力值。
将求得某点的σr，σθ，ττθ代入式(3-16)得到该点处的大、小主应力σ1、σ3：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

最后，将求得的大、小主应力σ1、σ3用莫尔—库仑准则进行判别。若土体有破坏的点，则由一系列破坏点所组成的区域为塑性破坏区。
3.2.2.2 应用举例
(1)土洞稳定性判别：某工程假设采用1.6m×1.6m的独立柱基，基础埋深为1m，基底以下为硬塑粘土，地下水为潜水，水位埋深为地面以下1.8m，硬塑粘土承载力标准值fk=200kPa，粘土重度γ=18kN/m3，粘土饱和重度为γsat=18.5kN/m3，黏聚力为c=50kPa，内摩擦角为φ=26°，基底附加应力p0=180kPa，基础底面以下5.0m处有一洞高为0.60m的土洞，土洞内无充填物，硬塑粘土侧压力系数λ取0.5(图3-3)。
为求土洞周边处的应力，先求得距土洞中心6a处的垂直及水平作用力p、q。
经计算得到式(3-12)各项所需的计算参数：
aA=0.091；aB=0.028
σCA=18.0×1.8+(18.5-10)×2.7=55(kPa)
σCB=18.0×1.8+(18.5-10)×4.5=71(kPa)

图3-3 独立柱基下的土洞应力计算

Fig.3-3 The stress calculation of soil cave in single foundation
硬塑粘土侧压力系数λ取0.5；基底附加压力p0=180kPa；
则由(3-12)式计算得到：p=72kPa；q=38kPa。
将其代入(3-11)式，得到土洞周边的应力：σr=0，τrθ=0。
而σθ在土洞不同部位，其结果不同(表3-3)。

表3-3 圆形土洞周边应力σθ计算结果　Table3-3 The result of σθ calculation in round soil cave periphery

由于地下水为潜水，其埋深为1.8m，土洞处于静水压力状态，静水压力为Pw=γwhw=10×4.5=45kPa，γw为水的重度(kN/m3)；hw为潜水面至土洞中心的距离(m)。
因此，土洞周边的径向应力σr及环向应力σθ均应加上静水压力Pw=45kPa。那么，考虑地下水影响时土洞周边的σr、σθ大小，应该在表3-3 结果的基础上再加上Pw=45kPa，最终结果见表3-4。

表3-4 考虑地下水作用时土洞周边应力　Table3-4 Stress in soil cave periphery with the action of groundwater

将上述结果σθ、σr代入极限平衡条件式(3-16)进行判别：
土洞周边处应力最大的点，当θ=0时，σθ=223kPa。
；(安全)]]CA=1.8×4.5=81(kPa)
σCB=18×6.3=113.4(kPa)
aA、aB、λ、p0等均不变，
由(3-12)式计算得到：p=97(kPa)；q=59(kPa)。并将其代入(3-11)式得到土洞周边的应力σθ，见表3-5(其中σr=0，τrθ=0)。

表3-5 地下水位下降时土洞周边σθ值(kPa)　Table3-5 The σθ values in soil cave periphery with the declining of groundwater(kPa)

据(3-16)式知，当θ=0°、15°、30°时；σθ=232kPa、222kPa、194kPa，其值均大于极限平衡条件：σ1=σrtg2(45°+φ/2)+2c·tg(45°+φ/2)=160(kPa)。因此，由于地下水位的下降，土洞水平方向两边将出现较大范围的破坏。
由以上分析可知，地下水位升降对土洞地基的稳定性影响很大。前述例子便是由于地下水位下降致使土洞由稳定变为破坏失稳。尽管其基础底面距离到溶洞顶板距离达5m(大于3倍独立基础宽度3×1.6=4.8m)，也符合《岩土工程勘察规范》GB50021—2001的第5.1.10条第一款或《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002 的第6.5.2条规定：“在岩溶区，当基础底面以下的土层厚度大于三倍独立基础底宽，或大于六倍条形基础底宽，且在使用期间不具形成土洞条件时，可不考虑岩溶对地基稳定性的影响”。但是由于地下水位的变化，土洞周围土体中的应力状态将产生改变，从而使下覆土洞破坏，导致地基失稳。
由上分析可知，在岩溶区，对于土洞地基，地基在自重应力和附加应力的作用下，土洞周围土体将产生应力集中。土洞地基的稳定性分析评价，可利用本文中由弹性理论推求的有关方法，得到土洞周围土体的应力状态，再利用莫尔—库仑屈服准则进行土洞周围土体稳定性计算判别。地下水位发生变化，将使土洞周围土体的应力状态产生显著改变，并有可能最终导致地基破坏或失稳。有些土洞地基，即使符合《岩土工程勘察规范》GB50021—2001的第5.1.10条第一款或《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002 第6.5.2条的有关规定，认为可不考虑土洞影响的地基，也还应该对土洞地基进行定量计算判别，尤其是存在地下水时，更应引起重视。建议对规范中该部分内容再进一步研究并修订。

影响土洞地基失稳的因素有许多，如地基土层组成结构、地下水、地表水、振动、人为因素等，其中地下水和地表水是最关键的因素。

3.1.1 地基土层的影响

3.1.1.1 地基土层组成结构的影响

地基土体的组成结构不同，土体产生渗透破坏的形式及抵抗渗透变形的能力也不同。一般来说，级配良好的松散砂土容易产生潜蚀和管涌破坏，其临界水力坡度相对较低，抵抗渗透变形的能力也相对较低。在相同水力条件下容易产生渗透变形，形成土洞塌陷。级配不好且密实的砂砾土，则不容易产生渗透变形，因而也就不容易形成土洞塌陷。黏性土由于孔隙较小、粒间连接力较强，因此较难产生单个颗粒呈悬浮状态的管涌破坏，而产生流土或接触冲刷破坏，其破坏缘于土体在渗透力作用下抗剪强度不足而发生。因此，土体的抗剪强度不同，其抵抗渗透变形及塌陷的能力也不同。呈软塑状态且黏粒含量低的土，其抗剪强度较低，故抵抗渗透变形及塌陷的能力也较低，较容易产生土洞塌陷。呈坚硬状态且黏粒含量高的土，抗剪强度较高，较难产生渗透变形。表现为临界水力坡度大，产生流土破坏的临界破坏力也较大(当黏粒含量达60%时，临界压强P_c可达到450kPa)，因此也不容易产生土洞塌陷^[35]。

具有混杂结构的覆盖层，表明其抗塌性能较差。这是由于此类结构较松散，且粗细颗粒渗透性能差异大，在其接触面上容易产生接触冲刷而形成土洞和塌陷。当砂卵石层直接覆盖在基岩上时，例如桂林漓江一级阶地常常出现这种地层结构，最有利于地基失稳塌陷的孕育；其次是黏性土、砂卵石层混层结构；再其次是均一的黏性土地层。

3.1.1.2 地基土覆盖层厚度的影响

通过对桂林市西城区大量钻孔资料和地表测绘资料的统计分析表明，覆盖层厚度越小，岩溶塌陷越发育。厚度小于6m区域的塌陷个数占总塌陷个数的74%以上；厚度小于10m区域的塌陷个数占总塌陷个数的99%以上；覆盖层厚度大于10m时，基本上不会发生岩溶塌陷^[35]。

3.1.2 地下水活动的影响^[32]

岩溶地下水的活动主要表现为水位的升降，流速、流量和水力坡降的变化，它可以由降水等自然因素引起，也可以由于人为因素如建筑基坑降(排)水、水库和给排水工程渗漏及灌溉等改变岩溶地下水的水动力条件，加剧地下水的活动。据统计，桂林市80%以上的岩溶塌陷(含土洞塌陷)是在地下水强径流带发生的。对于岩溶塌陷的发育，它是一种十分敏感和活跃的动力因素，其作用主要有以下几种：

3.1.2.1 地下水位下降改变土体性状的作用

地下水位下降对土体性状的改变，主要表现在以下几个方面：

(1)改变土的重度：土的重度随含水量的增大而增大，对一般黏性土来说，土体在饱水之后，重度可增加20%左右。重度增大，塌陷体重量增加，从而加速土洞拱顶垮落。许多的岩溶塌陷发生于久旱雨后，这与地下水位升高，土体重度突然增加有关。

(2)改变土体结构：对于许多红粘土地基，含水量增加时产生膨胀，干燥时收缩，并随之出现垂直裂隙，土体被切割，土体的抗剪强度降低，不利于土洞地基的稳定。同时，土体中出现的垂直裂隙，还有利于雨水、地表水下渗，加快潜蚀作用，使土洞拱顶更易垮落，产生塌陷。

(3)地下水位下降的失托增重作用：岩溶地下水位下降，使其对覆盖层或土洞顶板的浮托力消减，相当于使土体自重增加。其消减值主要取决于水位下降值及土体重度的变化：

Δp=(γ-γ′)Δh

式中：Δp为浮托力消减值；γ为水位下降后原水位以下土体的重度；γ′为水位下降前水位以下土体的浮重度(γ′=γ_sat-1)；

Δh为水位下降值(水头差)；γ_sat土体的饱和重度。

故Δp=[1-(γ_sat-γ)]Δh

对于不透水的黏性土，水位下降后，在毛细作用高度范围内，其重度变化很少，接近于饱和重度。因此，其浮托力消减值约等于消减的承压水头值，为其上限极值，即：

Δp=Δh

对于透水性良好的砂性土，水位下降后土体孔隙中所含的水很快流失，此时其重度接近于干重度。因此，其浮托力消减值的下限极值约为：

Δp=(1-n)Δh

式中：n为土体的孔隙率。

因此，浮托力的消减值随岩、土体岩性结构的不同，变化(1-n)Δh与Δh之间。失托增重作用使盖层或土洞顶板的稳定性降低，在盖层薄而松软、岩溶水位埋深浅的地方，可直接导致土洞地基失稳塌陷。

3.1.2.2 渗透潜蚀作用

岩溶地下水位的下降，使地下水的坡降和流速增大，动水压力增强，从而对岩溶洞隙通道中的松散充填物和覆盖层产生侧向潜蚀、冲刷和掏空作用。在上述作用下，土洞不断向上扩展而导致塌陷。

地下水潜蚀型塌陷形成的整个过程中时间可长可短，长者几年，甚至几十年，短者只需几小时，主要取决于地下水水位变幅、频度、搬运能力、土体矿物成分、土层厚度以及地下岩溶的规模、连通性等。

地下水流的动水压力(渗透压力)p为：

p=J·γ_w

式中：J为水力梯度；γ_w为水的重度。

地下水侧向渗流具有的动能E_f为：

按达西公式：

；V=KJ

式中：M为水的质量；U 为水的实际速度；V为水的渗透速度；K为渗透系数；J为水力梯度；n为岩、土体孔隙率。

由于K、n均为常数，则动能E_f与水力梯度J的平方成正比，其增长很显著。

在工程实践中，常以临界水力梯度J_kp来表征潜蚀起始的临界条件。临界水力梯度是指土颗粒在地下水流作用下从静止变为运动状态时的水力梯度，见本书式(1-6)。此时地下水动水压力与土的浮重度相等，土体处于极限平衡状态。

3.1.2.3 真空负压吸蚀作用

在封闭较好的岩溶、土洞空腔，当岩溶地下水位下降至覆盖层底板以下，由承压转为无压时，在岩溶空腔中的水、气形成了负压，对盖层产生了附加吸力而使其遭到吸蚀剥落并向下迁移。对于上覆土层中所含的水，负压使其增加了向下渗透的附加水头，从而加剧了对土体的潜蚀作用，加速了土体的破坏和土洞的形成与扩展。负压的大小取决于覆盖层的封闭程度和水位的下降速度，在完全封闭的条件下，其理论最大值为一个大气压。应该指出，负压现象是经常可见的，在塌陷的形成中起一定的作用。但由于覆盖层的封闭性往往是相对的，地下水位下降速度一般也较缓慢，因此其作用是有限的。完全由负压吸蚀产生的塌陷只有在岩溶、土洞空腔封闭很好，而上覆土层较薄的条件下才有可能出现。

3.1.2.4 地下水位波动的崩解作用

由于岩溶地区广泛地存在由蒙脱石、伊利石和高岭土等亲水矿物组成的红粘土，地下水易对红粘土产生崩解作用。抽、排水导致地下水具有比自然条件下更大的波动，地下水通过洞、隙开口处的反复升降运动，对覆盖层产生浮托力的反复增减，并使之反复饱和失水，其结果使覆盖土层底部及沿裂隙的土体遭到崩解、散体、剥落而向下迁移，形成土洞并向上扩展。即使在自然条件下，地下水位的波动也能形成土洞，这些土洞除位于基岩面附近外，还多见于水位的季节变动带中。其原因除上述崩解作用外，还与地表水的下渗和潜蚀作用有关。

一般来说，地下水位变幅愈大，频度愈高，土体的崩解率愈大。

3.1.2.5 岩溶地下水位上升的水、气正压力顶托和冲爆作用

岩溶地下水位上升，岩溶空腔中的水、气形成正压，对顶板盖层产生顶托作用，当水位上升幅度大而盖层较薄，顶托力超过盖层强度时，就可使盖层开裂破坏导致土洞地基失稳塌陷。

当岩溶地下水位在连续降雨、停止抽排水等因素影响下急速上升时，岩溶空腔中的气体，若具备封存条件则被压缩形成压缩气团，如顶盖岩土体强度不足，则可冲破顶盖产生气爆，而导致塌陷，并伴有地鸣、冒气、冒水现象。

3.1.2.6 水击作用

岩溶管道中的地下水流经常处于不稳定状态，当岩溶薄顶板突然塌落(如工程爆破或车辆振动所致)或塌陷土体突然落入有水管道，管道中充填物的堵塞或冲决，由于岩溶水局部水流受阻突变可能引起岩溶管道内压力大幅波动和往复传播，使水流速度突然变化，从而有水击压力施加于洞壁，从而产生水击波的水击作用，使与管道相通的洞隙上方覆盖层被击穿而塌陷，可能诱发土洞或溶洞局部顶板进一步塌落，直至使上覆土体亦发生陷落。并伴随有地鸣、冒水、喷沙等现象。参考儒科夫斯基公式，其水击压力以水头值表示为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：ΔH为水击压力水头高度(m)；v 为水击波速度(m/s)；Δv 为水流速度变化值(m/s)；g为重力加速度(m/s²)；v₀为水中压缩波速度(m/s)，C₀=1425m/s；E为灰岩的弹性模量(MPa)；K为水的弹性系数(MPa)，K=2.07×10³MPa；d/σ为岩溶管道直径与管壁厚之比。

如桂林市柘木镇塌陷，1997年11月11日，柘木镇附近漓江航道进行水下基岩爆破，爆破引起的振动，使位于附近漓江河床上处于临界状态的两处基岩塌陷，诱发1.2级的塌陷地震，震动冲击波形成强大的水击效应，高压水气流沿岩溶管道裂隙系统传递，并向上覆土层挤压扩散，引起喷水喷沙喷气现象，致使部分土洞顶板被掀起，产生塌陷。随着溶洞中水气压力的快速消散，地下水回流，产生负压和真空吸蚀作用，致使另一部分土洞进一步发生塌陷。本次塌陷共产生塌坑40个，影响面积达0.2km²。这是一起典型的由多种诱因而导致的土洞地基失稳塌陷。

3.1.3 地表水的活动

(1)地表水下渗产生的潜蚀作用：地表水的流动下渗进入地基土体中，当土层中地下水渗流的水力梯度大于临界水力梯度J_kp时，土体中的细颗粒在孔隙通道中移动并被携出，土层产生潜蚀破坏并形成土洞或塌陷。

例如桂林工学院教四楼墙体开裂，该教学楼始建于1956年，在1992年，该楼东侧一楼联合教室基础突然下榻，使基础与上部墙体脱离达5cm，形成一个直径4m的凹塌区，墙体由一楼开始至三楼，裂缝宽2～15mm，该教室只好停止使用进行地基处理，其原因是隔壁的厕所与化粪池长期漏水使地基红粘土湿化、软化直至潜蚀流失所致。此外，桂林工学院原图书馆的墙体开裂，也是由于地表池内水渗漏产生潜蚀作用使地面变形。

(2)酸、碱性污水入渗的化学潜蚀作用：酸、碱性工业废水具有很强的溶蚀能力，不但使场地排水设施迅速破坏，造成污水大量集中渗漏，而且入渗污水使土体中的可溶性组分被溶解淋滤，土体结构受到削弱，尤其是对于铁、钙质胶结的红粘土地基，土体强度降低，并加剧了入渗水流的潜蚀作用，形成土洞，导致盖层失稳塌陷。首先是含有各种酸(如H₂SO₄、HCl等)的废水排入地下后，溶解地基红粘土胶结，强度降低；其次是污水中的一些化合物(如H₂S、NH₃等)经过氧化作用后形成酸，增强了污水中的酸性，从而加剧了溶解作用；此外，地表废水(含污水)排入地下后，通过同离子效应或盐析作用，也会促使铁、钙质胶结物的溶解。

例如1983年桂林市第二造纸厂塌陷，该厂排出的酸性废水中pH值小于2.0，Cl^-含量达到61262mg/L，这些废水通过排污沟渗入地下后，在附近钻孔中取地下水分析化验，结果为地下水中pH值小于6.0(区内地下水pH值一般在6.5～8.5 之间)，Cl^-含量在35～65mg/L之间，最高达620.4mg/L。据该厂处理车间勘探资料，施工49个钻孔中有26个孔遇到土洞，一些土洞中充填有酸、碱物质，塌陷即是由于含酸废水下渗，使地下水中pH值降低，对土体中易溶盐的溶蚀作用加强，土洞规模不断扩大而导致塌陷。

(3)河水水位的波动作用：在河水与地下水联系密切的地区，岩溶地下水随河水位的升降而波动。在洪水位迅速下降时，地下水位随之消落，因渗透性的差异，盖层地下水位消落滞后于岩溶地下水位，使两者之间获得最大的水头差，促进了盖层地下水向下伏岩溶水垂向渗透潜蚀作用。同时岩溶地下水位的快速消落还能引起岩溶空间的真压吸蚀作用。

当地下水位缓慢下降时，原充水空间变为充气空间，后因受某种突发因素激发(如暴雨、岩溶突水等)，岩溶地下水位又快速急剧上升，使充气空间受到压缩而产生气爆作用，气爆可能会冲开或冲裂土洞洞腔顶部产生塌陷。

(4)水利工程产生的水压力和渗漏：岩溶地区的水利工程建设如水库等，因水库蓄水后水位上升产生巨大的静水压力，将改变原来地基土应力平衡状态，若地基中存在土洞，此时土洞有可能破坏失稳；水库放水导致库水位快速下降时，也可能在封闭的河道内产生负压力，同样可以导致土洞塌陷。另外，水库渗漏也有可能产生潜蚀、流土等，产生土洞，土洞并进一步扩大将导致塌陷失稳。

3.1.4 人为振动(地震)

人为振动如爆破、车辆和机械振动、建筑施工(如打桩等)对地面的振动作用等，在一定条件下也可诱发土洞塌陷的产生。例如1997年3月17日桂林市中山南路某建筑工地施工，一辆装载建筑用砂的汽车驶入工地，使场地发生直径约5～8m，深约2.1m的塌陷坑；又如桂林市区内有2处在铁路路基下或附近地带，由于车辆往返震动，在原有土洞的基础上引起地面塌陷。

其结果是使土体结构受破坏，抗剪强度降低，造成抗塌力减小，从而破坏土洞原有的平衡条件，促使土洞塌陷的产生。如桂林鲁山水泥厂宿舍区，在场地勘察时，因钻机振动而导致塌陷。一般来说，振动致塌均发生在土洞、溶洞发育地区，主要是起到加速加快原有土洞的破坏，并不会形成新的土洞。

地震产生的地震力，可使土洞盖层的岩土体受到破坏，造成塌陷。其产生的冲击作用，使土体的颗粒之间产生反复的压缩——拉伸和剪切作用，而使岩、土体的结构破坏，强度降低，导致失稳塌陷。此外在粉土、砂土地基中，也容易产生砂土液化，导致地基中孔隙水压力骤然上升，颗粒间的有效应力减小以至完全消失，抗剪强度完全丧失，变成像液体一样的状态，从而导致土洞地基塌陷。

3.1.5 人为因素

(1)人工加载：人工加载使盖层中增加一个附加应力，改变盖层的力学平衡状态，降低其稳定性。当土洞顶板处于接近极限平衡状态时，加载作用往往造成土洞顶板的失稳破坏，导致塌陷。加载直接作用在土洞上面，增加了土洞的致塌力，一旦致塌力大于抗塌力后，土洞发生塌陷失稳。

(2)人工抽水：人工抽水将在抽水井附近形成水位下降漏斗及强径流—排泄带，改变地基中水力坡度和水动力条件，诱发土洞塌陷。例如在砂、土或卵石等互层混合组成的地基中，当进行大流量、大降深抽水时，常因水位下降，地下水流速突然增大，水动能增加，加速地下水对土、砂颗粒的搬运动力，使原来地基中的粘土或粉细砂随水被携带走，在地基中形成细通道或土洞，继而引发塌陷。

此外，已有经验表明，地下水开采强度直接影响着岩溶塌陷强度及塌陷范围。地下水开采量愈大，塌陷数量愈多。