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【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
Karst red clay ground limestone cave soil cave paragenesis mechanism and processing method
Zhou Yuan-zhong1, Zhang Dao-you2
(1.Guizhou Normal university Guiyang Guizhou 550014;
2.Guizhou transportation scientific research research institute Guiyang Guizhou 550001)
【Abstract】The mechanism has carried on the microscopic structure mechanical strength analysis to the karst red clay ground's essential feature and the limestone cave and soil cave,has analyzed in the karst red clay ground the red clay microscopic collection grain of structural feature, proposed the limestone cave and the soil cave paragenesis seepage jitter becomes the hole model and the processing method. The research thought: Only the ground, the foundation, the superstructure and each kind of technical economy condition synthesis forms an engineering technology economic environment system, seeks can design the relatively most superior concrete limestone cave and the soil cave project prevention plan from system's technical economy environment overall balance way angle embarking, the union project reality, has analyzed the limestone cave processing method in the project practice concrete application and the effect.
【Key words】Karst; Red cley; Limestone cave; Soil cave; Paragenesis mechanism
1. 引言
岩溶红粘土地基是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，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。如果没有断层、裂缝、溶洞等水的运动空间，由于红粘土具有弱渗透性，地表水的渗透作用和地下水的潜蚀作用便不能发挥，土洞也就不能形成，因此，溶洞和土洞的形成必须具备以下条件：（1）具有断层、裂缝、节理等可供地表水和地下水流动的运动空间；（2）可溶性的碳酸盐类岩石；（3）能够对可溶性岩石及其上覆红粘土进行溶蚀、冲蚀、渗透等形式破坏的足够量的水；（4）具有水对可溶性岩石及其上覆红粘土进行溶蚀、冲蚀、渗透等形式破坏所需要的充足的时间。只有具备上述四个方面的物质条件，溶洞和土洞方可形成。
3.2 溶洞和土洞的共生渗透失稳成洞模型
3.2.1 溶洞形成的化学溶蚀机理。碳酸钙是可溶性的碳酸盐类岩石的重要组成部分，由于碳酸钙是弱电解质，因而其在水溶液中的化学反应是一种离子反应：
CO32-+H+←→HCO3-
CaCO3电离产生的CO32-与CO2和H2O作用后产生的H+结合形成新的HCO3-离子，降低了CaCO3电离产生的Ca２++CO32-离子浓度，从而破坏了CaCO3的电离平衡，这样，就进一步导致CaCO3继续电离而使可溶性的碳酸盐类岩石被继续溶解。
CaCO3的溶解度和溶解速度受温度、离子浓度、离子种类、水的流速等多种因素影响和控制，40℃～60℃是岩溶发育的地表最有利温度区间，在降雨多，降雨量变化大且气候炎热，温度变化大的地区，温度从高温向低温转变会提高水对碳酸盐类岩石的溶解度，10℃时的地下水中的CO2含量较高，大大提高水对碳酸盐类岩石的溶解度。在岩石与水的界面处，当Ca2+和CO32-的浓度达到一定程度后，会形成一个密集的离子层或局部饱和层，阻止溶解的继续进行，因此，当岩石与水的界面处的水受到外力作用而发生快速流动时，将会促使溶液的溶质的微粒从高浓度区向低浓度区运动，直到浓度梯度消失为止。由于地下水中成分较为复杂，常有与碳酸盐类岩石的溶解产生的离子相同的离子如Ca2+、Mg2+、CO32- 外，还有可能加入Na+、Cl-、SO42-、H+等离子，特别是酸性H+，如果地下水中含有黄铁矿(FeS2 )和SO42-离子时，岩溶较为发育，溶洞较多。贵州省乌江渡三迭系玉龙山灰岩石中，由于相邻地层乐平组砂页岩中含有黄铁矿，使得深部岩溶较为发育，溶洞成群。
3.2.2 土洞形成的渗透失稳机理。
岩溶红粘土地基的红粘土中的土洞形成与黄土等其它粘性土中土洞的形成有本质区别。由于红粘土具有特殊的成分和微观结构特点，因而存在如图2所示的红粘土中的土洞形成主要有三种与水有关的成洞类型：一种是地表水向下的渗透破坏作用成洞；另一种是地下水的不规则升降和快速流动破坏作用成洞；第三种是上述两种作用的藕合作用成洞。
红粘土虽然具有弱渗透性，水在其中渗透流动的速度较慢，有时甚至根本不透水，但是，因红粘土具有胀缩性，而且是以收缩为主，因而其表面会产生较多张性裂缝，特别是在温差较大和土中含铁质较少胶结较差的红粘土中，裂缝甚为发育，为地表水下渗提供了客观条件。如图2、图3所示，当红粘土下覆基岩中存在溶洞或岩石裂隙时，地表水从上向下渗透，土体中集粒之间的弱结合水的厚度不断加大，当弱结合水的张力超过集粒之间的结构连结强度时，集粒被水的斥力排开，同时在强大的水力冲击和溶蚀作用下，集粒单元体会发生解体，从而使土体微观结构破坏，强度下降，逐渐形成一种水土流体，并继续向下渗透。在土体中裂隙交汇处，特别是由于地质构造或人工因素造成土体中局部较大或较集中的孔隙、裂缝、空洞处，如果裂隙和这些孔隙、空洞交汇在一起，且地表水量较大，渗透时间较长时，水土流体沿裂隙、孔隙、裂缝、空洞加速向下流动。由水动力学条件，
F=γw•JJC=γ*/γw
γ*=(γs-γw)•(1-n)
γ*——土粒的浮重度（KN/m3）；
γs——土粒的干重度（KN/m3）；
γw——水的重度（KN/m3）；
n——土的孔隙率；
J——水力梯度；
Jc——临界水力梯度 ；
F——在渗流的水头差作用下渗流产生的渗透力（KN）。
当J≥Jc时，在这些裂隙、孔隙、裂缝、空洞处的土粒在水的渗透力作用下随水流失，范围不断扩大，进而形成土洞。
如果下覆基岩中的溶洞穿顶，为上覆红粘土创造了一个自然的地下临空面，当因地表骤降暴雨或人工大面积抽水而使地下水产生强烈的不规则升降和快速流动时，岩土界面处的水因不能向下渗透而积聚，只能沿界面向低处流动，界面上的摩擦力急剧减小。在溶洞穿顶处，土粒在水的不规则升降和快速流动冲击作用下结构强度降低，甚至结构被完全破坏，进而失稳掉落，随水流失，如此不断向上扩展，逐渐形成土洞，甚至发展成地面塌陷。
3.2.3 溶洞和土洞形成的共生渗透失稳成洞模型。
实践表明，岩溶红粘土地基中溶洞和土洞的形成在空间分布上具有共生性，溶洞的形成为土洞的形成创造条件，而土洞的形成又促进溶洞的进一步发育，其中，溶洞的形成为土洞的形成创造条件是主要方面。一般情况下，如果上有土洞，则其下多有溶洞。在溶洞和土洞形成过程中，水从地表或地下的渗透冲击、溶蚀、润滑等作用促使土体结构破坏，强度降低，最终失稳坠落流失，导致溶洞和土洞形成并加速发育。这是一个特殊的岩、土、水相相互作用系统在地质构造、岩土的成分结构、温度、湿度等多种内外因素共同作用下的动态运动过程。
4. 溶洞和土洞的工程处理方法
4.1 溶洞和土洞相对最优处理方案的确定思路。
经工程实践表明，溶洞和土洞的工程处理虽然有一定规律性，但不能不讲条件，照搬照套，需要结合工程实际形成特殊的思维方式，对以下几个方面进行全面深入的调查研究：（1）在对工程的上部结构形式、荷载大小与分布特点；（2）地基岩土的成分、结构、构造和基础形式；（3）地下水的赋存形式及水位变化特点：（4）工程设计和施工技术水平；（5）新材料、新结构、新设备、新工艺。在此基础上，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，探求该系统技术经济环境综合平衡途径，从而设计出相对最优的具体的溶洞和土洞工程防治方案。
溶洞和土洞具体的处理原则是工程技术经济环境系统相对最优，也就是技术上要先进而可行，经济上要合理而可承受，环境方面要无污染且可持续。具体方法可概括为：（1）清爆挖填；（2）结构跨越；（3）洞底支撑；（4）调整结构；（5）疏堵结合；（6）设置滤层。
4.2 岩溶和红粘土地基溶洞和土洞的处理方法。根据溶洞的位置、数量、形状、大小、埋深、充填情况、岩石风化程度、围岩稳定性、水文地质条件、基础形式、上部结构类型及荷载大小与分布、施工技术、人工、材料、机械等生产要素的获取方式及成本等多方面的信息确定方案，灵活处理。
对洞口小，体积不大，埋深浅，围岩风化程度低，稳定性好的溶洞，可用碎石、粘土或毛石混凝土等材料进行嵌塞或跨盖处理。
对洞口大，体积不大，但埋深不大，充填好，围岩风化程度低，稳定性好的溶洞，可用梁板结构进行跨越处理。
对洞口大，体积大，埋深大，充填不好，围岩风化程度高，稳定性差的溶洞，可用优先考虑调整上部结构的柱距避开，如上部结构不能调整，则需要查明洞底的稳定性，综合采用清、爆、挖、填等措施将溶洞上部松散岩石和土层清除，视上部结构荷载大小和洞底的稳定性情况采用柱子进行洞底支撑或用梁板结构进行跨越处理，并作好地表防水处理措施。
对水位及水量变化较大可能影响基础或淹没场地的溶洞需要设置反滤层，下部疏导，上部封堵并结合梁板结构跨越进行综合处理。
对浅层土洞，可采用开挖回填方法，挖除软土、用石块、混凝土、粘土、碎石土等材料填充处理。
对埋深和体量较大，并较可能形成地面塌陷的土洞，宜挖开在下部从下到上采用石块、碎石英、砂石、粘土等材料设置反滤层，上部封堵并结合梁板结构跨越处理，特别要注意洞旁土体的稳定性并做好地表排水处理，防止地表水向下渗透造成二次成洞塌陷。
对埋深大但体量小的土洞，可直接用桩基础或沉井等方式处理。
5. 溶洞和土洞综合处理的工程实例
5.1 工程概况。
贵州清镇电厂三期扩建工程，规模为2×200MW汽轮发电机组，厂址无法避开岩溶地区，厂房为钢筋混凝土框架、排架结构，辅助、附属建筑多为砖混结构。主厂房基础设计为独立基础，埋深-5.5m，持力层为较完整的白云岩和石灰岩，基岩中厚层，强度较高，抗压强度在3000KPa以上，上覆红粘土、碎石等厚度1.0～5.0m。
5.2 工程的岩溶工程地质问题。
工程地质勘察时布置82个钻孔，根据钻孔资料统计，岩溶钻孔可见率19.5%，直线岩溶率1.4%，溶洞数量多，大小分布不均匀，规模大。主厂房C轴线区段，岩溶钻孔可见率73%，直线岩溶率7.9%，C轴线8＃～12＃轴线，有长达40m，宽度5.45m～9.80m，最大洞体高度4.35m，洞内充满淤泥质粘土，另有大小不等的多层水平溶洞，洞间顶板厚度大致在1.30m～2.50m之间，溶洞均地柱基基础底面标高以下，对主厂房基础稳定性影响很大。开挖时发现大小不等的溶槽、溶沟和起伏不平的石芽，在槽、沟和岩面上分布可塑状态粘土和软塑状态粘土，极可能发生地面变形、地基局部塌陷，严重影响建筑物的安全和正常使用。
5.3 溶洞和土洞综合处理方法。
经过对溶洞各项特征的调查研究和统计分析，结合工程实际，按照技术上满足要求，经济上合理，施工方便，具体分析，灵活处理的原则确定如下处理方案：
对一般较浅的溶洞、溶槽、溶沟，较浅的尽量挖除洞、槽、沟内的填土，直接用C10素混凝土进行充填。
对一般较深的溶洞、溶槽、溶沟，在下部抛填块石，中、上部填碎石，设置反滤层，上部则尽量打凿成倒喇叭形斜面，用C10素混凝土进行充填，其厚度不小于上部宽度的一半，且不小于500mm。
对石芽和坡度较陡的基岩，则截除突出部分，缓和基底应力分布，减少回填量。当基础遇到陡岩时，按每阶水平距离500mm进行坡上放阶处理。
在压缩层范围内只有局部基岩出露，大部分为土层的地基，用褥垫处理，打掉石芽，根据试验所得的变形与压力曲线关系或由计算方法按照地基变形协调原则，在基础和石芽之间做500mm厚粗砂作褥垫层。
对较深大的溶洞，将上部原设计独立基础变更为横向条形基础梁，将柱基抬起用倒梁法计算确定基础梁截面1800×3500。在施工时，作如下构造处理：将跨越的洞口两边修凿成倒喇叭形，在上面浇灌不小于800mm厚的C10混凝土，且使条基底部有较均匀的接触面。
5.4 工程处理效果。
该工程的岩溶问题经过区别对待，灵活处理后，满足工程设计和施工要求。该厂房建成投产后，经过多年正常运行证明，工程处理收到预期效果。
6. 结论
(1) 碳酸钙是可溶性的碳酸盐类岩石经长期电离化学作用而被溶蚀而迁移、积聚，形成溶洞，其规模和速度受地质构造、地形地貌特征、温度、湿度、离子浓度、离子种类、水的流速等多种因素影响和控制。
(2) 岩溶红粘土地基的红粘土具特殊的物质成分和微观集粒结构，其中土洞的形成主要是由于地下水和地表水的渗透溶蚀和机械冲蚀对其结构强度的破坏导致集粒破坏失稳随水流失所致。
(3) 岩溶红粘土地基中的溶洞和土洞在成因上受到地质构造、地形地貌特征和水的影响和控制，普遍存在特殊的共生规律。
(4) 在实际工程中具体处理溶洞和土洞时，要根据工程各方面的技术经济条件，把地基、基础、上部结构及其它各种技术经济条件综合在一起，形成一个特殊的工程技术经济环境系统，探求该系统的综合平衡，从而设计出相对最优的工程防治方案。
参考文献
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［基金项目］贵州省教育厅自然科学基金项目（合同编号:黔教2007023）
［文章编号］1006-7619（2008）08-08-446
［作者简介］周远忠(1970- )，男，硕士，讲师，主要从事土力学、土木工程施工与管理教学和研究。
【关键词】岩溶；红粘土；溶洞；土洞；共生机理
Karst red clay ground limestone cave soil cave paragenesis mechanism and processing method
Zhou Yuan-zhong1, Zhang Dao-you2
(1.Guizhou Normal university Guiyang Guizhou 550014;
2.Guizhou transportation scientific research research institute Guiyang Guizhou 550001)
【Abstract】The mechanism has carried on the microscopic structure mechanical strength analysis to the karst red clay ground's essential feature and the limestone cave and soil cave,has analyzed in the karst red clay ground the red clay microscopic collection grain of structural feature, proposed the limestone cave and the soil cave paragenesis seepage jitter becomes the hole model and the processing method. The research thought: Only the ground, the foundation, the superstructure and each kind of technical economy condition synthesis forms an engineering technology economic environment system, seeks can design the relatively most superior concrete limestone cave and the soil cave project prevention plan from system's technical economy environment overall balance way angle embarking, the union project reality, has analyzed the limestone cave processing method in the project practice concrete application and the effect.
【Key words】Karst; Red cley; Limestone cave; Soil cave; Paragenesis mechanism
1. 引言
岩溶红粘土地基是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，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
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。如果没有断层、裂缝、溶洞等水的运动空间，由于红粘土具有弱渗透性，地表水的渗透作用和地下水的潜蚀作用便不能发挥，土洞也就不能形成，因此，溶洞和土洞的形成必须具备以下条件：（1）具有断层、裂缝、节理等可供地表水和地下水流动的运动空间；（2）可溶性的碳酸盐类岩石；（3）能够对可溶性岩石及其上覆红粘土进行溶蚀、冲蚀、渗透等形式破坏的足够量的水；（4）具有水对可溶性岩石及其上覆红粘土进行溶蚀、冲蚀、渗透等形式破坏所需要的充足的时间。只有具备上述四个方面的物质条件，溶洞和土洞方可形成。
3.2 溶洞和土洞的共生渗透失稳成洞模型
3.2.1 溶洞形成的化学溶蚀机理。碳酸钙是可溶性的碳酸盐类岩石的重要组成部分，由于碳酸钙是弱电解质，因而其在水溶液中的化学反应是一种离子反应：
CO32-+H+←→HCO3-
CaCO3电离产生的CO32-与CO2和H2O作用后产生的H+结合形成新的HCO3-离子，降低了CaCO3电离产生的Ca２++CO32-离子浓度，从而破坏了CaCO3的电离平衡，这样，就进一步导致CaCO3继续电离而使可溶性的碳酸盐类岩石被继续溶解。
CaCO3的溶解度和溶解速度受温度、离子浓度、离子种类、水的流速等多种因素影响和控制，40℃～60℃是岩溶发育的地表最有利温度区间，在降雨多，降雨量变化大且气候炎热，温度变化大的地区，温度从高温向低温转变会提高水对碳酸盐类岩石的溶解度，10℃时的地下水中的CO2含量较高，大大提高水对碳酸盐类岩石的溶解度。在岩石与水的界面处，当Ca2+和CO32-的浓度达到一定程度后，会形成一个密集的离子层或局部饱和层，阻止溶解的继续进行，因此，当岩石与水的界面处的水受到外力作用而发生快速流动时，将会促使溶液的溶质的微粒从高浓度区向低浓度区运动，直到浓度梯度消失为止。由于地下水中成分较为复杂，常有与碳酸盐类岩石的溶解产生的离子相同的离子如Ca2+、Mg2+、CO32- 外，还有可能加入Na+、Cl-、SO42-、H+等离子，特别是酸性H+，如果地下水中含有黄铁矿(FeS2 )和SO42-离子时，岩溶较为发育，溶洞较多。贵州省乌江渡三迭系玉龙山灰岩石中，由于相邻地层乐平组砂页岩中含有黄铁矿，使得深部岩溶较为发育，溶洞成群。
3.2.2 土洞形成的渗透失稳机理。
岩溶红粘土地基的红粘土中的土洞形成与黄土等其它粘性土中土洞的形成有本质区别。由于红粘土具有特殊的成分和微观结构特点，因而存在如图2所示的红粘土中的土洞形成主要有三种与水有关的成洞类型：一种是地表水向下的渗透破坏作用成洞；另一种是地下水的不规则升降和快速流动破坏作用成洞；第三种是上述两种作用的藕合作用成洞。
红粘土虽然具有弱渗透性，水在其中渗透流动的速度较慢，有时甚至根本不透水，但是，因红粘土具有胀缩性，而且是以收缩为主，因而其表面会产生较多张性裂缝，特别是在温差较大和土中含铁质较少胶结较差的红粘土中，裂缝甚为发育，为地表水下渗提供了客观条件。如图2、图3所示，当红粘土下覆基岩中存在溶洞或岩石裂隙时，地表水从上向下渗透，土体中集粒之间的弱结合水的厚度不断加大，当弱结合水的张力超过集粒之间的结构连结强度时，集粒被水的斥力排开，同时在强大的水力冲击和溶蚀作用下，集粒单元体会发生解体，从而使土体微观结构破坏，强度下降，逐渐形成一种水土流体，并继续向下渗透。在土体中裂隙交汇处，特别是由于地质构造或人工因素造成土体中局部较大或较集中的孔隙、裂缝、空洞处，如果裂隙和这些孔隙、空洞交汇在一起，且地表水量较大，渗透时间较长时，水土流体沿裂隙、孔隙、裂缝、空洞加速向下流动。由水动力学条件，
F=γw•JJC=γ*/γw
γ*=(γs-γw)•(1-n)
γ*——土粒的浮重度（KN/m3）；
γs——土粒的干重度（KN/m3）；
γw——水的重度（KN/m3）；
n——土的孔隙率；
J——水力梯度；
Jc——临界水力梯度 ；
F——在渗流的水头差作用下渗流产生的渗透力（KN）。
当J≥Jc时，在这些裂隙、孔隙、裂缝、空洞处的土粒在水的渗透力作用下随水流失，范围不断扩大，进而形成土洞。
如果下覆基岩中的溶洞穿顶，为上覆红粘土创造了一个自然的地下临空面，当因地表骤降暴雨或人工大面积抽水而使地下水产生强烈的不规则升降和快速流动时，岩土界面处的水因不能向下渗透而积聚，只能沿界面向低处流动，界面上的摩擦力急剧减小。在溶洞穿顶处，土粒在水的不规则升降和快速流动冲击作用下结构强度降低，甚至结构被完全破坏，进而失稳掉落，随水流失，如此不断向上扩展，逐渐形成土洞，甚至发展成地面塌陷。
3.2.3 溶洞和土洞形成的共生渗透失稳成洞模型。
实践表明，岩溶红粘土地基中溶洞和土洞的形成在空间分布上具有共生性，溶洞的形成为土洞的形成创造条件，而土洞的形成又促进溶洞的进一步发育，其中，溶洞的形成为土洞的形成创造条件是主要方面。一般情况下，如果上有土洞，则其下多有溶洞。在溶洞和土洞形成过程中，水从地表或地下的渗透冲击、溶蚀、润滑等作用促使土体结构破坏，强度降低，最终失稳坠落流失，导致溶洞和土洞形成并加速发育。这是一个特殊的岩、土、水相相互作用系统在地质构造、岩土的成分结构、温度、湿度等多种内外因素共同作用下的动态运动过程。
4. 溶洞和土洞的工程处理方法
4.1 溶洞和土洞相对最优处理方案的确定思路。
经工程实践表明，溶洞和土洞的工程处理虽然有一定规律性，但不能不讲条件，照搬照套，需要结合工程实际形成特殊的思维方式，对以下几个方面进行全面深入的调查研究：（1）在对工程的上部结构形式、荷载大小与分布特点；（2）地基岩土的成分、结构、构造和基础形式；（3）地下水的赋存形式及水位变化特点：（4）工程设计和施工技术水平；（5）新材料、新结构、新设备、新工艺。在此基础上，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，探求该系统技术经济环境综合平衡途径，从而设计出相对最优的具体的溶洞和土洞工程防治方案。
溶洞和土洞具体的处理原则是工程技术经济环境系统相对最优，也就是技术上要先进而可行，经济上要合理而可承受，环境方面要无污染且可持续。具体方法可概括为：（1）清爆挖填；（2）结构跨越；（3）洞底支撑；（4）调整结构；（5）疏堵结合；（6）设置滤层。
4.2 岩溶和红粘土地基溶洞和土洞的处理方法。根据溶洞的位置、数量、形状、大小、埋深、充填情况、岩石风化程度、围岩稳定性、水文地质条件、基础形式、上部结构类型及荷载大小与分布、施工技术、人工、材料、机械等生产要素的获取方式及成本等多方面的信息确定方案，灵活处理。
对洞口小，体积不大，埋深浅，围岩风化程度低，稳定性好的溶洞，可用碎石、粘土或毛石混凝土等材料进行嵌塞或跨盖处理。
对洞口大，体积不大，但埋深不大，充填好，围岩风化程度低，稳定性好的溶洞，可用梁板结构进行跨越处理。
对洞口大，体积大，埋深大，充填不好，围岩风化程度高，稳定性差的溶洞，可用优先考虑调整上部结构的柱距避开，如上部结构不能调整，则需要查明洞底的稳定性，综合采用清、爆、挖、填等措施将溶洞上部松散岩石和土层清除，视上部结构荷载大小和洞底的稳定性情况采用柱子进行洞底支撑或用梁板结构进行跨越处理，并作好地表防水处理措施。
对水位及水量变化较大可能影响基础或淹没场地的溶洞需要设置反滤层，下部疏导，上部封堵并结合梁板结构跨越进行综合处理。
对浅层土洞，可采用开挖回填方法，挖除软土、用石块、混凝土、粘土、碎石土等材料填充处理。
对埋深和体量较大，并较可能形成地面塌陷的土洞，宜挖开在下部从下到上采用石块、碎石英、砂石、粘土等材料设置反滤层，上部封堵并结合梁板结构跨越处理，特别要注意洞旁土体的稳定性并做好地表排水处理，防止地表水向下渗透造成二次成洞塌陷。
对埋深大但体量小的土洞，可直接用桩基础或沉井等方式处理。
5. 溶洞和土洞综合处理的工程实例
5.1 工程概况。
贵州清镇电厂三期扩建工程，规模为2×200MW汽轮发电机组，厂址无法避开岩溶地区，厂房为钢筋混凝土框架、排架结构，辅助、附属建筑多为砖混结构。主厂房基础设计为独立基础，埋深-5.5m，持力层为较完整的白云岩和石灰岩，基岩中厚层，强度较高，抗压强度在3000KPa以上，上覆红粘土、碎石等厚度1.0～5.0m。
5.2 工程的岩溶工程地质问题。
工程地质勘察时布置82个钻孔，根据钻孔资料统计，岩溶钻孔可见率19.5%，直线岩溶率1.4%，溶洞数量多，大小分布不均匀，规模大。主厂房C轴线区段，岩溶钻孔可见率73%，直线岩溶率7.9%，C轴线8＃～12＃轴线，有长达40m，宽度5.45m～9.80m，最大洞体高度4.35m，洞内充满淤泥质粘土，另有大小不等的多层水平溶洞，洞间顶板厚度大致在1.30m～2.50m之间，溶洞均地柱基基础底面标高以下，对主厂房基础稳定性影响很大。开挖时发现大小不等的溶槽、溶沟和起伏不平的石芽，在槽、沟和岩面上分布可塑状态粘土和软塑状态粘土，极可能发生地面变形、地基局部塌陷，严重影响建筑物的安全和正常使用。
5.3 溶洞和土洞综合处理方法。
经过对溶洞各项特征的调查研究和统计分析，结合工程实际，按照技术上满足要求，经济上合理，施工方便，具体分析，灵活处理的原则确定如下处理方案：
对一般较浅的溶洞、溶槽、溶沟，较浅的尽量挖除洞、槽、沟内的填土，直接用C10素混凝土进行充填。
对一般较深的溶洞、溶槽、溶沟，在下部抛填块石，中、上部填碎石，设置反滤层，上部则尽量打凿成倒喇叭形斜面，用C10素混凝土进行充填，其厚度不小于上部宽度的一半，且不小于500mm。
对石芽和坡度较陡的基岩，则截除突出部分，缓和基底应力分布，减少回填量。当基础遇到陡岩时，按每阶水平距离500mm进行坡上放阶处理。
在压缩层范围内只有局部基岩出露，大部分为土层的地基，用褥垫处理，打掉石芽，根据试验所得的变形与压力曲线关系或由计算方法按照地基变形协调原则，在基础和石芽之间做500mm厚粗砂作褥垫层。
对较深大的溶洞，将上部原设计独立基础变更为横向条形基础梁，将柱基抬起用倒梁法计算确定基础梁截面1800×3500。在施工时，作如下构造处理：将跨越的洞口两边修凿成倒喇叭形，在上面浇灌不小于800mm厚的C10混凝土，且使条基底部有较均匀的接触面。
5.4 工程处理效果。
该工程的岩溶问题经过区别对待，灵活处理后，满足工程设计和施工要求。该厂房建成投产后，经过多年正常运行证明，工程处理收到预期效果。
6. 结论
(1) 碳酸钙是可溶性的碳酸盐类岩石经长期电离化学作用而被溶蚀而迁移、积聚，形成溶洞，其规模和速度受地质构造、地形地貌特征、温度、湿度、离子浓度、离子种类、水的流速等多种因素影响和控制。
(2) 岩溶红粘土地基的红粘土具特殊的物质成分和微观集粒结构，其中土洞的形成主要是由于地下水和地表水的渗透溶蚀和机械冲蚀对其结构强度的破坏导致集粒破坏失稳随水流失所致。
(3) 岩溶红粘土地基中的溶洞和土洞在成因上受到地质构造、地形地貌特征和水的影响和控制，普遍存在特殊的共生规律。
(4) 在实际工程中具体处理溶洞和土洞时，要根据工程各方面的技术经济条件，把地基、基础、上部结构及其它各种技术经济条件综合在一起，形成一个特殊的工程技术经济环境系统，探求该系统的综合平衡，从而设计出相对最优的工程防治方案。
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［基金项目］贵州省教育厅自然科学基金项目（合同编号:黔教2007023）
［文章编号］1006-7619（2008）08-08-446
［作者简介］周远忠(1970- )，男，硕士，讲师，主要从事土力学、土木工程施工与管理教学和研究。