中地數媒 2020-01-14

指塌陷的地質條件由相對單一的阻水蓋層及岩溶基岩組成時的蓋層型別［圖2-1（1）］，這種型別在自然界中最為普遍。根據地下水位的不同，可以有以下兩種情況。

2。2。1。1 地下水位處於蓋層中的地質概化模型

指地下水位位於單一阻水蓋層時的結構型別［圖2-1（1）中a的位置］。當水位處於蓋層中時，蓋層中常有一定的承壓水頭。由於為阻水蓋層，蓋層中除毛細水外，一般無滲流現象。但是在蓋層與水直接接觸的地方，粘土處於被軟化的狀態（任美鄂，1983）。由於水的潛蝕作用，不斷使蓋層的土體遭受剝蝕和搬運，在人為抽水加速地下水迴圈的情況下，最終將在岩溶空洞與蓋層的接觸處形成土洞。土洞的物質被搬運到岩溶空洞中沉積下來，形成充填或半充填的岩溶空隙，或被岩溶水帶到下游。在自然狀態下水位降到蓋層以下的過程是緩慢的，地下空隙中的氣體有足夠的時間透過細小的孔隙向外釋放，因而很少形成真空。但由於毛細水的張力作用可使土洞表層土層遭到一定的破壞，從而使土洞得以擴大。毛細水在水面以上任一高度z時，產生的毛細水張力為u

c

=-γ

w

z，在這以下可認為是可能的軟化區。在粘土中，大致為2m（陳仲頤等，1994）。有的研究者提到的久旱暴雨後引起的塌陷及乾土受水剝落，有可能與毛細水的張力有關。對於土洞形成以後，水位急劇下降所產生的真空吸蝕力的大小估算，是一個複雜的問題，取決於水位下降的幅度及岩溶空腔的特徵。

圖2-1 岩溶塌陷地質概化模型

（1）單一阻水型；（2）單一透水型；（3）無蓋層型；（4）阻-透型；（5）透-阻型；（6）透-阻-透型；（7）阻-透-阻型

應該指出，在所有的水位下降致塌中，基本上都有失託增荷的問題。所以在以下的分析中不再過多分析失託增荷的過程。

2。2。1。2 地下水位在蓋層以下時的地質概化模型

指單一阻水模型中，地下水位位於蓋層以下時的型別［圖2-1（1）中b的位置］。當地下水位位於蓋層以下時，蓋層的土體沒有與水接觸，潛流過程不會發生。如果遇到水位急降，此時產生的塌陷主要是由於水位急劇下降產生的氣壓差而引起的，土洞中壓力與體積的關係，可透過波-馬定律表達ρ

1

V

1

=ρ

2

V

2

（在考慮溫度不變時）來描述。當地下水位相對穩定時，由於土層中節理的存在，可使地表水下滲進入土層，在地下土層中形成土洞，從而造成塌陷，貴州工學院7號樓地下發育的土洞造成的塌陷就是一例。這種情況下，地下空洞成為物質運移的良好通道。

此時土層的受力狀態較簡單，若地下水位保持不變，主要為土重w，加上土洞上的荷載q，兩者之和與土體抗剪力τ的平衡，其表示式：

w·r

2

+π·r

2

·h·γ

t

=（σ

n

tanφ+C）·π·r·h （2-1）

式中：σ

n

——正應力；r——土洞半徑；h——土洞上土層厚度；γ

t

——土容重；C——內聚力；σ

n

tanφ——側向壓力。將等式兩邊相比可得土洞上覆土層的穩定係數為：

K=（σ

n

tanφ+C）/r·（q+γ

t

） （2-2）

當K小於1時，土層將失穩而塌陷；K大於1時表示穩定。若再考慮水位急降，則上式分母可加上（p-p

0

）（p為大氣壓強，p

0

為土洞中的壓強）。

對於此類模型，B。A。普里克隆基認為：每種粘土都有一個能夠用來判別其抗水性的“臨界”含水率，如果含水率低於臨界值，土是可崩解的，具有較高含水率的土，實際上是不易崩解的。事實上，對於可塑-軟塑-流塑狀態的粘土，含水量與崩解速率成正比有時是由於滲透力作用引起的誤解。土層突然受水時，因為狀態急劇發生變化而膨脹不均，利於崩解。含水量大於20%的粘土，實際上是不易崩解的（王柳寧，2000）。因此，對於單一阻水蓋層而言，其致塌機制可總結為：當岩溶水位在蓋層中時，為“軟化-失託增荷-真空吸蝕”型致塌；當水位在蓋層以下時，為“波動—滲流水軟化—氣壓差剝離”型致塌。

特殊地，對於岩溶陷落柱，其陷落直徑可達500m以上，深可數百米，其上多為軟巖、煤層（蘇昶元等，1997；高畫質武等，1997）。對於如此大的陷落，非土洞所能解釋。在陷落柱形成以前，由於上覆煤層中含大量的硫，在地下水透過其中後，形成具有很強溶蝕力的含硫酸水溶液，使其下形成大規模的岩溶地下空洞，當上覆軟弱層的重量大於其向上的支承力時，在地史時期發生巨型的塌陷。岩溶陷落柱應屬於此類概化模型的特殊例子，其機制為重力剪斷致塌。