2、地下水对可溶岩作用形成各种岩溶现象；
3、构造对岩溶发育往往起控制作用；
4、可溶岩上覆松散土体，盖层厚度3-20m易产生土洞；
5、地下水位有升降变化；
6、地形地貌特征是低洼区岩溶更发育。
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Pc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′=γsat-1)；
Δh为水位下降值(水头差)；γsat土体的饱和重度。
故Δp=[1-(γsat-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·γw
式中：J为水力梯度；γw为水的重度。
地下水侧向渗流具有的动能Ef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Ef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Jkp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Jkp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。
对于土洞位于地下水面以上时，土洞在各种概化模型下的致塌机制已在前面分析过。这类实例除贵州工学院6407号楼地下发育的土洞造成的塌陷外，还有几处类似的塌陷。王柳宁（2000）曾通过实验研究得出，含水率小于20%的粘土，崩解速率远大于含水率超过20%的粘土。这些都说明这类土洞的形成及扩展与地表水下渗的关系密切。本章要研究的塌陷不是通常所说的抽水或振动引发的塌陷，而是土洞在没有人为抽水情况下发生的塌陷。
地下水面以上的土洞塌陷中，水对其作用主要表现在两个方面。一方面是地表水的下渗对土层力学性质的软化。由于地表水的下渗，可使硬塑粘土的内聚力及内摩擦角降低，从而使其向可塑甚至流塑状态过渡，土洞因此而扩大致塌。另一方面的作用表现在地下水面的微小波动在土洞中造成的压力波动。由于水动效应，这种波动可使土洞内的土层来回受力，从而造成土洞向临空面剥落而扩大，最后致塌。对于前者，陈国亮（1994）曾描述过此类现象，如广西和池某厂，一场大雨后，在刚推平的亚沙土地基上突然产生7个塌陷。
对于此类土洞塌陷，较典型的要算是静荷载及人为开挖下的致塌。这些土洞的特点表现为隐蔽性及分布的难以预测性。塌陷通常在建筑物下端，在重力的作用下致塌。贵州工学院内的土洞塌陷，即为地表水下渗软化土层，使其强度降低，在静荷载的作用下致塌（后面将详细论述）。水对粘土的散解作用在此类塌陷中起着重要的作用，这种作用在砂粘土及粉质粘土中要比在粘性土中表现明显。
对这类塌陷的研究关键，是土层的土性特征及水面的波动与土洞内压力变化的关系，这需要通过试验来解决。包括模型试验及野外试验，陈国亮、雷明堂等在此方面做过专门的研究。对于大多数的岩溶塌陷而言，除这两种试验方法外还可以用数值试验的方法对塌陷理论进行验证，特别是三维数值模拟的方法。受软件功能的开发及推广等因素的影响，这方面的发展较慢。
数值模拟是在将研究体离散化后，对所有的离散点用相应的数学模型进行数值求解。当离散点无限多时，如果给离散点所赋予的材料及特性与实际情况相同，其结果与实际情况相符。通过改变各点的材料特性就可以实现对不同条件的模拟，从而可对问题进行研究。因此，通过数值试验的方法对塌陷进行研究应是一种可行且有前景的方法。
本章运用数值模拟的方法，对作为岩溶塌陷的典型塌陷机理模型之一的塌陷，即地表水下渗致塌进行了研究。
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