水位下降速率对岩溶土洞塌陷的影响分析

水位升降引起的水气压力变化会导致岩溶土洞塌陷。通过开展物理模型试验与FLAC3D数值模拟相结合的方式,模拟相同供水速率不同排水速率下的水位升降波动对岩溶土洞的致塌过程,分析了水位升降波动过程中不同排水速率对既有土洞内水气压力的变化、覆盖层土压、变形的影响,建立了排水速率,覆盖层变形、塌陷与水气压力的关系,提出了水位波动对土洞塌陷的作用规律。结果表明:(1)排水速率对水气压力变化的影响规律基本一致但变化程度不同。水气压力的变化程度、响应时间与排水速率呈正相关。(2)覆盖层变形量、土压的变化与水气压力变化呈正相关,但影响程度不同,排水速率只是加快了其变化程度。(3)土洞变形、塌陷程度是综合因素所致。排水速率、水位波动次数对既有土洞中水气压力变化、以及土体变形效应均具有不同程度的影响。(4)数值模拟结果与试验室模型试验所得结论基本吻合。这些规律为进一步研究水动力因素对岩溶塌陷的作用规律提供了重要的理论支撑,为合理防治、预测岩溶塌陷提供了依据。

覆盖型岩溶土洞形成的临界水流速度数值模拟研究

覆盖型岩溶塌陷灾害具有隐蔽性、突发性、不确定性、机理复杂性等特点,致使其预防、治理工作十分困难。覆盖型岩溶塌陷过程中,覆盖层土体形成土洞,土洞发育、扩展直至地表塌陷。现阶段土洞塌陷研究方法多为有限单元法等数值模拟,但有限单元法无法解决颗粒迁移、土体崩落等岩体大变形问题。在浙江省江山市岩溶塌陷地质条件分析的基础上,利用颗粒流数值模拟方法(PFC)对覆盖型岩溶土洞的形成过程进行了模拟,从微观角度揭示土洞形成过程中特殊土体颗粒的位移、裂纹的发展趋势和系统不平衡力的变化情况等,再现外力作用下岩溶土洞形成的多场变化特征。结果表明:(1)岩溶土洞发育过程可概化为裂纹产生、连通面形成、颗粒剥落3个阶段;(2)岩溶土洞开始发育时,土体颗粒位移曲线、裂纹的贯通程度、不平衡力三者之间具有良好的一致性,且垂直方向扩展速度大于水平速度;(3)覆盖层土体为黏土时初始土洞形成的临界水流速度为0.104 cm/s。研究结果可为岩溶塌陷治理提供参考数据。

循环荷载作用下岩溶区下伏土洞动力响应分析

为探究岩溶区土体在循环动荷载作用下的响应规律,采用FLAC 3D软件建立土洞模型并通过fish语言施加循环荷载,研究土层厚度、振幅、频率及相对位置对地表沉降位移的影响,并通过相似原理进行相似模型试验验证,对比分析数值模型与相似模型的误差。结果表明:动荷载作用下,地表沉降位移随土层厚度增大呈增大趋势;振幅由荷载施加中心向外递减;频率为4 Hz时土体出现共振效应,土洞易塌陷;土洞与动荷载相对位置改变时,最大沉降位移点偏移。

均质等厚土层条件下土洞拓展极限研究

土洞是指可溶岩发育区域上覆土层中的空洞,一定土层埋藏条件下,土洞发育到一定高度时处于极限平衡状态,此时土洞发育到最大,若持续拓展则形成塌陷。极限土洞发育到塌陷是量变到质变的过程,利用土体抗剪强度理论探讨均质土层条件下土洞拓展最大高度。

覆盖型岩溶土洞对地下水升降作用的响应及其塌陷演化过程研究

福建省岩溶塌陷地质灾害发育,其发育程度仅次于滑坡、崩塌地质灾害。为研究岩溶塌陷的演化过程,本文以福建省典型覆盖型岩溶塌陷为研究对象,现场采取了覆盖层土样,在自制的物理模型箱中布设光纤光栅应变传感器、孔隙水压力计、沉降计等监测仪器获取不同条件下覆盖层土体的应力-应变信息,分析了覆盖层土体的响应情况,研究了典型覆盖层岩溶塌陷的发展演化过程。研究结果表明:(1)第四系覆盖层孔隙水位升降作用下,土层的孔隙水压力值基本呈等幅变化,底层土体变形最弱,顶层土体变形最大,两者的应变差值最大可达5倍。水位升降对土洞周围土体的破坏较小,土洞尚未形成。(2)岩溶水水位反复升降的过程中,孔隙水压力的增减与渗流水位变化同步;同一水平面上越靠近溶洞的土体产生的应变越大,且土层越高,应变差值越大,顶层土体应变差值达2000με。土洞顶板变形在水动力作用与真空吸蚀作用下不断向上发展,当变形发展超过临界土洞高度40 cm时,形成地面塌陷。(3)典型覆盖型岩溶塌陷演化过程可划分为土洞发育-覆盖层内部塌陷-地表塌陷3个不同阶段。(4)闽西南岩溶土洞塌陷大多发生于山间盆地河谷两侧地下水强径流排泄区,覆盖层厚度较大,多为第四系冲洪积的砂砾、含砾石黏性土、粉质黏土层等,其成灾机理具其地域特征。

基于FBG-3D打印的土工格栅加筋下伏土洞路基模型试验

光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感技术具有高灵敏度、抗电磁干扰和实时监测等优点,在土木工程领域越来越受到关注,但传统的外部封装方式难以实现传感器与被测物体的完全协调变形,易导致测量误差.基于3D打印技术研发了一种自感知土工格栅,实现了光纤光栅传感器与被测土工格栅的完全协调变形,利用FBG传感技术直接实现对格栅应变的实时、准确测量.并且,将该自感知土工格栅应用于下伏土洞路基的模型试验中,研究在不同加筋层数和加筋间距下路基的极限承载力、顶端沉降及筋材的变形特性.试验结果表明,通过加筋可以大幅提高下伏土洞路基的极限承载力,并可有效减少路基破坏时的沉降;加筋层数的增加和加筋间距的减小均可以提高下伏土洞路基承载力;在垂直方向上,格栅的应变随着格栅的埋深增大而减小;在水平方向上,格栅的应变随着与加载中心之间的距离增大而向两侧递减;顶层格栅的应变随着加筋层数的增加而减小,随着加筋间距的减小而增大.试验结果验证了自感知土工格栅在下伏土洞加筋路基监测中应用的可行性.

杆塔基础邻侧土洞发育诱发应力场及其对基础稳定性的影响

高压输电杆塔在施工过程中一般会对杆塔基础底部土层进行处理,却往往容易忽略杆塔基础底部邻侧潜在土洞发育造成的威胁。鉴于此,建立最不利因素下的简化理论计算模型,推导了岩溶土洞发育对邻侧输电杆塔基础底部产生的诱发应力,继而通过参数分析讨论了土洞位置以及土洞的发育特征对杆塔底部地基诱发应力场的影响规律。在此基础上,结合鄂西某工程实例,采用FLAC3D有限元软件分析了杆塔地基邻侧下卧土洞在不断发育扩大的过程中对500kV输电杆塔稳定性的影响。在计算分析时通过监测地基周围土的应力状态和变形情况,得到了距离杆塔底部侧向不同位置处对应的土洞发育半径的最大允许值。研究成果可为岩溶地质区域输电杆塔安全运营和灾害评估提供参考。

岩溶区诱发性土洞塌陷的水膜效应作用机理研究

岩溶区土洞塌陷是典型的诱发性地质灾害,其致灾过程具有强隐蔽性、难预测性、过程复杂性、群发性的特点。为研究其致塌作用过程与机理,以重庆典型岩溶区的诱发性土洞塌陷为研究对象,自制试验装置,现场采集盖层土样,开展地下工程诱发土洞塌陷物理模拟试验,采集了负压与盖层土体微应变信息,揭示了水膜效应在土洞塌陷过程中的作用机理。结果表明:在水位下降与降雨条件下,覆盖层土体在土洞正上方变形最大,并向边缘逐渐减小,且土体变形与土洞空腔内的负压值正相关,与厚度负相关。水膜效应是由水-土-气耦合作用导致,其加剧了土洞塌陷的风险,是岩溶区土洞成群成片致塌的内因,为该地区土洞塌陷的监测预警和治理对策提供了理论支撑。

贵阳市区土洞崩解致塌发育临界条件研究

贵阳是我国典型的土洞塌陷灾害较严重的城市。为了更好地防控贵阳土洞塌陷,本文重点探讨崩解致塌的临界条件。选取9个具有代表性的不同塌陷点,进行塌陷体原状土崩解试验。试验结果表明:乌当定扒土洞崩解致塌的临界含水量为54.91%、麦架镇为17.76%、木瓜山为45.2%、蔡家关为52.71%、甲秀南路北为20.6%、贵阳火车站玉厂路为27.29%、贵州省农科院农田区为38.87%、贵州省农科院道路旁为35.84%、甲秀南路竹林村为25.27%。

考虑空间形状的覆盖型岩溶土洞降水致陷分析

为揭示覆盖型岩溶土洞降水致陷机理、洞体形状尺寸影响及极限平衡状态下内在规律,以常见直筒塌陷椭球土洞为研究对象,构建其降水致陷力学模型,依据玻义耳-马略特定律推导了土洞空腔负压计算公式,以此获得土洞塌落稳定系数表达式,并对比验证计算公式的可行性;进一步获得了极限平衡状态下土体物理力学参数、降水参数、土洞空间形状尺寸及覆土厚度之间内在关系式;基于算例开展了地下水降水参数与土洞形状尺寸参数影响、极限平衡状态下内在规律分析.研究结果表明:初始水位高于洞顶时,土洞塌落稳定系数与地下水降深展现“Z”字形规律变化,下降稳定水位降越拱顶瞬间极易引发土洞塌陷;初始水位处于洞体时,两者呈现前陡后缓的负相关变化规律,且洞内初始水位越高,降幅越大;初始水位低于洞底时,降深影响很小.椭球长短半轴之比对稳定系数影响符合增函数变化规律,截面离心率越大越稳定,而圆形球体则最不利;矢高和稳定系数呈线性关系,矢高增加成拱效应显著,土洞越稳定.极限平衡状态下,初始水位一定时,降深与覆盖层厚度正相关,呈现前缓后陡变化趋势,而覆盖层厚度一定时,降深与初始水位负相关;土洞水平截面离心率越大或矢高越大,达到极限平衡状态所需地下水降深则越大,表现为前缓后陡变化规律.

岩溶地区地基基础土洞治理技术——以龙岩市龙雁大道一期安置房A标段工程为例

岩溶地区地质复杂,常暗伏土洞。本文以龙岩市雁石镇一建筑工程项目为例,在地基验槽时发现表层有土洞,验槽各方建议对地基基础土洞进行处理,通过采用充填注浆土洞处理技术,有效消除地基基础安全隐患和危害,为类似工程地质条件下的土洞处理提供参考。

土洞形成的机理及起始条件

分析了土洞的形成机理及影响土洞发育的因素,认为超静孔隙水压力或真空吸力使土的结构体(块体)产生剥落,而动水压力则使土的细颗粒产生迁移,两者共同作用,使土洞不断扩大。并推导出土洞形成的起始条件:临界水位降幅、临界地下水流速以及临界抽水涌水量的表达式。

岩溶(土洞)塌陷TDR监测试验研究

结合土洞的分布和形成演化的特点,采用具有分布式特点的同轴电缆时域反射(TDR)技术开展岩溶土洞监测研究。通过室内同轴电缆的抗拉、胶结同轴电缆的抗折等试验,以及在建高速公路上铺设方法的对比,得到以下结论:TDR用于野外岩溶土洞发育区的监测是可行的,但要求同轴电缆的拉断荷载低于200N,水泥砂浆的配比在1∶3～1∶4之间,且梁式胶结同轴电缆铺设方法较好。

含土洞、溶洞的机场滑行道路基稳定性评估

某新建机场滑行道路基中存在土洞和溶洞,且路基上部土层承载力低。为了评估该滑行道路基稳定性,采用地层结构模型,按弹塑性有限元理论分析未加固和加固路基在飞机重力荷载作用下的力学响应,计算结果显示:(1) 在飞机动载作用下,未加固路基表层土和上部土洞、溶洞产生较大的塑性变形,洞周岩土体出现塑性屈服,整个路基处于不稳定状态;(2) 对路基表层土进行注浆加固,或同时对路基表层土、土洞、溶洞注浆加固,路基面和土洞、溶洞周边位移减少,路基中产生的塑性屈服区也大大减小,但路基表层土中仍存在塑性屈服区,路基面竖向变形仍较大,建议对滑行道路基采用其他加固措施。

岩溶区土洞地基稳定性分析

地下水产生的潜蚀作用和崩解作用,对地基中土洞发育乃至破坏失稳有重要的影响。根据弹性理论及相关分析,可以获得地基中土洞周边土体的应力状态,再利用莫尔-库仑屈服准则,对其进行安全稳定性判别。结合工程实例计算,发现地下水位变化将导致土洞周边土体应力状态发生明显改变,并有可能导致土洞地基破坏失稳。

岩溶区土洞发育机制的分析

岩溶区地下水或地表水的活动 ,将对土层产生潜蚀作用及崩解作用 ,进而形成土洞。真空吸蚀作用 ,有利于土洞的发育扩大。地下水位的变化 ,将使土洞周围土体的应力状态发生改变 ,并有可能导致土洞周围土体产生塑性破坏 。

地表塌陷中隐伏土洞的形成与扩展机理研究

地表塌陷已成为危害城市安全和矿区生产的重要地质灾害之一,其产生一般经历了土洞的形成、土洞的扩展和顶板岩土层失稳3个过程。分析了土洞形成的机理及其力学机制,研究了土洞扩展的条件,分析了地下水在地表塌陷形成过程中的作用,从力学的角度揭示了地表塌陷的本质。研究结果表明,地下水的活动在土洞的形成到地表塌陷产生的全过程中起着关键性的作用。

岩溶土洞演化及其数值模拟分析

土洞是覆盖型岩溶区一种隐伏的不良地质现象。土洞在水的作用下发育演化最终形成塌陷,可通过地下水位的变化来研究土洞发育和塌陷的形成。同时土洞的演化会造成覆盖土体不均匀位移和应力重分布,可通过覆盖土体位移和应力变化来进行研究土洞演化过程。采用FLAC3D三维有限差分程序,分析覆盖层垂向位移场表明:最大垂向位移出现在土洞顶部,使拱顶出现拉张破坏,并可根据洞顶土层位移的数值模拟结果,划分"等沉面"确定土洞扰动的土层深度。分析覆盖层剪切应力场表明:在土洞拱趾部位出现剪应力集中,会造成拱趾的剪切破坏,并可根据洞顶"剪应力低值区",判断覆盖层中土拱效应的存在。分析覆盖层塑性区表明:较为坚硬的黏土层中,土洞以拱顶塌落和拉张破坏为主,最终可以形成坑壁较为陡直的桶状或坛状塌坑。土层较为松散时,以拱趾的剪切破坏为主,最终可以形成锥碟形塌陷坑。利用"剪应力低值区","等沉面"和"塑性区"可综合判断土洞的稳定性以及覆盖层所能形成的极限土洞大小。岩溶土洞演化规律及数值模拟研究对岩溶塌陷(土洞)早期监测和评价有着重要的理论及工程意义。

人工抽水引起土洞扩展条件的分析

土洞的形成与扩展是产生覆盖型岩溶地面塌陷的前提条件之一。为研究人工抽水引起的岩溶地面塌陷的机理,用解析法分析了土洞扩展的条件,提出了剥落力的概念,认为土洞的扩展条件是剥落力大于土体抗拉强度。土洞周边不同的点,受抽水引起的剥落力是不同的。随着土洞的不断扩大,剥落力增大。当土洞一旦开始向外围扩展,由于剥落力越来越大,土洞呈现发展趋势。

单层土体结构岩溶土洞的形成机理

岩溶土洞是岩溶区工程路基施工中的主要地质灾害。本文首先对广西桂林阳朔高速公路雁山段、西气东输二线工程广西贵港段两个典型工程路基单层土体结构的岩溶土洞进行详细剖析,然后通过室内模型试验、崩解试验的验证,研究岩溶土洞的形成机理。结果表明:单层土体结构的岩溶土洞发育是先从基岩面逐渐往地面发展,在发展过程中,对于较厚的土层,岩溶土洞的发育与扩展分为3个阶段:(1)基岩面附近的土洞形成与地下水位的承压状态和地下水位初始下降速度密切相关,土洞的形态主要以缝(洞)的形式出现,规模较小,多形成于土体中的裂隙面或非均质部位;(2)在地下水包气带(季节变动带)土洞的扩展以崩解为主,规模较大;(3)近地表(垂直渗入带)土洞扩展机制以上部降雨入渗、洞顶剥落为主,崩塌块体较大。