基于物理模型试验的岩溶塌陷定量研究

岩溶塌陷研究成果主要集中于岩溶塌陷原因与影响因素等方面的定性研究,缺乏对岩溶塌陷机理的定量研究,导致目前对岩溶塌陷机理仍未形成统一的、系统的认识。因此,有必要利用物理模型试验,采用恒压取样与剖面压力监测技术,定量研究砂土覆盖岩溶口的岩溶塌陷全过程以验证"渗流液化论"塌陷机理,并研究黏土层对岩溶塌陷的阻隔作用。结果表明:(1)对粉砂-基岩结构地层,在岩溶管道水位持续下降过程中,发生了3次岩溶塌陷,其临界渗透破坏比降分别为0.525,2.500,3.400,单次岩溶塌陷最大塌陷速率逐渐降低,但其持续时间和塌陷程度增加,且初始岩溶塌陷过程明显比第2次和第3次岩溶塌陷过程复杂;(2)砂土覆盖岩溶管道的塌陷机理为"渗流液化论";(3)地下水位波动加剧岩溶塌陷的形成;(4)黏土层的存在将岩溶塌陷的临界渗透比降由0.525增加至48.300,说明黏土层能显著提高岩溶覆盖层的安全性,可有效抑制岩溶塌陷发生。该研究成果弥补了目前在定量研究岩溶塌陷机理方面的不足,为岩溶塌陷防治提供理论支撑。

汉江特大桥覆盖型岩溶地质特征及处理措施研究

本文以郑万高速铁路汉江特大桥为研究对象,通过对覆盖型岩溶覆盖层物质成分、结构、岩溶发育规律进行研究,并结合工程实际,对工程范围内岩溶地面塌陷进行评价、预测,提出了在勘察设计过程中应进行规避和减少岩溶对结构工程的影响;针对汉江特大桥下伏岩溶发育特征,制定了岩溶处理措施;总结了防止施工引起的岩溶地面塌陷的方法该措施方法有效可行,可供类似工程借鉴和参考。

岩溶地面塌陷三机理理论及其应用

为了给岩溶地面塌陷预测、监测、防治和应急措施提供理论依据,全面总结了岩溶地面塌陷的发育规律,认为岩溶、土体和诱发因素是岩溶地面塌陷的三要素。岩溶为土体丧失提供通道和储藏空间。土的工程地质性质决定了土体塌陷方式:"黏土块"坍塌、砂颗粒漏失、软弱土流失;土体塌陷方式决定了土体塌陷机理;据土体塌陷方式提出了由"土洞型塌陷""沙漏型塌陷"和"泥流型塌陷"构成的岩溶地面塌陷三机理理论:黏性土和密实砂性土层中,在外力作用下,土洞顶板拱效应失效而产生的地面塌陷现象称为土洞型塌陷;由于诱发因素的触发导致可溶岩上方松散砂层中砂颗粒漏失而产生的地面塌陷现象称为沙漏型塌陷;可溶岩上方软弱土体在外力作用下向可溶岩中流失而产生的地面塌陷现象称为泥流型塌陷。三机理理论关注土体塌陷方式,既解释了岩溶地面塌陷现象,更回答了土体"如何塌"的问题。诱发因素是塌陷的外部影响因素,不是塌陷机理的构成要素;诱发因素产生作用力;作用力改变土颗粒运动状态,使土颗粒由"静止→运动",土体由"稳定→塌陷"。依据三机理理论,提出了岩溶地面塌陷综合地质预测方法,建立了基于三个塌陷机理的土体塌陷确定性预测模型,系统总结了岩溶地面塌陷监测、防治和应急措施方法,形成了从理论到实践的、完整的岩溶地面塌陷思想体系。

武汉地区沙漏型岩溶塌陷数值分析与模型试验研究

隧道穿越沙漏型岩溶地质时,岩溶处理范围直接影响工程安全和投资。为量化计算岩溶处理范围进行岩溶塌陷角的分析和研究,首先,采用模型试验模拟岩溶塌陷过程,验证饱和砂性土渗流液化塌陷机制,定量研究砂层漏失量和塌陷角大小,测算出塌陷角为35.8°;然后,通过5种工况下的岩溶塌陷过程模拟分析隧道变形形态,结合隧道变形控制标准确定隧道与溶洞的最小安全距离,反算出塌陷角为33.9°;最后,对比分析模型试验和数值计算得到的岩溶塌陷角大小,得出沙漏型岩溶塌陷角与砂土内摩擦角近似的结论,塌陷角取值可在内摩擦角的基础上加1~3°。将研究结果应用在武汉地铁6号线沙漏型岩溶治理中,取塌陷角为35°计算岩溶处理范围,按此方案实施后盾构顺利穿越岩溶区。

沙漏型岩溶塌陷区钻孔灌注桩施工技术

在可能发生岩溶塌陷的地区,不能采用一般常规的施工工艺直接进行桩基施工,需采取有效的施工措施以保证安全和质量。从沙漏型岩溶塌陷的成因和机理出发,结合工程实例,总结岩溶塌陷前的预处理措施和岩溶塌陷后塌陷区桩基施工的技术措施。主要研究内容包括施工前通过有效的勘察手段查明岩溶分布情况,采取注浆方式进行预处理;塌陷发生后为防止再次塌陷导致桩基施工时发生事故,搭设所需钢平台,并总结全回转全套工艺施工技术要点。

沙漏型岩溶地面塌陷物理模型

为了进一步研究覆盖型岩溶地面塌陷的发生条件和机理,在作者关于土体塌陷理论的基础上,着重研究了渗漏型地面塌陷的地质现象、地质模型、物理模型及其数学表达式。根据地质现象和砂性土中砂颗粒在塌陷过程中的运动学响应特征,建立沙漏型岩溶地面塌陷的地质模型。在此基础上,概化出物理模型,并根据物质守恒定律推演沙漏型塌陷的数学表达式。由此探讨了沙漏型塌陷规模与岩溶和水文地质条件的关系,认为沙漏型塌陷历时与砂性土的摩擦系数的平方、水力坡降的平方根及可溶岩洞径的8/3次方根成反比,与塌陷坑深度的立方成正比。文章从地质现象→地质模型→物理模型→数学表达式来研究沙漏型岩溶地面塌陷,地质理论依据充分,物理过程可靠,数学逻辑严密,所推导出的数学表达式较好地反映了沙漏型地面塌陷的基本规律。经工程案例验证,该物理力学模型与实际情况较为吻合。

砂漏型岩溶地面塌陷防治原则和方法

武汉地区在近东西向的多个褶皱构造中分布有6条石灰岩条带是岩溶地面塌陷多发区。其岩溶地面塌陷可分为砂漏型、土洞型、真空吸蚀型等三种基本类型,每种类型有其特定的地质条件及对应的塌陷机理。文章重点对灾害后果最严重、防治难度最大的砂漏型塌陷的地质条件及塌陷机理进行了分析,认为地下水(岩溶水和孔隙水)渗流是导致砂漏发生的关键因素,其中岩溶水渗流是原始动力。基于此,认为设置帷幕截断岩溶水渗流是防治砂漏型塌陷的根治措施,并提出地铁车站和区间盾构防治砂漏型塌陷的原则和方法,取得了良好效果。

也论覆盖型岩溶地面塌陷机理

为了更好地给覆盖型岩溶地面塌陷的处置和防治提供理论依据,根据可溶岩上覆盖层物质成分、地质结构及其物理力学性能的差异,首次将覆盖型岩溶地面塌陷机制区分为沙漏型、土洞型和泥流型3种类型。砂性土层分布区,由外界因素的触发导致沙颗粒向岩溶通道和溶洞漏失而产生的地面塌陷现象称为沙漏型塌陷。重力和岩溶提供的有效空间是产生沙漏型塌陷的必要条件,地下水作用加速了沙漏型地面塌陷发生,缩短了塌陷发生的过程。发生在黏性土和密实砂性土层中、由于土洞洞顶拱效应失效而产生的地面塌陷现象称为土洞型塌陷;天然土洞通过地表水侵蚀与地下水潜蚀作用、砂土漏失和软土流失等3种方式形成;土洞的形成和发展时期内洞顶上方土体是稳定的,在外部因素触发而导致洞顶拱效应失效时才发生地面塌陷;土洞型塌陷具有隐蔽性和突发性的特点。由软弱土体流失而产生的地面塌陷现象称为泥流型塌陷。泥流型地面塌陷是软弱土体向溶蚀通道和溶洞中流失的结果。岩溶地面塌陷的触发因素包括地下水作用(垂直和水平渗流、土/岩界面处地下水位频繁波动)、外加荷载(动荷载和静荷载)和土洞顶板抗力降低(顶板强度降低、厚度减薄和结构破坏)等方面。这些外因触发了岩溶地面塌陷的发生。

武汉地铁工程中沙漏型岩溶注浆新技术探讨及实践

文章对武汉地区岩溶地面塌陷案例及各地区岩溶治理方案措施进行了统计和总结分析,说明了岩溶注浆的重要性。武汉地铁6号线红建路站及两端区间穿越长江一级阶地沙漏型岩溶地质结构,主要采用了岩层帷幕注浆和溶洞充填注浆等岩溶处理措施。但在施工中遇到了注浆成孔引起的砂颗粒漏失、钢套管无法拔出、浆液窜入砂层、注浆无法持压导致不能有效填充溶洞、浆液无法有效计量等一系列难题。为了解决这些问题,通过咨询论证、借鉴水利工程经验、前期试验研究等方式对传统岩溶注浆成孔工艺和流量监测工艺、浆液配比、终浆标准等进行优化。研究探索了一套"钢套管+内套PP-R管+钻杆基岩成孔+止浆塞+注浆流量记录仪"的岩溶注浆技术。岩溶注浆中分工序选择不同的浆液配比并探索采用适应于本工程地质特点的终浆标准。红建路站及两端区间岩溶处理工程实践验证了注浆新技术的适用性和有效性。