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。

高原鼠兔洞穴对土壤入渗的影响及机制

[目的]探究高原鼠兔洞穴对高寒草甸土壤入渗性能及其相关因素的影响,以揭示其对高寒草甸生态系统水分循环和土壤水文功能的潜在作用。[方法]以高寒草甸高原鼠兔洞穴不同部位作为研究对象,包括洞口(PE)与洞道(PB),对照为无高原鼠兔洞穴分布的未扰动高寒草甸(AM),用单环法对土壤入渗速率进行测定。[结果](1)高原鼠兔洞穴促进高寒草甸土壤入渗速率,相比于未扰动高寒草甸,洞口和洞道初始入渗速率分别升高377.63%和189.47%,稳定入渗速率分别升高314.29%和220.00%(p<0.05);(2)高原鼠兔洞穴破坏高寒草甸土壤结构,相比于原生高寒草甸,洞口表层土壤总孔隙度和毛管孔隙度分别显著降低4.69%和16.27%,但非毛管孔隙度显著升高22.47%,洞口和洞道团聚体平均重量直径分别显著降低20.09%和9.45%,土壤有机质含量显著降低,各部位大小依次为未扰动高寒草甸>洞道>洞口(p<0.05);(3)高原鼠兔洞穴主要通过影响高寒草甸草毡层根系促进土壤入渗,根系生物量是影响初始入渗速率和稳定入渗速率的主导因子,标准化总效应分别为-0.717和-0.539。[结论]鼠兔洞穴一定程度上有利于高寒草甸生态系统的水分循环,但同时也破坏了高寒草甸原本的土壤结构,加剧高寒草甸退化风险。

浅析基坑工程的优化设计方法

本文以实际项目为例分析了基坑工程的动态优化设计方法。采用多专业联合设计,通过调整正负零的绝对标高和优化地下室层高等措施减小了基坑开挖深度;基于项目工期目标调整支撑结构布设,平面空间避开结构柱与剪力墙,竖向空间保证挖土的作业面高度,减少基坑支护结构对主要节点工期的影响;运用静力触探技术连续测试并精准识别软土的分布区域,优化设计方案,节约造价。通过综合运用多种基坑优化设计方法,该项目累计节省工期4个月,节约造价3100万元。研究成果可为其他类似项目提供参考。

孙祖河橡胶坝喀斯特塌陷特征与演化机制

为了避免喀斯特塌陷对孙祖河橡胶坝工程项目实施造成威胁,通过野外调查、工程地质测绘、钻探、现场试验、稳定性分析等手段,系统分析研究区喀斯特塌陷的特征,探讨喀斯特塌陷的成因演化机制,查明喀斯特塌陷的诱发因素,并对研究区喀斯特塌陷的稳定性及其演化趋势进行预测。结果表明,研究区目前处于土洞形成阶段,外界水动力条件的改变是研究区喀斯特塌陷稳定性的主要影响因素,具备进一步发展形成喀斯特塌陷的空间条件、物质条件和水动力条件,在进行地下水开采时应控制地下水位最大降深。

果树穴贮砖对南疆沙地土壤改良及温室石榴生长的影响

为探究南疆温室沙地土壤条件下长效实用的水肥保持方法,以3年生‘突尼斯’软籽石榴为试材,设置无果树穴贮砖(CK)、施加果树穴贮砖A(T1)和果树穴贮砖B(T2)共3个处理,于2021—2022年连续两年测定土壤理化性质以及石榴生长的动态变化。结果表明:两年试验施加两种果树穴贮砖(T1、T2)均显著提升了20~40 cm土层土壤有效磷、速效钾、碱解氮以及全氮含量,其中有效磷含量在2021年和2022年分别提升了23.64%、26.13%和18.85%、13.90%,速效钾含量分别提升了7.56%、8.57%和4.91%、5.29%,碱解氮含量分别提升了22.97%、22.53%和16.88%、14.85%;同时施加两种果树穴贮砖显著增加了20~60 cm土层土壤含水量,显著降低了0~80 cm土层土壤p H。与CK相比,2021年和2022年T1、T2处理在花后80 d石榴新梢和叶柄的生长量均有显著增长,其中新梢长度分别增长了27.30%、29.21%和31.84%、25.37%,新梢粗度分别增长了17.25%、9.25%和16.03%、13.74%,叶柄长度分别增长了0.78、0.83 mm和0.62、0.51 mm,叶柄粗度分别增长了0.44、0.28 mm和0.39、0.27 mm,整体以T1处理效果较好。综上,施加果树穴贮砖可促进南疆沙地土壤养分稳定供给,大幅增加土壤含水量的同时降低土壤碱度,最终显著促进温室石榴生长,可作为南疆温室果树栽培保持水肥的推荐技术。

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。

覆盖型岩溶地基加固处理与效果检测

为保证建筑物地基基础施工时的安全,在查明某商住楼场地岩溶发育情况基础上,采取注浆法对该岩溶场地进行加固处理。施工结束后,采用钻探抽芯法、标准贯入试验、室内土工试验等多种方法对注浆处理效果进行检测分析。结果表明:采用注浆法处理后,溶(土)洞充填效果明显,平板载荷试验得到的地基承载力特征值增长超17.4%,标准贯入试验击数平均值增长17.6%~31.3%,土层孔隙比、压缩模量、黏聚力、内摩擦角等物理参数整体提升5.6%~20.4%。注浆处理对土层加密效果较好,能有效预防建筑场地在地基基础施工过程中发生地面塌陷地质灾害。

敦煌莫高窟壁画地仗层可溶盐迁移过程模拟研究

采用莫高窟壁画的地仗层制作材料与工艺制备了不同盐分含量及组成的模拟土柱,并在柱体不同位置加入氧化铝小球作为盐分迁移的探针,以考察硫酸钠与氯化钠两种盐分在土柱内部的分布、迁移及在柱体表面的结晶行为.为了探查壁画的地仗层组分差异和孔体性能的不同对盐分迁移与结晶过程的影响,对放置在不同位置的探针小球和同一位置土体进行采样,利用比表面积/孔隙度分析(BET)和扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDS)等方法考察不同孔结构及性能对水盐运移与分布的影响,及不同盐分在模拟柱表层的探针小球和土体表面结晶表现的差异.离子色谱(IC)法用来分析在模拟柱的不同高度处所含盐离子浓度,以考察其在柱体中的迁移性能和分布特征,进而得到壁画地仗层的组分不同对水盐运移及盐分结晶的影响.结果表明:水盐运移介质的孔道性能与结构对盐害的产生与发展有较大影响,当地仗层中麦草含量较多时有利于水盐溶液向地仗表层迁移,而细麻的存在增加了土体中介孔数量,两者均促使了盐分在更接近地仗表层的位置成核结晶,对表层壁画的存在造成威胁.盐分的结晶表现与盐害机理也有所不同,硫酸钠更易在模拟土柱表层土质中结晶,而氯化钠则主要在氧化铝小球表层结晶,当两种盐分同时存在时,主要表现为氯化钠在土柱表面氧化铝小球的结晶,土体表层的盐分结晶反而减弱.

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。

深圳岩溶地区建筑工程溶洞处理技术探讨

深圳岩溶地区的地质情况复杂,且普遍为岩溶强发育。文章针对深圳岩溶地区常见溶(土)洞分布情况,参考以往工程经验,结合实际案例,总结了相应的溶(土)洞处理措施。其中,浅层溶(土)洞,可采用碎石或注浆进行置换回填;桩身溶(土)洞,对于探明的溶(土)洞,当洞深在2.5 m以下时,可采取回填片石、粘土并配合冲孔机小冲程冲打措施处理;当洞深大于2.5 m时,可采取灌注水泥浆或填充C20混凝土进行处理;对于未探明的溶(土)洞,以确保成孔为原则,或反复投入黏土加水泥,快速回填C20混凝土或速凝混凝土;对于能成孔的桩身溶(土)洞,建议在成桩过程中利用桩身混凝土填充;桩端持力层下方溶(土)洞可采用高压喷射洗孔后注浆填充方法进行处理。文章总结的溶(土)洞处理措施对于提升岩溶地区内的地基基础工程施工质量具有重要参考价值。

基于三维地质建模技术的溶土洞精细化勘察

常规岩土工程勘察结合三维地质建模技术是实现未来精细化(三维)勘察的发展之路。基于EVS三维地质建模软件,依托某建设项目的常规岩土工程勘察资料,对场地中溶土洞的三维勘察进行了研究,研究了如何把离散的二维勘察孔数据通过三维地质建模,采用邻点法的算法,形成可视化的三维地质模型。基于可视化的三维地质模型,分析了场地内溶土洞的分布情况及体积,为溶土洞处理提供了可靠依据。实践证明,利用可视化的三维地质模型,在处理溶土洞,水泥使用量比实际值少14%,化学浆液使用量比理论值少24%,工期比实际工期节约20 d,费用比实际费用节约24%。

岩溶地区某高层建筑复合地基设计

介绍了1栋位于岩溶地区高层建筑的复合地基设计,场地内石灰岩岩溶中等发育,溶洞分布较多,洞高大,综合考虑项目经济性和施工便利性,基础采用复合地基上的筏板基础,计算时考虑地基土作用和筏板的整体弯曲变形和上部结构刚度影响,采用有限元软件对筏板基础进行了分析和设计,并对溶(土)洞进行了处理。相对于传统设计方法,该方法可改进地基土与筏板相互作用的模拟,考虑土的非线性本构,并模拟真实场地土的情况和筏板的真实变形,更接近筏板实际受力情况,比传统设计方法提高安全性和经济性。可为相关工程实践提供参考。

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。

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.

云冈石窟顶部第四纪土壤覆盖层含水率变化特征及洞窟渗漏水问题探讨

为研究云冈石窟顶部土壤覆盖层的含水率变化情况,建设了土壤环境监测网收集云冈石窟土壤含水率实时监测数据,并分析其时空变化特征及影响因素。结果表明,平坦地形条件下云冈石窟顶部第四纪土壤覆盖层含水率时空变化特征明显:年变化具有周期性,垂向上随深度逐层降低(冬季除外)。春、夏季土壤含水率抬升、储水,秋、冬季下降、失水;在春、夏日土壤含水率呈白天上升、夜晚下降趋势,秋、冬日则呈白天下降、夜晚也下降趋势。土壤含水率时刻处于不停的运动变化之中,受温度、大气降水、微地形等众多因素影响,山体边坡浅层土壤可能为侧向饱和流的入渗通道。降雨对土壤含水率的影响深度与实际入渗深度不一致。云冈窟内顶板及岩壁上部、中部含水率主要受降雨渗透窟顶土壤层、沿岩体裂隙通道进入洞窟的渗漏水控制,而岩壁底部含水率更多受窟前不饱带和与地下毛细水的影响。多年的防水实践也证明云冈洞窟渗漏水主要来自于石窟顶部及附近区域。防渗排水始终是云冈洞窟渗漏水治理的主导思路,建议应根据窟顶土壤厚度、地形地貌和遗址分布等分区治理,充分发挥土壤的防渗作用,减少对土壤覆盖层的过度干预。防渗层材料在具有防渗作用的前提下,应具备一定的透气性,满足“洞窟—覆盖层—大气环境”之间的水汽循环。

岩溶地区盾构掘进技术探析

文中以广州某地铁项目为例,研究了盾构机在岩溶发育地区掘进技术。盾构掘进前,采用区间地质补勘、溶(土)洞处理等措施,提前探明溶(土)洞并完成处理工作。掘进过程中,通过观察推力、刀盘扭矩、土仓压力、出土量等掘进参数,提前发现未探明溶(土)洞,及时采用双液浆进行溶(土)洞处理,避免掘进中造成盾构机栽头、沉陷。

数字化管控在溶(土)洞处理中的应用

传统溶(土)洞处理施工管控中存在施工管理粗放及效率不高的情况,不利于质量检查和追溯,也制约着计量时效性和精细度。创造性地探索数字化施工管控手段,辅助施工的同时有效开展质量和计量管控,较好解决传统施工及管控方式存在的突出问题。在工程实际中示范应用证明,该技术提升了管理效率及计量的精细度,取得了良好的社会和经济效益,可供同类工程借鉴。

岩土复合地层盾构隧道对地表变形及应力分析的研究

考虑到岩体与土体力学性质的差异,利用复变函数结合随机介质理论建立岩土复合地层隧道开挖的力学解析模型,将理论计算结果与数值模拟、现场实测结果进行对比。结果表明:解析解、数值解与实测值三者的吻合度相对较高,且数值解与理论解的沉降槽宽度保持一致,说明该理论计算方法具有较高的可信度。随后讨论了作用于岩、土层分界面不同竖向荷载、岩层隧道埋深与其半径之比以及岩体泊松比等参数对地表变形及洞周应力的影响。结果表明:随着岩、土层分界面竖向荷载的增加,地表沉降也不断增大,洞周环向压应力在隧道拱腰附近显著增大而拱顶环向拉应力变化相对缓慢;随着深径比h/r的减小,地表沉降逐渐增大,当h/r≥3时,增大深径比对洞周环向应力的影响相对较小;岩体泊松比越大,则地表沉降越小,洞周环向应力分布越均匀。

溶洞填充用流态填筑料的配制试验研究

为防止盾构穿越地层掘进遇到溶洞时发生地表沉陷及盾构机栽头现象,采用盾构渣土对地勘探明的溶洞进行填充预处理。通过盾构渣土的正交试验分析,确定了砂质黏土流态填筑料的最佳配合比;进行了不同类型渣土对填筑料性能影响试验及抗分散剂对填筑料性能影响试验,结果表明:满足泵送性时,砂质黏土的用水量最小,在坍落度基本一致的情况下,砂质黏土的抗压强度最高;抗分散剂掺量为总固体质量0.005%的填筑料在有水溶洞中具有较好的抗分散性及可泵性。利用盾构渣土制备流态填筑料能降低生产成本,保护生态环境。

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。