巖溶洞穴塌陷穩(wěn)定性分析模型及應(yīng)用

周佺

摘 要：巖溶塌陷的形成是多種因素共同作用的結(jié)果，具有很強(qiáng)的復(fù)雜性。該文利用極限平衡理論，提出合理的假設(shè)，并對巖溶洞穴的塌落體進(jìn)行受力分析，確定致塌力和抗塌力，建立巖溶洞穴力學(xué)穩(wěn)定性分析模型。當(dāng)安全系數(shù)K時(shí)，塌落坑失穩(wěn)塌陷；=1時(shí)，塌陷體處于極限平衡狀態(tài)；>1時(shí)，塌落坑穩(wěn)定，以此對尚未發(fā)生巖溶塌陷的洞穴進(jìn)行預(yù)測、預(yù)警。

關(guān)鍵詞：巖溶塌陷 極限平衡理論 穩(wěn)定性 安全系數(shù) 塌落體

中圖分類號：P642.25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0092-03

Abstract： The formation of karst collapse is the result of a variety of factors， which is very complex. In this paper， the limit equilibrium theory is used to make reasonable assumptions， and the stress analysis of the collapse body of karst caves is carried out to determine the collapse force and the anti-collapse force， and the mechanical stability analysis model of karst caves is established. When the safety factor K<1，the collapse of the collapse of collapse collapse； K=1， the collapse of the body in the limit equilibrium state； K>1，the collapse of the pit stability， in order to have no karst collapse of the cave to predict.

Key Words： Karst collapse； Limit equilibrium theory； Stability； Safety factor； Collapse body

在我國的廣西、貴州以及重慶等西南喀斯特地區(qū)，巖溶塌陷是常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，人們對環(huán)境資源的需求面積越來越大，也更加重視對環(huán)境資源的保護(hù)和對各種地質(zhì)災(zāi)害的防治。巖溶塌陷對人類生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅，引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。

由于地質(zhì)環(huán)境的差異，巖溶塌陷的發(fā)育具有很強(qiáng)的復(fù)雜性。重力、滲透力、氣動(dòng)力、振動(dòng)力等都是導(dǎo)致塌陷的力。為此，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究?？祻┤蔥1]等總結(jié)提出了重力致塌式、潛蝕致塌式、沖爆致塌式、真空吸蝕致塌式、振動(dòng)致塌式、荷載致塌式、溶蝕致塌式、根蝕致塌式8種基本的巖溶致塌模式，其中潛蝕論和真空吸蝕論比較得到大家的認(rèn)可；李前銀[2]提出了“溯源潛蝕”和“土體流變”的觀點(diǎn)；陳國亮[3]等提出導(dǎo)致塌陷的主要成因機(jī)理是當(dāng)?shù)叵滤蛔儎?dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)差效應(yīng)，壓強(qiáng)差效應(yīng)并非單一的真空負(fù)壓或潛蝕（管涌），既有壓強(qiáng)差的作用，又有由此而產(chǎn)生的潛蝕和氣蝕作用。

巖溶塌陷的形成發(fā)生，往往是多種作用的共同結(jié)果。巖溶塌陷發(fā)育的基本條件是：一定發(fā)育程度的巖溶，一定厚度的松散覆蓋層和水動(dòng)力條件易于發(fā)生改變的巖溶地下水系統(tǒng)[4]。所以為了避免或者減小巖溶塌陷災(zāi)害引起的損失，需要對還未發(fā)生塌陷的地下洞穴的覆蓋層進(jìn)行穩(wěn)定性分析，達(dá)到對塌陷提前預(yù)測預(yù)警的目的。

1 巖溶塌陷的成因機(jī)制

1.1 巖溶塌陷的成因機(jī)制分析

按巖溶塌陷產(chǎn)生的根本原因是蓋層的部分土體受力失穩(wěn)破壞，塌陷體受到的抗塌力小于致塌力。一般條件下，致塌力包括蓋層巖土體自重力、地下水的垂向滲透力、側(cè)向滲透力、巖土體空隙中氣體的正壓力或負(fù)壓力、振動(dòng)力、大氣壓力；抗塌力包括巖土體的內(nèi)聚力、塌陷體周邊的摩阻力、地下水的浮托力等。對一個(gè)巖溶塌陷來說，因?yàn)橐鹚莸淖饔煤退幍牡刭|(zhì)環(huán)境不同，不可能同時(shí)受到上述所有力的作用，但由于受力狀態(tài)和產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)的不一樣，且有不同的成因機(jī)制，形成不同的致塌模式，所以巖溶塌陷的形成是多種因素共同作用的結(jié)果，單一成因論無法解釋在任何條件下所形成的巖溶塌陷[5]。

影響巖溶塌陷的因素主要有：（1）隱伏巖洞、巖溶發(fā)育的程度和深度因素。當(dāng)巖溶發(fā)育的程度和深度的不同，會導(dǎo)致塌陷的規(guī)模也不相同。（2）地下水位降低。地下水位下降，地下水的坡降流速增大，會對巖溶洞隙通道中的上部松散充填物和覆蓋層產(chǎn)生沖刷、潛蝕和掏空作用。（3）地下水補(bǔ)給。當(dāng)降水或地表積水入滲補(bǔ)給地下水時(shí)，會對覆蓋層巖土體產(chǎn)生靜水增荷效應(yīng)、垂直滲透效應(yīng)、吸水軟化效應(yīng)和負(fù)壓封閉效應(yīng)等綜合效應(yīng)。（4）巖土性狀。土層組成影響土體的滲透破壞類型，砂礫石層以潛蝕為主，黏性土以流土破壞為主。（5）地質(zhì)構(gòu)造。構(gòu)造對巖溶發(fā)育的控制性是地質(zhì)構(gòu)造對巖溶塌影響的主要表現(xiàn)，能為巖溶地下水的活動(dòng)及其對覆蓋層土體的潛蝕提供較好的活動(dòng)場所和儲運(yùn)空間。（6）人類活動(dòng)。人類工程、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的性質(zhì)和強(qiáng)度對人為塌陷的規(guī)模和強(qiáng)度影響很大，對巖溶塌陷的過程起著誘發(fā)或加速的作用[4]。

1.2 巖溶塌陷的破壞形態(tài)

巖溶洞穴蓋層發(fā)生塌陷后從外觀上主要表現(xiàn)為直桶形、壇形和漏斗形等破壞形態(tài)，如圖1所示[5]。

直桶形破壞：主要發(fā)生于塌落覆蓋體構(gòu)造裂隙不發(fā)育、粘性土相對完整及巖性接近、結(jié)構(gòu)較緊密的砂卵礫石層中，為直桶狀塌落體的整體剪切破壞。該類巖溶洞穴通常埋深較大，洞腔中透氣性較差，當(dāng)遇到地下水位快速下降時(shí)，在洞腔中產(chǎn)生真空負(fù)壓，同時(shí)在覆蓋層表面產(chǎn)生大氣壓差場，致使洞穴產(chǎn)生直桶形地表塌陷。

壇形破壞：主要發(fā)生于構(gòu)造裂隙發(fā)育，粘性土風(fēng)化嚴(yán)重，土顆粒細(xì)，壓實(shí)密度不一的多層結(jié)構(gòu)地層中。由于平衡拱在地下水滲流作用下發(fā)生潛蝕破壞，逐漸發(fā)展，當(dāng)上覆土層的自重應(yīng)力接到臨界埋深時(shí)，受到周期性水位升降作用影響，薄層土體產(chǎn)生的自重塌陷、氣爆或疲勞崩解破壞，形成壇伏形破環(huán)面。

漏斗形破壞：主要發(fā)生于巖性單一，結(jié)溝較松散的砂層，以及含卵礫石的砂層中。是一種連續(xù)性破壞所形成的剖面形態(tài)[5，6]。

2 巖溶洞穴力學(xué)穩(wěn)定性分析模型

（1）塌坑形狀為半徑為R直桶狀塌陷坑，塌落體沿鉛直的破裂面發(fā)生剪切破壞，如圖2所示；（2）地下水位處于基巖面以下；（3）致塌力：塌落體重力G土、降雨雨水自重荷載G雨、滲透力F滲、真空負(fù)壓差△P方向均垂直向下，抗塌力：側(cè)壁摩阻力方向垂直向上；（4）按照普氏平衡拱理論，洞穴空腔形態(tài)為二次拋物線；（5）覆蓋層土體均質(zhì)，各向同性。

根據(jù)以往對巖溶地面塌陷的成因理論及形成條件等方面的研究[4-7]，對尚未發(fā)生塌陷的巖溶洞穴覆蓋層，沿洞穴豎直中心線取半徑為R的圓柱狀塌落體進(jìn)行受力分析如圖3所示。

根據(jù)極限平衡理論，土柱塌陷的極限平衡方程：

3 結(jié)論

（1）巖溶塌陷的形成受到多種致塌因子共同作用，當(dāng)塌落體的致塌力超過抗塌力時(shí)，塌落體失穩(wěn)破壞。由于所處的地質(zhì)環(huán)境和引起塌陷的作用不同，其力學(xué)破壞面可由剖面形態(tài)分為：直桶形、壇形、漏斗形、碟形、藕節(jié)形等。

（2）利用極限平衡理論，提出合理的假設(shè)并對巖溶洞穴的塌落體進(jìn)行受力分析，致塌力：塌陷土柱受土柱自重G土、降雨雨水自重荷載G雨、滲透力F滲及真空負(fù)壓差△P和抗塌力：側(cè)壁摩阻力共同作用，建立巖溶洞穴力學(xué)穩(wěn)定性分析模型。當(dāng)安全系數(shù)時(shí)，塌落坑失穩(wěn)塌陷；=1時(shí)，塌陷體處于極限平衡狀態(tài)；=1時(shí)，塌落坑穩(wěn)定。

（3）該文中在受力分析時(shí)未考慮基質(zhì)吸力和地下水的浮托力對塌落體的影響，在后面的工作中可從該方面做進(jìn)一步研究。

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