岩溶塌陷临界土洞高度的确定--以唐山市体育场岩溶塌陷为例

土洞的产生和发展是岩溶塌陷的基础和前提,临界土洞是土洞发展的最终阶段,以临界土洞为界,岩溶塌陷在时间和空间上划分为内部塌陷阶段和地表塌陷阶段。内部塌陷阶段是土洞在覆盖层土体内部的发育扩展阶段,土洞顶板土体的破坏形式类似于地下洞室洞顶围岩的破坏。根据地下洞室普氏平衡拱理论,建立覆盖层土体的天然平衡拱高度,即临界土洞高度公式,并以唐山市体育场岩溶塌陷为例,对该公式进行验证评价,计算所得塌陷的临界土洞高度与实际情况相符合,误差仅为4.3%。     

土洞型岩溶地面塌陷物理模型

为了进一步深入研究覆盖型岩溶地面塌陷的发生条件和机理,在罗小杰关于土体塌陷理论的基础上,着重研究了土洞型地面塌陷地质现象、地质模型、物理模型及其数学表达式。土洞的形成和发展与地面塌陷是土洞型岩溶地面塌陷的两个阶段。根据塌陷过程中的宏观地质现象,结合土体在变形中的运动学响应特征及其周围土体变形表现,建立了土洞型岩溶地面塌陷的地质模型。在此基础上,进一步概化了土洞型岩溶地面塌陷的物理模型;结合文献中其他主要塌陷机理,进行了土洞顶板受力分析;依据极限平衡理论,提出了具有普适性的数学表达式;探讨了土洞顶板临界厚度的影响因素,认为土洞顶板临界厚度与洞径、外加荷载增量以及较高的顶板抗剪强度呈正相关性,与较低的顶板抗剪强度呈负相关性。     

岩溶塌陷发育的时空阶段性分析

岩溶塌陷是土洞形成与发展的结果,临界土洞的形成是土洞发育的最终阶段.以临界土洞为界,岩溶塌陷的整个发育形成过程从时间和空间上划分为内部塌陷和地表塌陷两个密不可分的阶段.内部塌陷阶段是土洞发育与扩展即覆盖层岩土体逐渐破坏的缓变过程,土体的破坏为拉张破坏与剪切破坏相复合的混合破坏方式;地表塌陷阶段是土洞扩张导致地表土体破坏塌落的突变过程,土体破坏为剪切破坏或拉张破坏,不同的破坏方式将在地表形成不同形状的塌坑.     

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。     

桂林市岩溶土洞塌陷的形成机制及治理措施

桂林市每年因各种原因诱发的地表塌陷均有数次-数十次之多,对人民的生命财产构成较大威胁.文章通过对桂林市岩溶发育区土洞塌陷的形成机制进行深入分析,提出一些针对岩溶土洞塌陷的治理措施.     

岩溶土洞稳定临界深度的初步研究

在岩溶土洞发育地区进行工程建设时需要确定土洞是否会发展成地面塌陷和对工程结构物稳定性有影响,分析表明土洞临界深度可作为评价土洞稳定和加固深度的依据。本文采用有限元分析方法,以土洞塑性区贯通至地面或路基表面作为土洞发展成地面塌陷和临界深度的标准。研究表明,土洞的临界深度与土洞形状、土洞尺寸、位置和路基填土厚度有关;土洞断面形状为圆形时临界深度最小,土洞尺寸越大,路基填土越厚,相应土洞临界深度越大。     

基于BOTDR技术的深埋岩溶土洞监测分析

岩溶洞穴发育成地表塌陷影响因素复杂。为了获得岩溶土洞监测标识区域的应力特征,在太沙基松动土压力理论基础上,对岩溶土洞发育历程中松动区竖向土压力进行了分析。松动区的空间位置由洞穴特征及其上方岩土介质的物理、力学性质决定;平面应变和非平面应变条件下,松动区竖向土压力的分布特征差异明显。根据岩溶土洞上方松动区竖向土压力的分布特征,结合BOTDR技术优点,提出应用BOTDR技术监测岩溶土洞的发育,针对光纤监测系统设计中光纤布线型式进行了分析。岩溶土洞应力场变化特征的定量研究对光纤传感技术应用于岩溶土洞监测设计提供理论依据和指导。      

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。      

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...     

广西来宾凤凰变电站土洞塌陷形成机理及其治理

凤凰变电站位于广西来宾市北部凤凰工业园规划区,占地面积约170 m×160 m。场地属岩溶残丘缓坡地貌,并为土层覆盖。勘察时钻探、物探均未发现土洞等不良地质现象,但在之后的施工期间却产生了十余处土洞塌陷,土洞塌陷密度6.81个/hm2,塌陷总面积489 m2。这类土洞不仅形成速度快,而且形成滞后于勘察工作,很容易造成评价上的遗漏从而引发工程事故。本文从场地岩土结构、水文气象和工程活动等方面阐述了土洞的形成机理,认为场平清除表层粉质黏土,暴露地下峰林及松散岩土,使降雨集中入渗侵蚀,是塌陷形成的原因。根据变电站土洞塌陷机理,提出了增加截水和排水沟、硬化场地等切断水动力条件的预防措施,并对浅层塌陷区采用了毛石混凝土换填、深层塌陷区采用了静压固结灌浆加固的综合治理方法,治理取得了预定的效果。      

基于FLAC3D不同降雨速率下土洞致塌规律研究

针对桂林市临桂区岩溶塌陷易发区域,采用FLAC3D模拟不同降雨速率下的强降雨入渗过程,探究不同直径土洞在强降雨作用下的致塌规律,结果表明：（1）强降雨条件下,不同直径土洞最大位移均出现在洞顶部。降雨速率相同,洞顶竖向位移增长速率随土洞直径的增加呈整体加快的特点;加快降雨速率,竖向位移增长明显,竖向位移与土洞大小呈正相关。（2）相同降雨速率下,土洞直径增大会引起土洞底部剪切破坏区域进一步扩展。上覆土层在强降雨初期主要受到潜蚀作用,加快降雨速率,土洞底部水位剧烈波动对上覆土体产生的水击气爆成为主导作用,剪切破坏速率加快,洞趾剪切应变明显增加,当土洞直径达到3 m时,水位波动愈加剧烈,加速上覆土层破坏。（3）降雨速率的变化对土洞塑性区拓展范围具有不同程度的影响,较大直径的土洞在加快降雨速率时塑性区拓展范围明显扩大,即土洞大小、降雨速率对上覆土层稳定性具有较大的影响。研究结果为定量研究强降雨与上覆土层塌陷的关系提供了依据,对有效、合理地预警岩溶塌陷具有一定的意义。     

岩溶区高速公路路堤及溶洞顶板稳定性数值分析

采用大型通用有限元软件ABAQUS对某室内模型试验进行了数值模拟,验证了三维有限元法进行洞室结构稳定性分析的可靠性。结合永武（永安-武平）高速公路A11合同段岩溶地质资料,将溶洞近似为与实际相近的椭球状,建立岩溶区路堤的三维有限元模型,分析溶洞顶板厚度、填方高度、溶洞位置以及溶洞充填状况对路堤及溶洞顶板稳定性的影响。为与现行顶板安全厚度确定方法进行比较,进行二维平面应变有限元分析。研究表明,对于较完整的顶板岩层,按顶板受拉破坏稳定安全系数为4确定的安全厚度过于保守,按梁板理论弯曲受拉破坏确定的安全厚度也偏于保守,是由于实际顶板岩层并不完全符合梁板理论的简化假设,而以有限元分析所得最大弯矩按梁板弯曲受拉破坏确定的安全厚度最为经济;实际工程中三维效应明显的溶洞,现行理论简化和二维数值分析法都较为粗糙,宜采用三维数值分析法。通过对上述问题的分析,为该高速公路岩溶区填方路段的设计和溶洞的处治与否提出指导性意见,已创造较好的经济效益和社会效益,可供类似工程应用时参考。     

基于岩溶洞穴旅游活动中洞穴环境因子的研究

随着人们生活水平的不断提高,岩溶洞穴旅游活动日益频繁,使得对洞穴环境的综合研究以及洞穴旅游管理变得尤为重要。通过调研国内外岩溶洞穴旅游管理的现状,结合岩溶洞穴环境的研究成果,综合分析岩溶洞穴环境因子,如温度、相对湿度、洞穴CO2浓度等,对岩溶景观的影响,探讨溶洞环境的自净能力以及景观保护与修复措施等问题;针对目前岩溶洞穴旅游开发的有限空间与无序客流的矛盾,提出了合理调控洞穴旅游客流量,增强洞穴旅游景观资源保护意识,从地学、旅游、环境以及健康等角度评估和开发洞穴,使旅游活动对环境因子的影响限制在可控范围,实现洞穴旅游的可持续发展。     

基于极限分析法的边坡临界高度及稳定性研究

基于塑性极限分析理论,优化了受到地震力作用的均质土坡在破坏面为对数螺旋面形式时的临界坡高计算模型,并在此基础上,引进强度折减假定,推导了地震作用下边坡的对数螺线破坏形式的安全系数计算公式。该计算模型不仅能考虑地震力的作用,而且能考虑不同安全系数要求对临界高度的影响。通过两个算例将文中提出的模型与传统极限平衡法对比,文中方法计算安全系数较瑞典条分法大,与简化Bishop法计算所得结果非常接近。该方法可对均质边坡临界高度及稳定性分析研究提供有益的指导和参考。     

重庆市张关溶洞景观照明研究

溶洞照明推进了溶洞旅游业的发展,不科学的溶洞照明引起溶洞内灯光植物生长,破坏了溶洞内部特殊环境。通过对张关溶洞内灯光植物和人工光源的调研测量,研究了人工光源光谱、光照强度与溶洞灯光植物的生长关系,结果表明:光照强度高于20 000 lux或低于100 lux的传统光源及光谱能量分布在500～600 nm的窄光谱光源,能够有效抑制溶洞内灯光植物的生长;根据人工光源光谱、光照强度对灯光植物生长的抑制作用,提出了保持溶洞内特殊生态环境的景观照明技术指标。      

基于材料状态相关剪胀性的土坡稳定分析极限平衡法

土体剪胀性对土坡稳定性分析的结果有较大的影响,而在传统的极限平衡法中无法考虑土体的剪胀性。以Toyoura砂为例,通过基于材料状态相关临界状态理论的本构模型,确定了摩擦角与剪胀角之间的关系,然后将采用等效摩擦角的方式用于土坡稳定的极限平衡法分析中,提出了一种基于材料状态相关剪胀性的极限平衡法,并通过算例说明在极限平衡法中考虑剪胀角对正确评价土坡稳定性是很重要的。     

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.     

基于冲切破坏模式的嵌岩桩桩端溶洞顶板临界厚度确定方法研究

桩端下伏溶洞顶板厚度是影响嵌岩桩竖向承载力的一个重要影响因素,在工程实践中,我国相关规范要求桩端平面以下的顶板厚度不小于3倍桩径。根据规范确定溶洞顶板厚度具有一定的经验性和笼统性,没有考虑溶洞顶板岩体质量,亦忽略了溶洞自身尺寸的影响。基于桩端岩体的冲切破坏模式,并结合广义Hoek-Brown准则和极限定理上限法建立了溶洞顶板临界厚径比(h/d,即顶板厚度h/基桩直径d)的计算方法,给出了不同岩体基本质量级别的临界厚径比建议值。结果表明:极限端阻力、岩石坚硬程度和岩体质量均对临界厚径比产生影响,极限端阻力越小、岩体质量越好、岩石越坚硬,则溶洞顶板的临界厚径比越小;以《工程岩体分级标准》(GB/T50218-2014)中岩体基本质量分级为参考依据,Ⅰ~Ⅳ级岩体的临界厚径比建议值分别是Ⅰ级岩体h/d≤2.41、Ⅱ级岩体2.41≤h/d≤2.96、Ⅲ级岩体2.96≤h/d≤3.73、Ⅳ级岩体3.73≤h/d≤4.91。