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%。     

岩溶塌陷临界土洞的极限平衡高度公式

土洞的产生和发展是岩溶塌陷的基础,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,即临界土洞的极限平衡高度公式,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 %。     

土洞型岩溶塌陷发育过程气体示踪试验研究——以广州金沙洲为例

运用气体示踪进行土洞型岩溶塌陷监测预警是一种比较新的技术方法,其原理是通过气体在不同形状、规模的土体孔隙、裂缝和土洞中的运移规律研究,分析气体特征值与土体变形破坏的关系,进而间接判断土洞的发育情况,实现岩溶塌陷监测预警。本文以广州市金沙洲岩溶塌陷区为例,通过室内物理模型试验再现了土洞发育、形成到地面塌陷的全过程。运用气体示踪技术,按照土洞形成、土洞发育、土洞堵塞、土洞扩大和土洞塌陷五个过程,研究气体浓度、气体聚集时间等参数指标与土洞不同发育阶段的关系。结果表明:①土洞型岩溶塌陷发育程度与示踪气体浓度存在对应关系,气体浓度升高反映了土体变形破坏的进一步发育;②土体变形破坏程度与示踪气体浓度总体呈正相关关系,距离地面塌陷点越近浓度越高;③土体变形破坏程度与示踪气体浓度达到峰值浓度时间存在对应关系,距离地面塌陷点越近,气体浓度达到峰值的时间越快。根据以上试验结果,运用气体示踪技术进行土洞型岩溶塌陷监测预警是可行的,后期应探索预警阈值并进行野外现场实际验证。      

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。      

水位波动条件下覆盖型岩溶塌陷试验研究

本文以福建省龙岩市永定区樟坑村岩溶塌陷地质灾害点为研究对象,通过开展室内物理模型试验,研究了水位波动条件下岩溶覆盖层孔隙水压力和沉降的变化规律,结果表明:（1）孔隙水压力响应情况与水位波动呈现良好的一致性,根据孔隙水压力的变化可基本判断岩溶土洞内部土体的塌陷发展情况;（2）土洞内部塌陷同时向上部及水平方向扩展,但向上部扩展速度大于水平方向;（3）塌陷发展不规律,地表形成的近似圆形塌陷坑中心与原始空洞中心不在同一垂线上。同时,在分析覆盖型岩溶土洞发育特征的基础上,总结出覆盖型岩溶土洞在水位循环波动条件下的致塌模式,提出了岩溶土洞塌陷变形发展经历了土洞发育、土洞扩展和地表塌陷3个演化阶段。研究结果对岩溶土洞塌陷的监测预警具有理论及实际意义。     

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...     

城区复杂环境岩溶地面塌陷灾害成因与致灾规律研究——以贵港市北环新村岩溶地面塌陷灾害为例

岩溶地面塌陷是岩溶发育地区常见的地质灾害类型。岩溶塌陷对基础设施和人民生命财产安全构成极大威胁。文章以贵港市北环新村岩溶地面塌陷灾害为例,采用地质分析与颗粒流离散元数值模拟相结合的方法,研究岩溶塌陷成因与致灾规律。结果表明:本次塌陷是由多类因素共同导致,主要包括地质环境、地下水位波动与管道渗漏及工程建设活动等;白云岩、灰岩差异性风化所形成的粉砂质土极易诱发土洞与岩溶塌陷灾害;塌陷灾害可分为土洞形成阶段、土洞发展阶段和土洞塌陷阶段,其土洞规模、形状及影响存在显著差别;土洞形成发展过程中,地表沉降量从塌陷中心向四周逐渐减小,存在明显的沉降敏感区,塌坑边缘的竖向临空面存在拉应力作用,极易再次诱发塌陷。研究成果可为岩溶地面塌陷灾害防控与预警提供一定的理论参考。      

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。      

一种复合型岩溶地面塌陷的形成机理——以武汉市烽火村塌陷为例

以武汉市烽火村岩溶地面塌陷为例，在对大量地质资料统计分析的基础上，将岩溶地面塌陷坑的发育形态与其形成机理相结合，借助室内大型物理模型试验研究和FLAC^3D数值模拟研究结果，从分析砂层中扰动带和土洞发育及其破坏方式入手，通过对单一扰动带和土洞发育形态的分类，以及扰动带和土洞之间相互干扰和联合的分析，综合提出了一种复合型岩溶地面塌陷的形成机理。岩溶地面塌陷分为小型塌陷和大型塌陷两大类，小型塌陷是单个扰动带和土洞发育的结果，大型塌陷是多个扰动带和土洞共同发育、相继失稳的结果。     

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。     

深圳市龙岗中心城区岩溶发育区渗透变形试验研究

土层的渗透破坏是龙岗区塌陷（土洞）形成的重要因素，通过在现场取原状样和室内人工配制扰动样的方法，进行室内渗透变形试验，对龙岗区岩溶塌陷成因进行详细分析，深入探讨地下水渗透破坏对岩溶塌陷的影响。在监测区内选取3类主要土层：黏土、粉质黏土、中砂，共设置了11组土样进行室内扰动土渗透变形试验。试验结果表明，土体发生渗透塌陷破坏与土体性质、颗粒级配、土层结构、土体内部空腔大小、土体下部透水基岩孔洞大小以及外部水力梯度等有密切关系。     

武汉纸坊-庙山老黏土区岩溶地面塌陷形成演化与监测

为查明武汉纸坊-庙山一带老黏土区岩溶地面塌陷成灾机理,并选取合适方法手段进行监测预警,有效减轻岩溶地面塌陷造成的危害,通过岩溶专项调查,查明了区内可溶岩分布及其地质结构,分析了岩溶地面塌陷形成演化过程及不同塌陷阶段监测方法的选取,调查分析结果表明：该区多为单层结构老黏土分布区,根据盖层黏性土、软弱土、非可溶岩（红层）的上下组合关系,将可溶岩分布区地质结构划分为3类（(1)、(2)、(3)）。不同的地质结构根据土体物理力学特征差异,其发生岩溶地面塌陷的形成演化机理不同：(1)类结构主要发生土洞型塌陷,(2)类结构主要发生泥流+土洞复合型塌陷,(3)类结构由于红层的阻隔,黏性土土洞无法形成,一般不会产生塌陷。结合塌陷的演化过程,土洞的形成演化阶段,重点是采用光纤等技术监测土洞的形成扩展情况,同时也要对地下水位、水气压力等诱发因子进行监测;土洞顶板变形塌陷阶段,因临塌前地表往往会产生少量沉降变形,主要采用精密水准测量或GPS监测等技术监测地表形变。     

广州夏茅村岩溶地面塌陷成因机理与塌陷过程分析

研究区内已发岩溶地面塌陷灾害严重，地质环境条件极其复杂，第四系覆盖土层厚度大，底部粉质黏土层土洞发育、隐伏基岩为壶天群灰岩，溶洞及断层破碎带发育，单个溶洞、土洞规模较大，溶洞与溶洞、土洞与溶洞之间连通性能较好。岩溶地面塌陷是以覆盖层粉质黏土层或砂类土层的扰动和土洞的形成为起点的，根据勘查区上覆盖层二元结构的特征，区内地面塌陷及土洞的发育过程可分为"下黏上砂"二元结构塌陷模式和"下黏上砂、软土"多元结构塌陷模式，塌陷区的岩溶塌陷致塌机制主要为机械贯穿作用，塌陷发育大约经历了四个阶段，建议今后不宜在勘查区及其周边一定范围进行地下工程建设活动及抽、排岩溶地下水行为，避免地下水动力条件发生改变，再次发生岩溶地面塌陷。     

岩溶塌陷光纤传感试验装置的标定试验

根据岩溶土洞(塌陷)变形演化特点,分析土体与传感光纤之间的力学关系,简化塌陷力学模型,加工塌陷模拟试验装置并进行试验。首先通过对光纤加载和卸载来模拟土洞形成过程顶板荷载的变化及分析传感光纤相应的变形和轴向应变特点,然后研究了土洞规模变化对光纤传感监测的影响。研究表明:在土洞形成过程中,因土洞规模和上覆土层荷载不一而导致的应力场的分布变化,以及不同光缆对应力场变化响应灵敏性的差异,是影响分布式光纤传感技术在岩溶土洞中应用的关键因子。文中所标定的光纤传感试验装置能较好地显示岩溶土洞形成演化过程中的应变变化特征,说明分布式光纤传感技术可应用于岩溶土洞的监测预警。      

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.     

广州市白云区夏茅村岩溶地面塌陷特征及致灾因素和风险分析

广州市白云区夏茅村岩溶塌陷地质灾害严重,塌陷区内地质环境条件极其复杂,隐伏灰岩岩溶土洞发育强烈,溶洞、土洞规模较大,且发育多层溶洞,溶洞间相互连通,岩溶塌陷区基岩面起伏较大,高程变化剧烈,第四系覆盖层厚度较大,底部粉质黏土层土洞发育,土体中规模巨大的土洞是产生岩溶地面塌陷的基础条件。基岩断裂构造带及其影响带范围内,岩石破碎,形成导水断层,存在地下水迳流通道,沿断裂带地下水循环活跃,溶蚀强烈,形成岩溶强发育带,为岩溶塌陷的发生提供了良好的动力条件。区内楼房基础施工扰动了地下水和土洞间的平衡状态从而成为了地面塌陷发生的诱发因素。运用7项地质环境条件指标和5项经济人口指标分别定性评估岩溶地面塌陷的易发度和易损度,并将二者叠加进行地质灾害风险评估。研究结果表明,夏茅村潜在地质灾害风险大,只有严格控制地下水动力条件,才能避免再次发生岩溶地面塌陷。     

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。      

宁夏羊场湾煤矿浅埋煤层开采地面塌陷发育规律及形成机理

以宁夏羊场湾煤矿Y110207工作面为研究对象,采用无人机遥感技术、野外调查与有限差分软件模拟方法研究浅埋煤层开采的地面塌陷类型、发育规律及其形成机理。(1)浅埋煤层开采地面塌陷以地表裂缝发育为主,地表破坏严重。(2)平行切眼裂缝间隔性出现,展布于整个工作面内,间隔距离为10～120m,局部裂缝形成错台高度约为15cm。平行顺槽裂缝为拉张型裂缝,发育在顺槽至外围一定范围。(3)采煤活动导致地下形成采空区,上覆岩层发生移动破坏,破坏区分为剪切破坏区、拉张破坏区及剪-拉破坏区,分别对压应力区、拉应力区和压-拉转化区。(4)当应力扰动传递至地表,应力值超过覆盖层抗拉强度时地表产生裂缝。随着工作面推进,覆岩内部裂缝带上行裂缝与地表下行裂缝贯通,形成错台。研究成果丰富了该区浅埋煤层的地面塌陷理论知识,为地面塌陷防治提供了理论依据。     

武汉市岩溶塌陷的演化机理研究

基于武汉市易发生的29处岩溶塌陷,从岩溶、覆盖层和地下水3方面分析了岩溶塌陷的内部结构;通过现场监测和数值模拟,分析了降雨、钻探和桩基施工的输入作用,并探讨了武汉市岩溶塌陷的演化机理。结果表明:（1）“上黏下砂”的盖层结构、浅部岩溶发育、孔隙水与岩溶水具良好水力联系是塌陷形成的基础条件;（2）自然环境下开口岩溶上方土洞扩展存在水力潜蚀和应力集中破坏两个演化阶段;（3）钻探和桩基施工联通孔隙水和岩溶水的瞬间,孔壁周边松散砂土快速进入临界水力梯度而破坏。桩基施工在覆盖层内的振动荷载和超孔隙水压力,易造成覆盖层整体破坏。在岩溶区施工产生的冲击作用可使岩溶水和孔隙水形成不同步波动,两者存在高水头差,致使覆盖层内砂层在压力差作用下破坏。     

广州岩溶塌陷形成条件及主要影响因素

广州市岩溶塌陷主要分布在广州西北的广花盆地内,根据大量勘查资料分析,得出岩溶塌陷形成条件及其主要影响因素是复杂和多方面的,如覆盖层岩土性状与厚度、岩溶发育程度、气候条件、地下水与人类工程活动等.覆盖层土体结构越疏松、级配越好、强度越低、厚度越小,岩溶越发育,越容易产生土洞和塌陷;降水季节和持续性的强降雨天气或久旱后的暴雨,板易导致地面塌陷;地下水活动则促使或加速土洞及岩溶塌陷的形成;工程钻探、地下水的抽取、地下采矿及地下工程施工等人类工程活动对岩溶塌陷也有重要影响,常作为诱发动力,通过改变基本条件而加速岩溶塌陷的形成.