岩溶塌陷机理及其预测与评价研究

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1、成都理工大学博士学位论文岩溶塌陷机理及其预测与评价研究姓名：程星申请学位级别：博士专业：地质工程指导教师：黄润秋2002.12.1——一一蕉鳖塑堕盟望丝丛堡型：i登丛堕塞摘要我国岩溶分布面积达363万Km2，岩溶塌陷产生的塌陷坑已超3万多个，每年仍以惊人的速度递增，给社会带来了极大的损失。论文对岩溶塌陷的研究，将对岩溶塌陷的更客观评价及有效的预测提供依据。本文研究思路：论文从岩溶塌陷地质概化模型及塌陷过程中致塌力叠加耦合类型研究刨塌陷机理模型，结合室内试验及野外测试、数值模拟验证的手段，对典型机理模型进行了

2、专门研究，从而系统地提出了相应的工程影响，并对其预测与评价进行了研究。论文取得的成果主要表现在以F几个方面：1．以大量实例资料为基础，论文较系统地归纳总结了7种盖层概化模型及基岩中的4种概化模型，并对不同概化模型的致塌机制进行了分析。其中盖层地质概化模型：(1)单一阻水盖层型地质概化模型。当岩溶水位位于盖层中时，为“软化一失托增荷一真空吸蚀”刑致塌：当水位在盖层以下时，为“波动一气压差剥离”型致塌；(2)在单一透水型盖层地质概化模型情形F为“潜蚀一失托增荷一压差场潜蚀致塌”机制：(3)阻一透型盖层概化模型为

3、“潜蚀一流土一气压差场”机制；(3)无盖层的地质概化模型；(5)透一阻型盏层概化模裂，为“软化一气压差场一渗流流土”致塌机制；(6)阻一透一阻概化模型及透一阻一透概化模型为“天窗”超空隙水渗流流土致塌机制。岩溶介质中的地质概化模型：(1)表层空洞地质概化模型；(2)多层空洞地质概化模型；(3)竖井状地质概化模型：(4)均布空隙地质概化模型。2．在以上模型研究的基础上，论文针对岩溶致塌中的作用力及其相互叠加耦合方式，对其叠加耦合的类型进行了论述。提出了5种模式，包括：(1)重力与静荷载叠加耦合模式：(2)单一

4、阻水型盏层中水位下降时的叠加耦合模式；(3)单一透水型盖层渗透力场叠加耦合模式：(4)水位恢复时的叠加耦合模式；(5)岩溶致塌中的动荷载叠加耦合模式。3．在以上概化模型及耦合模式的基础上，论文总结了各塌陷类型下的致塌机制及机理模聚，包括：(1)水位F降致塌机理模型．其致塌过程中主要包括了三种主要致塌机制，分别为失托增荷致塌机制、潜蚀致塌机制、真空吸蚀致塌机制；(2)水位恢复致塌机理模型，其致塌过程主要为气爆效应致塌；(3)动荷载致塌机理模型，主要为“动荷载叠加藕台．破坏累积．重力致塌”机制及“液化”致塌机制

5、(地震塌陷)等：(4)重力加载致塌机理模璎，主要为重力剪断机制或“荷载与重力超强度致塌”致塌机理：(5)地表水致塌机理模型，主要有“散解效应”及“软化效应”。4．为了对所提出的机理进行进一步的研究及验证，论文运用三维数值模拟的方法。对静荷载F的士洞塌陷进行了专门性研究。通过研究提出了该种条件下士洞的致塌机制，并运用数值模拟的方法，对致塌过程进行了验证。研究指出：对于这种类型的致塌，岩溶致塌中的士洞可以在水面以上由地表水的F渗而产生：静力的加载不是土洞致塌的敏感因成都理1：大学丁学博士学位沦文，2002素；当

6、十洞位于地F水位以上时，地表水的卜渗导致材料的力学性质降低才是致塌的最敏感圜素。5．针对地F水位波动引发的岩溶塌陷进行了专门性研究。通过试验文章指出了岩溶屏地F水位受迫卜降至基岩面以下时的力学效应为：附加力在～定范围内，与在基岩面以上一样，等于水位下降的幅度值，并与盖层下基岩中洞穴的形态及体积无关。岩溶空洞在岩溶致塌中的主要功能在于增大了基岩的渗透性，也使土粒得到迅速搬运。文章也提出了压力释放系数的概念，指出了压力释放系数在岩溶塌陷中起着重要作用。对于岩溶区地F水位恢复中的力学效应研究中，论文通过对已有岩溶

7、气爆塌陷实例的分析，提出了气爆塌陷的三个发育阶段，分别为：第一阶段，正压形成阶段。第二阶段，十层破坏阶段。第三阶段，气压快速释放及塌陷阶段。根据岩溶空腔的发育特征，用波马气体方程式对水位恢复时气爆效应中所产生的附加力进行了描述，并提出了气爆塌陷的发育判据为：K。=(只一岛)一f一，，，h>o文章也对正乐气爆中士层的最大安全厚度进行了讨论，指出了其计算公式：。、R(％+圪一％)一％r““一——；，万～一论文通过对水位波动力学效应的研究，提出了“水动效应”的概念。并对典型概化模型的抽水致塌机理进行数值模拟的验证

8、：包括单一阻水盖层模型的抽水致塌；阻．透型盖层下的抽水致塌：单一透水型盏层下的抽水致塌。论文同时对各致塌过程中的受力特征进行了比较。6．针对列车振动引发的岩溶塌陷进行了专门研究，对野外情形下列车的振动在士层中的效应进行了实地测试。通过野外测试得到了铁路振动下的振波过程、振幅大小、频率及在土层中形成的附加力大小，同时也得出了衰减系数。提出了铁路振动的“动荷载叠加耦合．破坏累积．重力致塌”致塌机制．并用数值模拟的方法