岩溶洞穴塌陷稳定性分析模型及应用

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摘 要：岩溶塌陷的形成是多种因素共同作用的结果，具有很强的复杂性。该文利用极限平衡理论，提出合理的假设，并对岩溶洞穴的塌落体进行受力分析，确定致塌力和抗塌力，建立岩溶洞穴力学稳定性分析模型。当安全系数K时，塌落坑失稳塌陷；=1时，塌陷体处于极限平衡状态；>1时，塌落坑稳定，以此对尚未发生岩溶塌陷的洞穴进行预测、预警。

关键词：岩溶塌陷 极限平衡理论 稳定性 安全系数 塌落体

中图分类号：P642.25 文献标识码：A 文章编号：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 K1，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

在我的广西、贵州以及重庆等西南喀斯特地区，岩溶塌陷是常见的地质灾害之一。随着科学技术的发展和进步，人们对环境资源的需求面积越来越大，也更加重视对环境资源的保护和对各种地质灾害的防治。岩溶塌陷对人类生命财产安全造成极大的威胁，引起了国内外学者的高度重视。

由于地质环境的差异，岩溶塌陷的发育具有很强的复杂性。重力、渗透力、气动力、振动力等都是导致塌陷的力。为此，国内外学者做了大量的研究。康彦仁[1]等总结提出了重力致塌式、潜蚀致塌式、冲爆致塌式、真空吸蚀致塌式、振动致塌式、荷载致塌式、溶蚀致塌式、根蚀致塌式8种基本的岩溶致塌模式，其中潜蚀论和真空吸蚀论比较得到大家的认可；李前银[2]提出了“溯源潜蚀”和“土体流变”的观点；陈国亮[3]等提出导致塌陷的主要成因机理是当地下水位变动时产生的压强差效应，压强差效应并非单一的真空负压或潜蚀（管涌），既有压强差的作用，又有由此而产生的潜蚀和气蚀作用。

岩溶塌陷的形成发生，往往是多种作用的共同结果。岩溶塌陷发育的基本条件是：一定发育程度的岩溶，一定厚度的松散覆盖层和水动力条件易于发生改变的岩溶地下水系统[4]。所以为了避免或者减小岩溶塌陷灾害引起的损失，需要对还未发生塌陷的地下洞穴的覆盖层进行稳定性分析，达到对塌陷提前预测预警的目的。

1 岩溶塌陷的成因机制

1.1 岩溶塌陷的成因机制分析

按岩溶塌陷产生的根本原因是盖层的部分土体受力失稳破坏，塌陷体受到的抗塌力小于致塌力。一般条件下，致塌力包括盖层岩土体自重力、地下水的垂向渗透力、侧向渗透力、岩土体空隙中气体的正压力或负压力、振动力、大气压力；抗塌力包括岩土体的内聚力、塌陷体周边的摩阻力、地下水的浮托力等。对一个岩溶塌陷来说，因为引起塌陷的作用和所处的地质环境不同，不可能同时受到上述所有力的作用，但由于受力状态和产生的力学效应的不一样，且有不同的成因机制，形成不同的致塌模式，所以岩溶塌陷的形成是多种因素共同作用的结果，单一成因论无法解释在任何条件下所形成的岩溶塌陷[5]。

影响岩溶塌陷的因素主要有：（1）隐伏岩洞、岩溶发育的程度和深度因素。当岩溶发育的程度和深度的不同，会导致塌陷的规模也不相同。（2）地下水位降低。地下水位下降，地下水的坡降流速增大，会对岩溶洞隙通道中的上部松散充填物和覆盖层产生冲刷、潜蚀和掏空作用。（3）地下水补给。当降水或地表积水入渗补给地下水时，会对覆盖层岩土体产生静水增荷效应、垂直渗透效应、吸水软化效应和负压封闭效应等综合效应。（4）岩土性状。土层组成影响土体的渗透破坏类型，砂砾石层以潜蚀为主，黏性土以流土破坏为主。（5）地质构造。构造对岩溶发育的控制性是地质构造对岩溶塌影响的主要表现，能为岩溶地下水的活动及其对覆盖层土体的潜蚀提供较好的活动场所和储运空间。（6）人类活动。人类工程、经济活动的性质和强度对人为塌陷的规模和强度影响很大，对岩溶塌陷的过程起着诱发或加速的作用[4]。

1.2 岩溶塌陷的破坏形态

岩溶洞穴盖层发生塌陷后从外观上主要表现为直桶形、坛形和漏斗形等破坏形态，如图1所示[5]。

直桶形破坏：主要发生于塌落覆盖体构造裂隙不发育、粘性土相对完整及岩性接近、结构较紧密的砂卵砾石层中，为直桶状塌落体的整体剪切破坏。该类岩溶洞穴通常埋深较大，洞腔中透气性较差，当遇到地下水位快速下降时，在洞腔中产生真空负压，同时在覆盖层表面产生大气压差场，致使洞穴产生直桶形地表塌陷。

坛形破坏：主要发生于构造裂隙发育，粘性土风化严重，土颗粒细，压实密度不一的多层结构地层中。由于平衡拱在地下水渗流作用下发生潜蚀破坏，逐渐发展，当上覆土层的自重应力接到临界埋深时，受到周期性水位升降作用影响，薄层土体产生的自重塌陷、气爆或疲劳崩解破坏，形成坛伏形破环面。

漏斗形破坏：主要发生于岩性单一，结沟较松散的砂层，以及含卵砾石的砂层中。是一种连续性破坏所形成的剖面形态[5，6]。

2 岩溶洞穴力学稳定性分析模型

（1）塌坑形状为半径为R直桶状塌陷坑，塌落体沿铅直的破裂面发生剪切破坏，如图2所示；（2）地下水位处于基岩面以下；（3）致塌力：塌落体重力G土、降雨雨水自重荷载G雨、渗透力F渗、真空负压差P方向均垂直向下，抗塌力：侧壁摩阻力方向垂直向上；（4）按照普氏平衡拱理论，洞穴空腔形态为二次抛物线；（5）覆盖层土体均质，各向同性。

根据以往对岩溶地面塌陷的成因理论及形成条件等方面的研究[4-7]，对尚未发生塌陷的岩溶洞穴覆盖层，沿洞穴竖直中心线取半径为R的A柱状塌落体进行受力分析如图3所示。

根据极限平衡理论，土柱塌陷的极限平衡方程：

3 结论

（1）岩溶塌陷的形成受到多种致塌因子共同作用，当塌落体的致塌力超过抗塌力时，塌落体失稳破坏。由于所处的地质环境和引起塌陷的作用不同，其力学破坏面可由剖面形态分为：直桶形、坛形、漏斗形、碟形、藕节形等。

（2）利用极限平衡理论，提出合理的假设并对岩溶洞穴的塌落体进行受力分析，致塌力：塌陷土柱受土柱自重G土、降雨雨水自重荷载G雨、渗透力F渗及真空负压差P和抗塌力：侧壁摩阻力共同作用，建立岩溶洞穴力学稳定性分析模型。当安全系数时，塌落坑失稳塌陷；=1时，塌陷体处于极限平衡状态；=1时，塌落坑稳定。

（3）该文中在受力分析时未考虑基质吸力和地下水的浮托力对塌落体的影响，在后面的工作中可从该方面做进一步研究。

参考文献

[1] 康彦仁.论岩溶塌陷形成的致塌模式[J].水文地质工程地质，1992，19（4）：32-34.

[2] 李前银.再论岩溶塌陷的形成机制[J].中国地质灾害与防治学报.2009，20（3）：52-55.

[3] 陈国亮，陈裕昌，谭鸿增，等.岩溶地面塌陷机制、删及整治研究[J].地质灾害与防治，1990，1（3）：39-48.

[4] 赵博超，朱蓓王，弘元，等.浅谈岩溶塌陷的影响因素与模型研究[J].中国岩溶，2015，34（5）：515-521.

[5] 杨立中，王建秀.国外岩溶塌陷研究的发展及我国的研究现状[J].中国地质灾害与防治学报，1997（8）：6-9.

[6] 陈洪凯，梁丹，董平，等.岩溶洞穴土质盖层稳定性分析方法及应用[J].地下空间与工程学报，2016，12（2）：546-551.

[7] 高宗军.岩溶地面塌陷形成机理与成因模式研究――以山东泰安―莱芜为例[J].中国工程科学，2008，10（4）：38- 43.

[8] 王滨，贺可强，姜先桥，等.岩溶塌陷渗压效应致塌机理研究――以山东省枣庄市岩溶塌陷为例[J].中国地质灾害与防治学报，2005，16（1）：18-22.

[9] 贺可强，王滨，万继涛.枣庄岩溶塌陷形成机理与致塌模型的研究[J].岩土力学，2002（5）：564-569.