覆盖型岩溶区土洞塌陷机制及其稳定性研究

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近年来,岩溶区地面塌陷屡见不鲜,尤其是覆盖型岩溶区土洞塌陷给人民带来了巨大的经济损失。岩溶土洞塌陷灾害研究在机理和治理方面较多且趋于成熟,但其稳定性研究却严重滞后。许多学者侧重于对单一塌陷机理作出分析,而忽略了之间的相互作用;顶板稳定性研究方面也多从整体稳定性评价入手,而对局部稳定性研究较少。因此,对岩溶塌陷成因机制及稳定性研究有着非常重要的实践意义和经济意义。  本文分析并总结了岩溶塌陷的影响因素及形成机制,介绍了在岩溶塌陷方面的研究现状及其发展方向。桂林作为典型岩溶地区,其土洞、塌陷分布范围广、数量多、危害也较大。以桂林地区为例,探讨了覆盖型岩溶区土洞塌陷机制的定性分析和潜蚀发生的临界水力梯度定量计算。本文以研究土洞塌陷为基础,模拟分析土洞周围土体的受力情况,并对土洞、塌陷进行常见的灌浆处理。本文主要做了以下几方面的工作:  1.总结了岩溶地面塌陷的地质环境以及影响因素,并对土洞稳定性评价作出详细的综述。  2.地下水作为岩溶塌陷的主要动力条件,在整个土洞形成、发育乃至塌陷阶段都是最重要的影响因素。潜蚀理论、真空吸蚀理论、崩解理论、压强差理论等都与地下水有着密不可分的联系。  3.对土洞塌陷机制进行深入分析,以粉砂土颗粒为研究对象,基于流体力学原理建立模型,提出渗流潜蚀破坏时的临界水力梯度计算公式,并通过实例加以说明潜蚀发生的初始条件。  4.不同物理力学性质的土体具有不同的工程地质特性,通过粉砂土颗粒搬运能力来确定潜蚀是无粘性土层中重要的破坏形式。由于粘性土颗粒之间非常强的连结力因而较难发生潜蚀,进一步说明不同性质的土体有着不一样的破坏形式和塌陷理论。  5.探讨局部破坏形式土洞的稳定性。从弹塑性力学出发,分析土洞洞壁周围土体的应力状态,得出不同破坏型式的塌陷机理。  6.以桂林典型岩溶区土洞为研究对象,建立有限元土洞模型,进行数值模拟。土洞顶板厚度变化与应力存在一定关系,当顶板厚度增大至3.2m时的最大主应力最小为132.1kPa。土洞洞径变化与应力的关系却不明显,模拟得出土洞洞径在1m范围内,最大主应力介于132.5kPa和135.7kPa之间。  7.结合工程实例,介绍了桂林典型岩溶区常用的土洞、塌陷地基处理手段和方法。其中以灌浆法最为常用,灌浆压力一般控制在0.20~0.30MPa之间,不但满足设计要求,而且又取得了良好的经济效益。
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