岩溶塌陷的致塌机理 土洞稳定致塌机理的讨论

一般的岩溶塌陷致塌机理主要有真空吸蚀论、潜蚀论、振动论、液化论、气爆论等。而特殊的“水动力机制”观点则强调水动力条件，认为水动力条件为致塌的外因，包括地下水天然流场的变化、水位变幅、水力坡度、水流速度等一系列水力特征，这些特征的改变激化了潜蚀、吸蚀及气爆作用的进行（何宇彬，1993）。大多数研究者都认为地质体结构为内因，是岩溶致塌的必要条件。对岩溶塌陷的统一认识是，它们都由上部覆盖层（可为一元、二元、三元结构）及下部岩溶发育的岩溶块体组成。下面对主要的岩溶塌陷机理进行逐一介绍。

1.2.1.1 潜蚀成因

在覆盖岩溶区，地下水通过潜蚀、冲蚀、掏空等作用，逐渐使土体失去平衡，在水位波动过程中，加大了水力坡度从而加速了上述过程而致塌。多数的研究者持有这种观点。郭强（1989）在对贵州遵义岩溶塌陷的研究中用潜蚀的观点解释了塌陷的成因。田级生（1989，1994）通过对秦皇岛市柳江水源地地面塌陷的研究，提出渗透潜蚀-软化增荷模型，认为是潜蚀原因致塌。从建筑物修建中遇到的大量土洞出发，彭涛等（2001）认为土洞的分布主要在水位波动带，由水的下渗潜蚀而引起。根据对安徽铜官山的塌陷研究，丁月金（1997）提出，土洞在潜蚀作用下形成，同时物质被搬运，当潜蚀力大于搬运力时，土洞可处于相对稳定状态。当潜蚀力小于搬运力时，将引起迅速塌陷。另一些研究者也认为塌陷是潜蚀，搬运溶洞充填物，水力坡度的加大加快了潜蚀的速度，致使上部盖层重力大于抗力时致塌（邓学成，1996）。王学聚（1997）用潜蚀观点对山东岩溶塌陷进行了解释。马金荣等（1996）用潜蚀观点对徐州市塌陷区塌陷进行了解释。他们都认为岩溶塌陷时由于渗流、潜流产生的潜蚀淘空，形成土洞，水位的下降增强了潜蚀过程，使土洞加宽致塌。抽水致塌的问题在美国佛罗里达州被称为“塌陷落水洞”（collapse sinkhole），这类塌陷被认为是在构造带交汇处引起的塌陷，因为透过粘土层的渗水量增加，渗透水冲蚀土壤并将其带入地下空洞中，在旱季抽水引起地下水位下降时，使土层中渗透水流速加快造成砂土流失，从而引发塌陷（Ruth，B.E.，伍镇基译，1991）。这实际上也为潜蚀观点。

1.2.1.2 真空吸蚀

在相对密闭承压岩溶网络地下水中，人为抽（排）地下水，水位降低至盖层底面以下，可在岩溶空隙中形成真空吸盘吸蚀、真空腔吸蚀和旋吸漏斗吸蚀三种对盖层的破坏作用。徐卫国等曾用该观点解释了所研究的岩溶致塌现象。陈国亮曾论述过模型试验中真空吸蚀力的大小。近年来有的学者有不同看法，认为盖层下大多数的溶洞是被充填物充填的，不存在足以产生很大压强差的空腔，从而提出“溶洞充填物潜蚀流动—压差场—盖层失托增荷效应”的观点（王建秀等，2000）。刘嘉平等（1994）曾在岩溶塌陷的研究中，列举厚度为70～80m的覆盖层被剪断从而形成塌陷的实例，认为与真空吸蚀有关。

1.2.1.3 潜蚀-真空吸蚀

潜蚀-真空吸蚀指存在潜蚀、真空吸蚀两种成因的共同作用。持有这种观点的研究者认为，自然界地下水对土层的潜蚀作用十分普遍，且几乎自始至终地存在于岩溶塌陷的整个过程中。同时，真空吸蚀作用在自然界也存在，但要在一定条件下才能致塌（张伟，1996）。武昌陆家街地面塌陷被认为是潜蚀和真空作用形成的塌陷（郭殿权等，1990）。通过对贵州水城塌陷的研究，一些研究者（雷国良等，1996）认为抽水引发的塌陷经历了三个阶段：首先是潜蚀作用在土层中形成土洞（第一阶段）；然后，水位下降形成负压，使土洞垮塌，水力坡度的加大使物质被搬运，从而使土洞扩大（第二阶段）；最后，当土洞扩大到塌陷力超过极限抗塌力时发生塌陷（第三阶段）。同时认为在第二阶段，由于水位的急剧下降，真空吸蚀可加速土洞向塌陷的演化（邓自民，1991；周济祚，1992）。朱寿增等（2000）通过对桂林西城区岩溶塌陷的研究，也提出潜蚀土洞→真空吸蚀致塌的观点。曾昭华（1998）对江西地面塌陷进行研究后，也认为是潜蚀形成土洞，水位下降形成的负压及列车振动等原因（火车与汽车运行，地震等）诱发了塌陷。另一些研究者（吴春寅等，1998）通过对山东枣庄地区岩溶塌陷的研究提出潜蚀散解—真空吸蚀—失托增荷的观点，认为随地质条件、时间的不同，某种作用会上升为主要作用。王建秀等（1999）通过对铁路岩溶塌陷的研究，提出在导水盖层情况下“渗流场与应力场耦合”机制导致岩溶塌陷。

1.2.1.4 振动论与“液化论”

持有这一观点的研究者认为，对弹性介质的盖层，当地下水或气压波动与盖层固有频率一致时，将出现共振现象，这时可产生很大的破坏力。而对于松散盖层，地下水或气压的波动，可以通过“空隙内压力对盖层产生破坏”，其过程与“液化论”类似（代群力，1994）。在对桂林附近陷落地震的研究中，一些研究者曾提到在地下溶洞（或土洞）分布区发生地震时，地震波经过上覆软、硬不同性质界面多次反射，将产生卓越周期为0.18～0.23s的地震波，岩溶区地层的卓越周期为0.15～0.4s，岩溶区民房多在3层以下，固有周期为0.1～0.3s，这三者接近或相等时，由于共振会造成较高的震患（缪钟灵，1998）。冯佐海等（1999）在对桂林市柘木爆破引发的岩溶塌陷进行研究时提出振动致塌、冲爆致塌等观点。

1.2.1.5 重力成因

指当基岩以上无盖层且地下洞穴顶板很薄时，在重力作用下发生的塌陷。这类似于岩溶陷落柱式的塌陷。

1.2.1.6 其他观点

除上面提到的致塌机制外，还有失托增荷观点、地表水下渗、气爆致塌等观点。

地面塌陷发生的机理~

对于土洞位于地下水面以上时，土洞在各种概化模型下的致塌机制已在前面分析过。这类实例除贵州工学院6407号楼地下发育的土洞造成的塌陷外，还有几处类似的塌陷。王柳宁（2000）曾通过实验研究得出，含水率小于20%的粘土，崩解速率远大于含水率超过20%的粘土。这些都说明这类土洞的形成及扩展与地表水下渗的关系密切。本章要研究的塌陷不是通常所说的抽水或振动引发的塌陷，而是土洞在没有人为抽水情况下发生的塌陷。
地下水面以上的土洞塌陷中，水对其作用主要表现在两个方面。一方面是地表水的下渗对土层力学性质的软化。由于地表水的下渗，可使硬塑粘土的内聚力及内摩擦角降低，从而使其向可塑甚至流塑状态过渡，土洞因此而扩大致塌。另一方面的作用表现在地下水面的微小波动在土洞中造成的压力波动。由于水动效应，这种波动可使土洞内的土层来回受力，从而造成土洞向临空面剥落而扩大，最后致塌。对于前者，陈国亮（1994）曾描述过此类现象，如广西和池某厂，一场大雨后，在刚推平的亚沙土地基上突然产生7个塌陷。
对于此类土洞塌陷，较典型的要算是静荷载及人为开挖下的致塌。这些土洞的特点表现为隐蔽性及分布的难以预测性。塌陷通常在建筑物下端，在重力的作用下致塌。贵州工学院内的土洞塌陷，即为地表水下渗软化土层，使其强度降低，在静荷载的作用下致塌（后面将详细论述）。水对粘土的散解作用在此类塌陷中起着重要的作用，这种作用在砂粘土及粉质粘土中要比在粘性土中表现明显。
对这类塌陷的研究关键，是土层的土性特征及水面的波动与土洞内压力变化的关系，这需要通过试验来解决。包括模型试验及野外试验，陈国亮、雷明堂等在此方面做过专门的研究。对于大多数的岩溶塌陷而言，除这两种试验方法外还可以用数值试验的方法对塌陷理论进行验证，特别是三维数值模拟的方法。受软件功能的开发及推广等因素的影响，这方面的发展较慢。
数值模拟是在将研究体离散化后，对所有的离散点用相应的数学模型进行数值求解。当离散点无限多时，如果给离散点所赋予的材料及特性与实际情况相同，其结果与实际情况相符。通过改变各点的材料特性就可以实现对不同条件的模拟，从而可对问题进行研究。因此，通过数值试验的方法对塌陷进行研究应是一种可行且有前景的方法。
本章运用数值模拟的方法，对作为岩溶塌陷的典型塌陷机理模型之一的塌陷，即地表水下渗致塌进行了研究。

岩溶塌陷形成的影响因素与临界条件
答：岩溶塌陷的形成受地层岩性、岩溶发育状况和大气降水、地形地貌等条件的制约。关于岩溶塌陷产生的临界条件,国内外著述较多,观点各异。在此以枣庄市岩溶塌陷为例对岩溶塌陷形成的影响因素、临界条件等进行研究。 岩溶塌陷主要与裂隙-岩溶、覆盖层、地表水、大气降水、地形和人为开采地下水活动等因素有关(图8-1),其中发...

岩溶塌陷影响因素分析
答：但是另一方面也要看到土层厚度大,有的也会使自重力加大,因此致塌力也会大,土体破坏失稳形成内部塌陷孔洞(或土洞)可能性也会大。 2.覆盖层岩性 覆盖层土体的岩性对岩溶塌陷产生很大影响,覆盖层土体结构可由砂,砾石及黏土组成。在其他条件相同情况下,均一的砂或土较易塌陷,夹砂、土或砾石层状非均一结构则次之...

岩溶塌陷的类型及特征?
答：1.暴雨引起的塌陷:暴雨可导致土体迅速充水和地表水的强烈渗透,并在一定条件下引起岩溶地下水位的急剧上升而产生正压冲爆作用,易于产生塌陷。2.洪水引起的塌陷:在近岸地带第四系冲积层中潜水位和岩溶地下水位均随洪水位而波动,由于两者渗透性的差异,在波动过程中不但可产生有利于渗透潜蚀作用的附加水头,而且还产生正负...

遇到地面塌陷,我们该如何自救?
答：01 矿山采空区地面塌陷机理 第一阶段为掘进和回采的初期，存在冒落带、断裂带和弯曲带 ；第二阶段为地裂缝发展阶段，仅存在冒落带和断裂带；第三阶段为地面塌陷阶段，仅存在冒落带。02 岩溶地面塌陷机理 形成岩溶塌陷的原因很多，如潜蚀、真空吸蚀、振动、土体软化、建筑荷载等。因当地条件不同，产生...

为什么会地面塌陷?
答：据不完全统计,我国岩溶地面塌陷灾害较为严重的城市:辽宁的大连,河北的秦皇岛、唐山,山东的济南、泰安、淄博、枣庄,湖北的武汉、黄石、咸宁,湖南的怀化、娄底、黔城、湘潭、郴州,江苏的南京,浙江的杭州,江西的九江、宜春、上高,云南的昆明,贵州的贵阳、水城、安顺、遵义、六盘水、清镇,广西的桂林、柳州、玉林,广东的...

地表水下渗致塌机理
答：图3-7 岩溶塌陷机理模型 从以上总结中可以看出，岩溶塌陷的致塌机理可以归纳为5种模型，在每一种模型中包括了特有的塌陷成因机制。其中地下水位下降致塌机制模型、动荷载致塌模型、地表水下渗致塌机制模型是相对典型、特殊的致塌机制模型，在后面几章中将作专门性研究，并对这些典型的致塌机制，运用三维...

地面塌陷发生的机理
答：因此，岩溶矿山采空区地面塌陷的形成机理既有采空效应也有岩溶发育特点所决定的响应过程。到目前为止，有关非采空区岩溶地面塌陷形成的机理可归纳为六种。需要注意的是，这些机理是针对近地表岩溶，特别是洞穴、溶隙上部开口处被松散的第四纪堆积物覆盖的条件下而讨论的，也可以说是围绕岩溶水饱水带与...

岩溶地区特有的地质灾害有哪些?它们的主要危害是什么?
答：岩溶塌陷的危害主要有: 影响交通:岩溶塌陷对交通网络的正常运行会造成严重的影响,对公路、铁路的安全构成较大的威胁。 毁坏农田:发生于农田中的岩溶塌陷,会使作物被毁,粮食减产,给人民群众造成较大的危害;并且地面耕植土落入地下塌坑,造成了耕作面积的减少,未进行填埋或者由于塌坑规模太大而不便进行填埋的地方则无...

铁路振动的附加应力及其致塌机理分析
答：当有地下水位处于土洞以下时，对土洞的稳定更是不利。因为振动条件下岩溶水的动荡带来的“水动效应”可使土的内聚力降低。当振波到来时，微小的力可使土粒运动，从而使土洞扩大导致塌陷的发生。通过以上的分析，可知这类振动致塌过程主要有动荷载的耦合效应及土破坏累积而引起，因此可总结为“动荷载...

岩溶地面塌陷风险经济学评价
答：据调查,唐山市区共有地面塌陷26处,其中岩溶塌陷有20处、地震塌陷1处、其他塌陷5处;岩溶塌陷坑的平面形态多呈圆形、椭圆形,剖面形态则多呈筒状或坛状。塌坑的直径一般为2～8m,最大可达55m,其可见深度一般为2～6m,最深为10m;一般塌坑外围3～20m为影响带,其内多有地面变形开裂现象。区内的塌陷发生后,均进行...