土洞稳定致塌机理的讨论 水利水电工程施工掘进机开挖土洞施工中出现塌方、冒顶该如何预防...

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。

土洞按其产生的条件，常见的成因机制有哪些~

　　土洞常见的成因机制有
　　（1）地表水下渗形成的土洞 当地下水深埋于基岩面以下的岩溶发育区时，地面水通过土中裂隙、生物孔洞、石芽边缘等通道渗入地下，当入渗部位下部有岩溶通道时，借冲蚀作用，土洞将会自上而下地逐渐形成，洞体断面呈漏斗形居多；当入渗处下部岩体中无适宜消纳的通道，开始时入渗的水流逐渐布满土中空隙，继而可沿邻近基岩面上某通道流入岩体，最后到达地下水面。这一运动过程，使最初的土中网状细流汇集为集中的脉状流，流量增大，在基岩入口处流速加快，加剧对土体的冲蚀掏空，在邻近岩面通道口的上方形成土洞，其断面形态多为坛罐状，如向上发展可形成地面塌陷。
　　（2）地下水潜蚀形成的土洞 上面覆有适宜冲蚀的土体，其下有排泄储存冲蚀物的空间，地下水位频繁升降于岩土交界面附近，由于地下水潜蚀和吸蚀作用的加剧，为土洞的形成和发展创造了必要的条件。当地下水位上升至高于基岩面时，长期处于干燥状态的土体与水接触，逐渐湿化崩解，在岩土交界处形成软弱土带；当地下水位下降至低于基岩面时，使岩面上的软弱土失去了浮托力。与此同时，岩体裂隙中的地下水体，随着水位的下降而流向深处，使裂隙空间产生真空、形成负压。此外，水位波动时，水力坡度亦随之变化，水位下降，水力坡度增大。
　　土洞的形成条件土洞发育的快慢主要取决于：
　　（1）基岩面上覆土层的性质： 含碎石的砂质粉土层；
　　（2）地下水的活动强度;
　　（3）基岩面附近岩溶和裂隙发育程度：土洞可分为由地表水机械冲蚀作用形成的土洞和地下水潜蚀作用形成的土洞。

一、现象：
施工中出现塌方、冒顶。
二、主要原因：
1）未及时进行锚喷支护的洞段过长，围岩变形过大。
2）土体的软弱结构面受到开挖切割，洞周行成不稳定体，致使塌方冒顶。
3）由上面下分台阶分部开挖时，上部开挖后其一次支护的底部固定不牢，在进行下台阶开挖时，上部一次支护结构下移，使上部开挖土体支护力减小甚至丧失，产生塌方。
4）对掌子面难以保持稳定的土洞段，未进行超前支护。
5）未做好施工用水和地下水的处理。
6）已进行一次支护洞段，未及时进行变形监测。
三、 防治措施要点：
1）根据土洞断面大小、型式，土体性质和地下水情况，确定合理的分部开挖、支部程序。
2）对土质较差或受到开挖切割后易产生坍塌的土洞，应进行超前支护，并在开挖后立即支护。
3）对松散堆积层、沙层、流沙层和土质极差的土层，可通过预注水泥砂浆、化学灌浆、地面灌浆等方法先固结，再进行开挖和支护。
4）做好施工用水和地下水的处理，及时排出施工积水、降低地下水位，减少地下水对土洞施工的影响。
5）根据土洞的断面型式、尺寸、土质及地下水情况，提出一次支护洞段的限制长度及混凝土衬砌的时间。
6）加强土洞施工期的安全监测，必要时应采取加固处理措施。
7）土洞施工中出现塌方、冒顶时，除采用3.3.1条的方法进行处理外，同时应采用如下处理措施；
——地表塌坑处应及时挖排水沟，防地表水下灌；
——地表塌坑时应及时分层回填夯实，地表用土工膜或喷混凝土封闭防水。

含溶洞岩石地基稳定性分析
答：2.2.1 含溶洞岩石地基整体破坏形式的稳定性分析 假定溶洞岩石地基呈整体下塌失稳,稳定性评价计算,可按下面方法综合进行。 2.2.1.1 根据溶洞顶板坍塌自行填塞洞体所需厚度进行计算[16] 洞体顶板被裂隙切割呈块状、碎块状,顶板塌落后体积松胀,当塌落向上发展到一定高度,洞体可被松胀物自行堵塞。在没有地下水搬运的...

动荷载致塌机理模型
答：3.6.3.1 动荷载叠加耦合效应致塌机理 动荷载叠加耦合效应指由于动荷载的加入，改变了原来土层中的应力分布，造成土层内部一些地方应力降低，而一些地方应力增加，从而造成在应力增加的地方土层发生破坏而使土洞失稳致塌。在我们所研究的动力致塌中，铁路附近的塌陷机理为“动荷载叠加耦合—破坏累积—重力...

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...

岩溶区土洞地基稳定性分析
答：岩溶地基的稳定性是岩溶区工程建设的重要问题之一,它直接关系到工程建设的可行性、安全性及工程造价等。目前,对土洞地基稳定性的评价,定性评价较多,定量评价较少。定性评价主要是根据工作者的实践经验,定性分析土洞地基的土层性质与结构、地下水、岩溶发育程度等因素对土洞稳定性的影响。定量评价的方法主要有:①根据土...

研究技术路线
答：图1-1 岩溶塌陷机理及其预测评价研究技术路线 （3）在上述研究基础上，重点探讨了几种典型地质和环境条件，岩溶致塌的机理和地质力学过程，其中包括典型静荷载下土洞的稳定性问题，水位波动的力学效应及其致塌机理，铁路列车振动波型特征及其致塌的力学效应等。研究过程中，开展有关水位波动效应和列车振动...

水位下降致塌机理模型
答：水位下降致塌机理指在地下水位快速下降过程中的致塌机理。它包括人为抽水中的致塌机理、矿坑涌水引起的水位快速下降致塌机理、其他人类活动造成的地下水位快速下降致塌机理，其致塌过程基本都是一样的，因而可使之模型化成为一种类型。地下水位下降的致塌过程可以分为3种，其一是渗透力致塌；其二是负压致...

关于压力释放系数的讨论
答：通过以上的分析，可知地下水位上升是岩溶塌陷的主要致塌机理之一。其影响因素主要有盖层的密度、厚度、性质、基岩的渗透性、岩溶空洞的充填、水位降深等，但对于岩溶致塌系统中释放系数的讨论或研究，各类文献中都很少有人提及。实际上，在这个过程中气压的释放是很重要的，主要是指土洞或溶洞中形成的压差，...

长沙一小区突发塌陷,导致塌陷的原因是什么?
答：其实还包括自然灾害。地面塌陷是指地表岩石和土壤在自然或人为因素的作用下坍塌，地面形成塌陷坑(洞)的地质现象。当这种现象发生在有人类活动的地区，就有可能成为地质灾害。地面塌陷或下沉是自然条件下地面垂直变形和破坏的另一种形式。岩溶地面塌陷是指在外部动力因素作用下，溶腔中发育的覆盖可溶岩层的...

单一阻水型盖层塌陷的数值试验研究
答：250步的破坏表现为土洞的第三层单元层中的破坏有向两边移动的趋势，土洞上的第一层单元层中则表现为明显的加宽现象。500步时的破坏主要表现为上下破坏层的贯通，即土洞发生破穿而塌陷。图5-28 单一阻水盖层模型下的塌陷过程图 以上过程与前面讨论的致塌机理是吻合的。从以上现象可以看出，在单一阻水...

土洞地基稳定性计算中土体c、φ值的选用
答：这类软土往往是土洞发育的主要土层。对于软土地区的工程设计或稳定性评价,有的设计人员习惯采用固结不排水剪试验结果乘以0.7的系数(例如深基坑支护设计的土压力计算,在很多情况下计算得出的土压力比实际值小,结果造成基坑垮塌)。在这些软土地区的土洞评价,当诱发土洞塌陷的致塌作用力为机械振动(地震)、爆破时,其作用...