巖溶地面塌陷機(jī)理預(yù)測與防治PPT課件

1、巖溶地面塌陷機(jī)理預(yù)測與防治2008年2月29日，武漢市漢南區(qū)陡埠村巖溶地面塌陷塌陷坑周圍產(chǎn)生地裂縫 陷坑附近電桿歪斜、變壓器垮落、排水系統(tǒng)被破壞 2011年5月6日，武漢市洪山區(qū)紅旗村塌陷：鉆機(jī)陷入塌陷坑中 2013年12月26日，武漢市漢陽區(qū)攔江路巖溶地面塌陷：卡車和鉆機(jī)陷入塌陷坑中 2014年9月5日，武漢市江夏區(qū)法泗街巖溶地面塌陷 塌陷坑周圍居民房屋受損，右邊房屋已垮塌 左側(cè)植物顯露，右側(cè)破損房屋已消失，塌陷坑中已經(jīng)積水，顯示塌陷正在進(jìn)一步發(fā)展 2016年2月25日，武漢市江夏區(qū)大橋新區(qū)紅旗村東方明滸，發(fā)育在混凝土路面下方的巖溶地面塌陷坑 2015年2月10日，武漢地鐵3號線江岸區(qū)香港路

2、站惠濟(jì)二路站區(qū)間非可溶巖區(qū)，由盾構(gòu)施工導(dǎo)致了地面塌陷，說明巖溶不是導(dǎo)致地面塌陷唯一條件 報(bào)告內(nèi)容 1、巖溶地面塌陷機(jī)理 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估 4、巖溶地面塌陷防治 5、巖溶地面塌陷應(yīng)急措施 3、巖溶地面塌陷監(jiān)測布置原則 明確兩個(gè)概念巖 溶 塌 陷：巖溶地面塌陷：可溶巖中溶洞頂板的坍塌，是一種地質(zhì)作用過程，更多地為自然現(xiàn)象強(qiáng)調(diào)可溶巖及巖溶本身指巖石坍塌指由巖溶（或土洞）提供地下空間導(dǎo)致的可溶巖上方土體破壞而引起地面變形，與人類活動關(guān)系密切強(qiáng)調(diào)巖溶/土洞提供條件指土體破壞這里后者，即“巖溶地面塌陷” 1、巖溶地面塌陷機(jī)理 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋 1.1.1 巴普洛夫

3、與潛蝕論 1.1.2 徐衛(wèi)國等與真空吸蝕論 1.1.3 康彥仁與致塌模式 1.1.4 陳國亮與塌陷效應(yīng) 1.1.5 范士凱大師之機(jī)理 1.1.6 其他塌陷機(jī)理 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.1 巴普洛夫與潛蝕論據(jù)文獻(xiàn)記載， “潛蝕論”最早是由原蘇聯(lián)科學(xué)院院士巴浦洛夫于1898年提出來的，其核心內(nèi)涵為：巖溶地面塌陷是由地下水的潛蝕作用形成的，通常采用回填法進(jìn)行治理。該觀點(diǎn)與地下水緊密聯(lián)系，可將之通俗地簡稱為“水成論” 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.1 巴普洛夫與潛蝕論潛蝕作用概念：潛蝕作用類型：指是地下水對巖、土體產(chǎn)生的各種形式侵蝕作用的總稱。

4、目前，在地質(zhì)學(xué)、地貌學(xué)、氣候?qū)W、地理學(xué)、水土保持、工程地質(zhì)以及巖土工程等領(lǐng)域，不同的學(xué)者出于各自的研究目的，采取不盡相同的研究方法和手段，不同程度地研究了潛蝕作用現(xiàn)象，其內(nèi)涵和外延不盡相同。2010年，李喜安等對該概念進(jìn)行了梳理，提出如下概念，本人贊同該觀點(diǎn) 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.1 巴普洛夫與潛蝕論滲流潛蝕作用：滲流是流體在多孔介質(zhì)中的流動。滲流潛蝕作用是指地下水在滲流過程中對土顆粒所產(chǎn)生的“拖拽力”而導(dǎo)致土體發(fā)生內(nèi)部破壞或滲流出口處土體局部破壞作用。受邊界條件及作用力等的控制，滲流存在各種不同滲流方向。地下徑流在徑流通道中沖刷作用下形成的侵蝕稱作地下沖蝕或

5、地下沖刷侵蝕，包括地下水位在土/巖界面處頻繁波動對巖面附近土體產(chǎn)生脹縮崩解作用等，這里將之稱為沖刷潛蝕作用。沖刷潛蝕作用： 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.1 巴普洛夫與潛蝕論一、粘性土的潛蝕作用1）地下水在管道中流動時(shí)對土體產(chǎn)生沖蝕、掏蝕等作用，使 得地下通道和空洞不斷擴(kuò)大沖刷潛蝕作用。典型實(shí)例： 在山前帶，老黏性土與可溶巖界面附近地下水的頻繁活動（順土/巖結(jié)合面的流動及結(jié)合面處地下水位的波動）形成較多的土洞。2）地下水位頻繁漲落導(dǎo)致土體干縮濕脹作用將土顆粒與原始土體分 離，使得頂板厚度減薄沖刷潛蝕作用。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.1 巴

6、普洛夫與潛蝕論一、粘性土的潛蝕作用典型模式：3）在發(fā)育土洞的黏性土層中，洞周土體中的地下水在重力（和 真空負(fù)壓）作用下在非飽和土將會產(chǎn)生滲流。其中，重力產(chǎn) 生的滲流作用方向向下，速度較小；真空負(fù)壓將會在很短的 時(shí)間內(nèi)，使得洞周土體孔隙中的自由水和空氣，垂直于洞 壁，快速向負(fù)壓中心（土洞）滲流非飽和土的滲流潛蝕作用 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.1 巴普洛夫與潛蝕論一、粘性土的潛蝕作用 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.1 巴普洛夫與潛蝕論一、粘性土的潛蝕作用4）地下水對土體中的可溶性礦物如方解石等產(chǎn)生溶解作用，即 發(fā)生化學(xué)潛蝕作用，將改變土體結(jié)構(gòu)

7、，使土體變得疏松，導(dǎo) 致其更容易發(fā)生地面塌陷化學(xué)潛蝕作用。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.1 巴普洛夫與潛蝕論一、粘性土的潛蝕作用 黏性土中的潛蝕作用導(dǎo)致土洞的形成與演化，即導(dǎo)致局部土體發(fā)生流土破壞，擴(kuò)大土洞，減小土洞頂板厚度，致使土洞向上方遷移。不直接導(dǎo)致巖溶地面塌陷。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.1 巴普洛夫與潛蝕論二、砂性土的潛蝕作用 以砂性土為代表的無（少）黏性土層一般含有較豐富的地下水，并且在水頭作用下常能形成穩(wěn)定的滲流場。地下水向巖溶孔隙和空腔中滲流將使土顆粒遭受滲透壓力作用，使土體內(nèi)部或滲流出露處局部土顆粒發(fā)生變位，即產(chǎn)生滲流

8、破壞，形成水砂流體，從而導(dǎo)致沙漏型巖溶地面塌陷。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.1 巴普洛夫與潛蝕論二、砂性土的潛蝕作用 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.1 巴普洛夫與潛蝕論三、軟弱土的潛蝕作用 軟弱土呈軟塑流塑狀，抗剪強(qiáng)度的C和值都很低，滲透系數(shù)很小，呈弱微弱透水性，因而其中地下水的滲流速度低，土顆粒所受的滲透壓力非常小。受外界誘因影響后，其重力（和真空負(fù)壓力）將先于滲透壓力發(fā)生作用而使軟弱土向巖溶孔隙和/或溶洞中發(fā)生流動，故軟弱土層很少或不會發(fā)生潛蝕作用導(dǎo)致的巖溶地面塌陷。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.2 徐衛(wèi)國

9、等與真空吸蝕論該觀點(diǎn)與地下水緊密聯(lián)系，可將之通俗地簡稱為“氣成論”“真空吸蝕論”最早是我國學(xué)者徐衛(wèi)國等于1970年代后期提出，經(jīng)十余年的時(shí)間逐步完善形成，通常采用回填法進(jìn)行治理。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.2 徐衛(wèi)國等與真空吸蝕論徐衛(wèi)國認(rèn)為：傳統(tǒng)的“潛蝕論”對于覆蓋層本身是含水層的河谷條件是成立的。對于絕大多數(shù)塌陷之基巖的洞口或裂隙口，在天然條件下被隔水性能良好的殘積土或黏土夾礫石（碎石）層覆蓋或頂部被充填的情形，一般不具備潛蝕形成塌陷的基本條件。徐衛(wèi)國認(rèn)為：用土回填夯實(shí)后的塌陷坑，不久又復(fù)活和發(fā)展。某些礦區(qū)改用混凝土澆筑密封灰?guī)r洞口，甚至有的還采用鋼板或鋼筋混凝

10、土板密封塌陷，花費(fèi)大量人力物力，結(jié)果有些仍無濟(jì)于事。由此，徐衛(wèi)國認(rèn)為：“地面變形成因并非地下水潛蝕作用所致，回填法也不能從根本上治理地面變形，必須重新探討地面變形的成因及其有效的防治方法”（徐衛(wèi)國等，1979）。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.2 徐衛(wèi)國等與真空吸蝕論一、真空吸蝕論的概念有三個(gè)涵義（1）“真空”泛指低于外界大氣壓的稀薄氣體狀態(tài)，用“真空度”來描述。根據(jù)真空度的大小，真空被劃分為粗真空、低真空、高真空、超高真空和極高真空5級。真空成因地下水位下降（2）“吸”是對邊界產(chǎn)生一種強(qiáng)大的吸引力，是“真空壓差”對邊界物質(zhì)進(jìn)行的內(nèi)吸外壓的物理效應(yīng)。真空負(fù)壓（3）“蝕

11、”是真空對巖溶空腔邊界物質(zhì)產(chǎn)生微觀的內(nèi)掏擴(kuò)容和宏觀的外壓變形，亦即產(chǎn)生機(jī)械破壞作用。真空吸蝕作用致塌機(jī)理各種力的作用分析模式（徐衛(wèi)國等，1988） 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.2 徐衛(wèi)國等與真空吸蝕論二、真空吸蝕形成的基本條件4個(gè)條件（1）巖溶網(wǎng)絡(luò)條件（2）巖溶蓋層條件（3）巖溶網(wǎng)絡(luò)地下水條件（4）構(gòu)造與巖溶網(wǎng)絡(luò)緊密聯(lián)系條件 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.2 徐衛(wèi)國等與真空吸蝕論三、真空吸蝕的破壞方式3個(gè)1）初始真空吸盤吸蝕作用2）真空腔吸蝕作用3）旋吸漏斗吸蝕作用 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.3 康彥仁與致塌模

12、式1980年代，康彥仁在大量巖溶地面塌陷實(shí)地調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，全面研究了我國巖溶地面塌陷的特點(diǎn)后，按塌陷產(chǎn)生的主導(dǎo)因素，把巖溶地面塌陷分為2個(gè)大類、7個(gè)亞類、8種基本類型（康彥仁，1984）康彥仁認(rèn)為，各種外部因素產(chǎn)生的致塌力，可以形成重力、滲流潛蝕、失托增荷、真空吸蝕、水氣沖（氣）爆、水擊、振動破裂、振動液化、荷載、水位波動解散、溶蝕、根蝕等12種致塌效應(yīng)?？祻┤手赋觯簬r溶塌陷的形成是多機(jī)制的，單一成因理論如潛蝕論、液化論、真空吸蝕論等只能解釋某些特定條件下所形成塌陷。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.3 康彥仁與致塌模式一、重力致塌式二、潛蝕致塌式三、真空吸蝕致塌式

13、四、沖（氣）爆致塌式五、震（振）動致塌式六、荷載致塌式七、溶蝕致塌式八、根蝕致塌式一、重力致塌式二、潛蝕致塌式 由于巖、土體本身重力作用產(chǎn)生的重力效應(yīng)使其破壞，逐層剝落或整體下陷的過程和現(xiàn)象稱為重力致塌模式 覆蓋型巖溶地區(qū)的土層，在地下水的滲流作用下，當(dāng)其獲得的實(shí)際水頭值（滲透壓力）或水力坡度足夠大，使土層產(chǎn)生機(jī)械潛蝕（管涌）或流土等潛蝕作用，引起土層破壞、形成土洞而導(dǎo)致塌陷的過程和現(xiàn)象稱潛蝕致塌模式 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.3 康彥仁與致塌模式三、真空致塌式四、沖（氣）爆致塌式 在封閉較好的巖溶空腔中，由于地下水的重力作用、過水?dāng)嗝嬗烧儗挼母淖兒透咚偎鞯奈?/p>

14、氣作用等形成的真空負(fù)壓力對土體的吸蝕破壞作用和現(xiàn)象稱為真空吸蝕致塌式。 儲集于溶洞、管道及土洞中的高壓氣團(tuán)和高承壓水頭引起的破壞作用和現(xiàn)象稱為沖（氣）爆爆致塌式。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.3 康彥仁與致塌模式五、振動致塌式六、荷載致塌式 當(dāng)?shù)卣稹⒈苹驒C(jī)械車輛震（振）動時(shí)，由于各種振動波作用，在巖、土體中產(chǎn)生破裂位移、壓密下沉、振動液化、塑流變形等導(dǎo)致的塌陷稱為振動致塌式。 由于溶洞（土洞）上部荷載增加，產(chǎn)生的附加應(yīng)力超過了溶洞（土洞）頂板的允許強(qiáng)度時(shí)導(dǎo)致的塌陷叫荷載致塌式。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.3 康彥仁與致塌模式七、溶蝕致

15、塌式八、根蝕致塌式 在可溶鹽成分含量較高的土層中或一些蒸發(fā)巖地區(qū)，因地下水（包括排放的酸堿廢液）的溶蝕分解作用，使地下溶洞擴(kuò)大或解散土體，造成巖、土體破壞，最后在巖、土體自重作用下導(dǎo)致的塌陷叫溶蝕致塌式。 在巖溶洼地、谷地中，或中小型水庫區(qū)，樹木根莖埋伏地下，當(dāng)它腐爛分解形成空洞，導(dǎo)致滲流潛蝕效應(yīng)或荷載效應(yīng)產(chǎn)生，使土層向巖溶空間漏失而引起塌陷的過程稱根蝕致塌式。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.3 康彥仁與致塌模式致塌模式重力致塌潛蝕致塌真空吸蝕致塌沖(氣)爆致塌振動致塌荷載致塌溶蝕致塌根蝕致塌主要誘發(fā)原因積水、干旱表(污)水下滲抽水、礦坑排水、積水、表(污)水下滲坑道

16、排(突)水、水庫放(漏)水暴雨、洪水、水庫蓄水地震、爆破、機(jī)械振動工程荷載、水庫蓄水表(污)水下滲、易溶鹽溶蝕根莖腐爛受力情況致塌力自重力自重力滲透壓力自重力，吸蝕力，擴(kuò)容力氣壓力，向上水壓力自重力振動力自重力荷載力自重力滲透壓力自重力滲透壓力抗塌力抗剪力抗剪力抗剪力自重力抗剪力抗剪力抗剪力抗剪力抗剪力各致塌模式的誘發(fā)因素與受力（康彥仁，1989） 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.3 康彥仁與致塌模式 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.4 陳國亮與塌陷效應(yīng)1994年，陳國亮在其專著巖溶地面塌陷的成因與防治第四章第三節(jié)中，總結(jié)提出了如下11種塌陷機(jī)制

17、： 潛蝕效應(yīng)； 真空吸蝕效應(yīng)； 壓強(qiáng)差效應(yīng)； 垂直滲壓效應(yīng)； 自重效應(yīng)； 浮力效應(yīng)； 土體強(qiáng)度效應(yīng)； 沖（氣）爆效應(yīng)； 振動致塌效應(yīng)； 荷載效應(yīng)； 酸液效應(yīng)與康彥仁1989年提出的12種致塌效應(yīng)相比，除缺少壓強(qiáng)差效應(yīng)、浮力效應(yīng)和土體強(qiáng)度效應(yīng)等三種塌陷效應(yīng)外，其他效應(yīng)的涵義基本一致。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.4 陳國亮與塌陷效應(yīng)、壓強(qiáng)差效應(yīng) 壓強(qiáng)差效應(yīng)是原鐵道部第二勘測設(shè)計(jì)院在模型試驗(yàn)和多種現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1988年提出的。 壓強(qiáng)差是指巖溶空腔與松散介質(zhì)（或土洞）接觸面上下側(cè)水、氣流體，因巖溶管道水位變化而產(chǎn)生壓強(qiáng)差值。 當(dāng)?shù)叵滤蛔儎訒r(shí)，由于水體壓力和氣體壓力

18、即液壓、氣壓的迅速傳遞，壓強(qiáng)差產(chǎn)生的效應(yīng)可在較短的時(shí)間內(nèi)波及到有水位變動的范圍內(nèi)，產(chǎn)生眾多的幾乎是同步的塌陷。這一現(xiàn)象是單一的潛蝕和真空吸蝕難以解釋的。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.4 陳國亮與塌陷效應(yīng)、浮力效應(yīng) 土體位于地下水位之下便受到靜水浮力作用。當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，除產(chǎn)生壓強(qiáng)差效應(yīng)外，土體的浮托力也隨之減少，土體自重力加大。浮力減小對不同的蓋層厚度，同一水位降深所減小的絕對浮力值相同，但影響隨土層厚度大小有別。厚度大者影響小，厚度小者影響大。土體吸水飽和后，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，土體抗塌力減小。、土體強(qiáng)度效應(yīng)巖溶地面塌陷的成因、機(jī)制關(guān)系（陳國亮，1994）定義

19、基本條件影響因素成因機(jī)制結(jié)果開口巖溶洞隙與上覆土層(少數(shù)松軟巖層)中的水、氣對蓋層發(fā)生的力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的地面陷落水(塌陷動力)水位，升降速度，水力梯度，滲入量，降雨地下水位下降(抽水、排水)壓強(qiáng)差(含水、氣蝕)、自重力、浮托力減小致塌力大于抗塌力時(shí)發(fā)生地面塌陷地下水位上升壓強(qiáng)差雨水入滲垂直滲透力、抗剪強(qiáng)度低、自重力蓋層(塌陷物質(zhì))含水量，厚度，力學(xué)性質(zhì)，結(jié)構(gòu)(一元、多元)開口巖溶(儲運(yùn)條件)巖溶發(fā)育程度，洞穴大小與埋深，水力聯(lián)系，充填情況其他因素：地貌，地質(zhì)構(gòu)造，抽水井結(jié)構(gòu)振動土液化或觸變、沖擊力外荷受力破壞 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.4 陳國亮與塌陷效應(yīng) 1、巖溶

20、地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.5 范士凱大師之塌陷機(jī)理 近30年來，范士凱大師在對湖北、湖南、廣西、廣東等地的巖溶地面塌陷進(jìn)行調(diào)查、防治的過程中，認(rèn)為巖溶地面塌陷機(jī)理基本類型有3種，即“潛蝕土洞冒落機(jī)理”、滲流破壞流土漏失機(jī)理”和“真空吸蝕機(jī)理”。 認(rèn)為：這三種機(jī)理及其相應(yīng)塌陷類型都存在，不同地質(zhì)條件下的塌陷符合不同機(jī)理（范士凱，2017）。一、潛蝕土洞冒落機(jī)理 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.5 范士凱大師之塌陷機(jī)理a.基巖淺埋，在溶溝中形成潛蝕土洞。土洞逐漸擴(kuò)展至頂板失穩(wěn)，導(dǎo)致塌陷；b.深溶槽，下部軟塑流塑狀紅黏土逐漸漏失形成土洞，頂板失穩(wěn)導(dǎo)致塌陷

21、；軟塑流塑狀紅黏土瞬間失穩(wěn)，產(chǎn)生負(fù)壓導(dǎo)致厚層頂板塌陷。二、滲流破壞流土漏失機(jī)理 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.5 范士凱大師之塌陷機(jī)理三、真空吸蝕機(jī)理 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.5 范士凱大師之塌陷機(jī)理a.真空吸蝕，沙漏塌陷；b.真空吸蝕，土洞塌陷 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.6 其他塌陷機(jī)理一、共振論 代群力于1991年提出，認(rèn)為地下水位下降時(shí)，水面不僅僅在下降，而且還在不斷地波動。 地下水面沒有脫離蓋層時(shí)，水面的波動只直接作用于蓋層。地下水面脫離蓋層后，水面的波動則通過氣壓傳遞而作用于蓋層。 當(dāng)水位波動與上

22、覆蓋層固有頻率一致時(shí)，就可能與蓋層形成共振，引發(fā)塌陷。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.6 其他塌陷機(jī)理二、機(jī)械貫穿機(jī)理 鄭小戰(zhàn)于2009年提出，指基礎(chǔ)或勘探工程施工過程中破壞地下洞穴的隔水頂板，使第四系孔隙潛水和基巖裂隙巖溶水產(chǎn)生水力聯(lián)系，上層水涌入溶洞，同時(shí)攜帶蓋層松散砂土層涌入溶洞或土洞，從而導(dǎo)致地面塌陷 。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.6 其他塌陷機(jī)理三、脹縮崩解效應(yīng) 肖明貴（2005）在其博士論文中提出，紅黏土具有膨脹和收縮的特性，而且收縮性大于膨脹性，土體遇水膨脹，失水收縮開裂。雨季時(shí)，地表水沿裂縫迅速下滲，土體遇水膨脹并迅速崩解

23、，使土洞迅速擴(kuò)展，直至塌陷產(chǎn)生。 蘇陽等（2007）在論述桂林市巖溶土洞塌陷形成機(jī)制時(shí)提到了崩解作用。崩解系指黏性土由于浸水而發(fā)生離析、解體的現(xiàn)象。 由上述可見：巖溶地面塌陷成因解釋觀點(diǎn)很多，更多的專家、學(xué)者贊成或其中一個(gè)或多個(gè)觀點(diǎn)，或運(yùn)用其解釋和解決某個(gè)具體的巖溶地面塌陷問題 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.7 既有塌陷機(jī)理的基本特點(diǎn)既有塌陷機(jī)理很多，沒有收斂跡象文獻(xiàn)顯示，除了巴普洛夫和徐衛(wèi)國等分別提出的地面塌陷“潛蝕論”和“真空吸蝕論”外，康彥仁等另外提出了6種致塌模式（即機(jī)理），之后陳國亮又在康彥仁等的基礎(chǔ)上新增了

24、3個(gè)力學(xué)效應(yīng)；此外還有鄭小站、代群力、肖明貴分別提出的機(jī)械貫穿致塌機(jī)理、共振機(jī)理、脹縮崩解效應(yīng)等。凡此種種，目前已達(dá)10余種，甚至還有新的機(jī)理被不斷提出，以致塌陷機(jī)理的數(shù)量呈發(fā)散趨勢，沒有收斂的跡象。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.7 既有塌陷機(jī)理的基本特點(diǎn)有這么復(fù)雜嗎？“大道至簡”的道理在哪兒呢？幾年來，一直在思索： 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.1 巖溶地面塌陷成因解釋1.1.7 既有塌陷機(jī)理的基本特點(diǎn)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：既有塌陷機(jī)理強(qiáng)調(diào)了成因和結(jié)果，即關(guān)注了塌陷時(shí)的作用力及產(chǎn)生作用力的誘發(fā)因素，并沒有關(guān)注土體的塌陷過程以及土顆粒的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)特征其關(guān)系式是：誘 因作用力塌 陷塌

25、 陷關(guān)注關(guān)注關(guān)注塌了如何塌？沒有回答！致塌模式重力致塌潛蝕致塌真空吸蝕致塌沖(氣)爆致塌振動致塌荷載致塌溶蝕致塌根蝕致塌主要誘發(fā)原因積水、干旱表(污)水下滲抽水、礦坑排水、積水、表(污)水下滲坑道排(突)水、水庫放(漏)水暴雨、洪水、水庫蓄水地震、爆破、機(jī)械振動工程荷載、水庫蓄水表(污)水下滲、易溶鹽溶蝕根莖腐爛受力情況致塌力自重力自重力滲透壓力自重力，吸蝕力，擴(kuò)容力氣壓力，向上水壓力自重力振動力自重力荷載力自重力滲透壓力自重力滲透壓力抗塌力抗剪力抗剪力抗剪力自重力抗剪力抗剪力抗剪力抗剪力抗剪力各致塌模式的誘發(fā)因素與受力（康彥仁，1989） 例 一：結(jié)論是：致塌，沒有回答如何塌巖溶地面塌陷的成

26、因、機(jī)制關(guān)系（陳國亮，1994）定義基本條件影響因素成因機(jī)制結(jié)果開口巖溶洞隙與上覆土層(少數(shù)松軟巖層)中的水、氣對蓋層發(fā)生的力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的地面陷落水(塌陷動力)水位，升降速度，水力梯度，滲入量，降雨地下水位下降(抽水、排水)壓強(qiáng)差(含水、氣蝕)、自重力、浮托力減小致塌力大于抗塌力時(shí)發(fā)生地面塌陷地下水位上升壓強(qiáng)差雨水入滲垂直滲透力、抗剪強(qiáng)度低、自重力蓋層(塌陷物質(zhì))含水量，厚度，力學(xué)性質(zhì)，結(jié)構(gòu)(一元、多元)開口巖溶(儲運(yùn)條件)巖溶發(fā)育程度，洞穴大小與埋深，水力聯(lián)系，充填情況其他因素：地貌，地質(zhì)構(gòu)造，抽水井結(jié)構(gòu)振動土液化或觸變、沖擊力外荷受力破壞例 二：結(jié)論是：土體塌陷，同樣沒有回答如何塌現(xiàn)代漢語

27、詞典（第五版）（商務(wù)印書館，2007）對“機(jī)理”的解釋為： 機(jī)理也稱機(jī)制，泛指一個(gè)工作系統(tǒng)的組織或部分之間相互作用的過程和方式 如果我們把可溶鹽和上覆蓋層構(gòu)成的系統(tǒng)看作一個(gè)工作系統(tǒng)，那么，“巖溶地面塌陷機(jī)理”即是指這個(gè)“工作系統(tǒng)”的各部分之間相互作用的過程和方式，而不涉及誘發(fā)因素和作用力。 既有塌陷觀點(diǎn)只是研究了誘因及其產(chǎn)生的作用力，沒有回答土體受力后如何“塌”的問題，即沒有研究內(nèi)部相互作用過程和方式。因此，既有塌陷觀點(diǎn)只能稱為塌陷的“成因解釋”，還稱不上“機(jī)理”！ 要回答如何塌的問題，即解決塌陷機(jī)理問題，必須關(guān)注塌陷過程，研究土體塌陷時(shí)土顆粒受力后如何運(yùn)動，即土顆粒的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)特征！ 1、巖

28、溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論該觀點(diǎn)與塌陷土體緊密聯(lián)系，可將之通俗地簡稱為“固體論”有鑒于此，提出了由“土洞型塌陷機(jī)理”、“沙漏型塌陷機(jī)理”和“泥流型塌陷機(jī)理”組成的巖溶地面塌陷新認(rèn)識三機(jī)理理論 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.1 土顆粒響應(yīng)類型（1）塊體運(yùn)動型黏性土 粘性土主要由粒徑小于0.005mm的黏粒和膠粒組成，土顆粒之間具有較大的凝聚力，在凝聚力的作用下，微小的黏土顆粒組成“黏粒團(tuán)” 受到外力作用時(shí)，“黏粒團(tuán)”與母體脫離，“黏粒團(tuán)”整體發(fā)生塊體運(yùn)動，其內(nèi)部黏土顆粒在宏觀上不發(fā)生相對運(yùn)動?？梢孕蜗蟮孛枋鲞@種響應(yīng)類型的土顆粒運(yùn)動是“一塊一塊的”。

29、可以形象地描述這種響應(yīng)類型的土顆粒運(yùn)動是：“一塊一塊的”。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.1 土顆粒響應(yīng)類型（2）顆粒運(yùn)動型砂性土砂性土主要由粒徑大于0.005mm的粉粒及以上粒徑的土顆粒組成，土顆粒只受彼此之間的壓力和摩擦力作用，沒有凝聚力；土體總體呈散體結(jié)構(gòu)受到重力和滲透壓力等作用后，土顆粒既可以發(fā)生同向整體運(yùn)動，也可以是單個(gè)土顆粒發(fā)生相對運(yùn)動；各個(gè)土顆粒的相對運(yùn)動速度可以相同，也可以不同。可以形象地描述這種響應(yīng)類型的土顆粒運(yùn)動是：“一顆一顆的”。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.1 土顆粒響應(yīng)類型（3）塑性流動型軟弱土軟弱土的物質(zhì)成分

30、和顆粒成分與塊體運(yùn)動型基本一致，呈軟塑流塑狀態(tài)，土顆粒之間的作用力以凝聚力為主，土顆粒之間的摩擦力很小，土體部分或全部具備了流體的性質(zhì)。受到外力作用時(shí)，相鄰?fù)令w粒之間相互作用，運(yùn)動方向和速率近于相同，在宏觀上表現(xiàn)為塑性流動。 可以形象地描述這種響應(yīng)類型的土顆粒運(yùn)動是：“一股一股的”。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.2 土洞型塌陷機(jī)理概念：黏性土和密實(shí)砂性土層中、由于土洞頂板垮塌而產(chǎn)生的地面塌陷現(xiàn)象稱為土洞型塌陷 基本特點(diǎn)是：“黏粒團(tuán)”整體運(yùn)動，土洞頂板垮塌 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.2 土洞型塌陷機(jī)理特點(diǎn)：具有“三性” 土洞往往與巖溶

31、關(guān)系密切；巖溶孔隙和溶洞的發(fā)育位置和規(guī)模等具有隨機(jī)性，因而土洞的空間位置也具有隨機(jī)性； 天然土洞的形成與演化過程中地面一般是穩(wěn)定的，往往不為人們所發(fā)現(xiàn)，具有很大的隱蔽性； 土洞拱效應(yīng)失效時(shí)塌陷突然發(fā)生，具有突發(fā)性。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.2 土洞型塌陷機(jī)理一、土洞型機(jī)理塌陷過程：土洞的形成與演化階段，時(shí)間長地面塌陷階段，瞬間二、土洞形成和演化的作用力 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.2 土洞型塌陷機(jī)理地下水活動過程中的滲流潛蝕、沖刷潛蝕和化學(xué)潛蝕作用是土洞形成、擴(kuò)展和遷移的動力三、土洞的成因類型： 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地

32、面塌陷三機(jī)理理論1.2.2 土洞型塌陷機(jī)理 沖刷潛蝕土洞 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.2 土洞型塌陷機(jī)理三、土洞的成因類型： 沙漏土洞 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.2 土洞型塌陷機(jī)理三、土洞的成因類型： 泥流土洞四、土洞頂板弱化方式 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.2 土洞型塌陷機(jī)理 強(qiáng)度降低：當(dāng)土洞頂板中有地表水入滲時(shí)，頂板土體含水量增大，土的抗剪強(qiáng)度將大幅降低。 厚度減薄：土洞上方基坑開挖和土洞內(nèi)部頂板坍塌都會使土洞頂板變薄。 結(jié)構(gòu)破壞：化學(xué)作用可以改造土體的原生結(jié)構(gòu)。地表水下滲過程中對土洞頂板的侵蝕、可

33、溶礦物溶解等改變了土體結(jié)構(gòu)；動物洞穴、植物根系腐爛以及機(jī)械貫穿等破壞了土體的既有完整性。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.3 沙漏型塌陷機(jī)理沙漏模型：沙鐘（1）構(gòu)造特點(diǎn)：上、下球之間有連通管道，且下球體積足夠大，足以容納上球中的沙子；玻璃球中沙體是松散的，每一沙顆?？梢宰杂陕┦?；即沙子的凝聚力C=0。沙漏模型特點(diǎn)：（2）工作特點(diǎn)：每一次漏沙計(jì)時(shí)過程中，首先是漏失通道附近沙顆粒進(jìn)入通道，其次是緊鄰其上的沙顆粒向下移動；這一現(xiàn)象逐漸向上傳遞，最終導(dǎo)致沙體上表面中心部位形成較小的凹坑，然后由中心向四周逐漸擴(kuò)大。這是一個(gè)連續(xù)的過程，整個(gè)過程中未發(fā)現(xiàn)天然拱現(xiàn)象，即沒有形成土洞。

34、（4）作用力特點(diǎn)：沙漏的作用力是重力。重力是沙子漏失的核心作用力；全程沒有水參與，沒有水提供作用力，說明水不是沙子漏失的必要條件；沙體表面上的荷載對沙體的漏失基本不起作用，即沙體表面靜荷載跟沙漏是否發(fā)生無關(guān)。（3）外界觸發(fā)：一次計(jì)時(shí)完成后，漏沙現(xiàn)象即終止，新形成的沙體穩(wěn)定；如果不翻轉(zhuǎn)沙鐘，則不會再次自行發(fā)生漏沙計(jì)時(shí)，即需要外界觸發(fā)才能發(fā)生漏沙現(xiàn)象。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.3 沙漏型塌陷機(jī)理砂顆粒和地下水一起，一顆一顆地漏失到下方的溶洞或巖溶通道中 重力是沙漏產(chǎn)生的必要條件，沒有地下水的作用沙漏型塌陷照樣會發(fā)生；地下水的參與加快了塌陷速度，縮短了塌陷時(shí)間；沙漏

35、型塌陷基本特點(diǎn)： 沙漏型塌陷需要有砂顆粒漏失通道和儲存空間，這是發(fā)生塌陷的另一必要條件，否則塌陷不會發(fā)生； 發(fā)生沙漏型地面塌陷需要有外部因素誘發(fā)； 塌陷過程是一連續(xù)的過程，直至一次塌陷條件喪失。 沙漏型塌陷是砂顆粒漏失造成的，塌陷過程中不會形成土洞，因而沙漏型塌陷不是由于拱效應(yīng)失效造成的； 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.4 泥流型塌陷機(jī)理軟弱土體含水率高、孔隙比大、干密度低，呈軟塑流塑狀，具低抗剪強(qiáng)度，因而具有較強(qiáng)的觸變性及流變性。在上部為軟弱土體、下部為可溶巖地區(qū)，受外界因素誘發(fā)后，下方可溶巖中的溶蝕裂隙、巖溶漏斗等通暢時(shí)，軟弱土體可沿通道發(fā)生流動變形，并逐漸在地

36、面產(chǎn)生變形效應(yīng)。隨著軟弱土體變形量的不斷增大，在地面形成宏觀塌陷坑這種由軟弱土體流失而導(dǎo)致的地面塌陷稱為泥流型地面塌陷。 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.4 泥流型塌陷機(jī)理 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論1.2.5 “三機(jī)理理論”與既有成因解釋觀點(diǎn)的關(guān)系“三機(jī)理理論”可以解釋現(xiàn)有各成因觀點(diǎn)，因?yàn)樗鼘ⅰ罢T因”、“作用力”和“土體變形”相區(qū)分，而重點(diǎn)關(guān)注了土體破壞時(shí)土顆粒的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)特征！ 1、巖溶地面塌陷機(jī)理1.2 巖溶地面塌陷三機(jī)理理論“三機(jī)理理論”總結(jié)：由土洞型塌陷、沙漏型塌陷和泥流型塌陷機(jī)理共同構(gòu)成巖溶地面塌陷“三機(jī)理理論”土洞型塌陷機(jī)理：土洞

37、頂板坍塌沙漏型塌陷機(jī)理：砂顆粒漏失泥流型塌陷機(jī)理：軟弱土流失這就是“大道至簡” 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估巖溶地面塌陷預(yù)測就是根據(jù)巖溶地區(qū)的工程與水文地質(zhì)條件，結(jié)合外部可能的影響因素，采用適當(dāng)?shù)念A(yù)測方法，判斷可溶巖區(qū)上覆蓋層的穩(wěn)定性，對巖溶地面塌陷發(fā)生的可能性、時(shí)間、地點(diǎn)、規(guī)模以及持續(xù)時(shí)間等作出判斷，為巖溶地面塌陷危險(xiǎn)性評估提供依據(jù)，為防災(zāi)、減災(zāi)提供技術(shù)性指導(dǎo)。巖溶地面塌陷評估就是根據(jù)巖溶地面塌陷預(yù)測的結(jié)果，評估它對周邊人群的威脅程度、判斷其對周邊環(huán)境的損害程度，為巖溶地面塌陷的預(yù)防、治理和避險(xiǎn)決策提供依據(jù)。2.1 預(yù)測與評估概念 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估2.2

38、預(yù)測模型 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估2.3 研究現(xiàn)狀 1）目前僅基本上僅限于空間位置的預(yù)測，盡管偶爾有文獻(xiàn)提及塌陷時(shí)間預(yù)測，但都是初步的嘗試；塌陷歷時(shí)預(yù)測等則鮮有報(bào)道 3）目前所使用的預(yù)測模型主要為不確定性模型，有學(xué)者探討了確定性模型，如杜甫志的兩種力學(xué)模型（1989）、劉長禮（1993）與高宗軍等（2009）的水巖耦合模型、譚鑒益的壇狀圓柱狀模型（2001）以及賀可強(qiáng)等的滲壓效應(yīng)模型（2002）等，綜合地質(zhì)預(yù)測模型本人于2016年才正式提出 4）目前的確定性模型預(yù)測僅限于土洞型塌陷，沙漏型和泥流型塌陷預(yù)測僅僅才起步 2）受對塌陷機(jī)理認(rèn)識的限制，目前的預(yù)測幾乎都與誘發(fā)因素緊密聯(lián)系，包括所有的確

39、定性模型和不確定性模型，使得所建立的預(yù)測模型沒有通用性，僅為個(gè)案，因而也稱不上真正的預(yù)測模型巖溶地面塌陷預(yù)測離預(yù)期差得太遠(yuǎn)，是一個(gè)需要深入研究的重大課題！ 2.4 綜合地質(zhì)模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估綜合地質(zhì)預(yù)測模型以地質(zhì)理論為依據(jù)，在塌陷機(jī)理的指導(dǎo)下，采用地質(zhì)科學(xué)的方法和手段進(jìn)行預(yù)測。這種預(yù)測模型的地質(zhì)理論依據(jù)很充分，考慮的誘發(fā)因素比較全面（關(guān)鍵是根據(jù)地質(zhì)條件去掉了不相關(guān)的誘發(fā)因素），得出的結(jié)論比較客觀、可靠，是目前唯一能應(yīng)用于工程實(shí)踐的預(yù)測方法。 核心思想是：查明研究區(qū)的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，劃分巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其空間分布，判斷巖溶發(fā)育程度，確定具體的誘發(fā)因素，依據(jù)塌陷機(jī)理，圈定各

40、巖溶地面塌陷類型的區(qū)域，預(yù)測各區(qū)域內(nèi)發(fā)生相應(yīng)類型地面塌陷的可能性。 一、查明巖溶巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)、確定塌陷機(jī)理 2.4 綜合地質(zhì)模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)：指上覆蓋層和下伏可溶巖之間的空間組合關(guān)系。 根據(jù)可溶巖上方黏性土、砂性土和軟弱土的上下疊置關(guān)系，將巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分為3類9型 方法與步驟地下水活動及外加動荷載上部為軟弱土，中部為砂性土（厚度大于3m），下部為可溶巖，可發(fā)生沙漏泥流復(fù)合型塌陷。3人類活動破壞中部黏性土層及外加動荷載上部為軟弱土，中部為黏性土（厚度大于3m），下部為可溶巖，黏性土破壞時(shí)可發(fā)生泥流型塌陷2外加動荷載，負(fù)壓荷載上部為軟弱土，下部為可溶巖，可發(fā)生泥流

41、型塌陷1外加動荷載上部為砂性土，中部為軟弱土（厚度大于3m），下部為可溶巖，可發(fā)生泥流沙漏型復(fù)合式塌陷。3人類活動破壞黏性土層的完整性及地下水活動上部為砂性土，中部為黏性土（厚度大于3m），下部為可溶巖；黏性土破壞時(shí)可發(fā)生沙漏型塌陷2地下水活動，如大規(guī)模抽水、巖溶突水等，外加動荷載上部為砂性土，下部為可溶巖，發(fā)生沙漏型塌陷1外加荷載、土洞頂板弱化上部為黏性土，中部為軟弱土（厚度大于3m），下部為可溶巖；可發(fā)生土洞型塌陷3外加荷載、土洞頂板弱化及地下水活動上部為黏性土，中部為砂性土（厚度大于3m），下部為可溶巖；可發(fā)生土洞型塌陷2外加荷載、土洞頂板弱化上部為黏性土，下部為可溶巖，可發(fā)生土洞型塌陷

42、1主要誘發(fā)因素結(jié)構(gòu)特征及塌陷機(jī)理模 型 圖型類塌陷機(jī)理巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)土洞型塌陷1、2、3沙漏型塌陷1、2、3泥流型塌陷1、2、3一、查明巖溶巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)、確定塌陷機(jī)理 巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)與塌陷機(jī)理的關(guān)系2.4 綜合地質(zhì)模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估方法與步驟二、判斷巖溶發(fā)育程度 巖溶發(fā)育程度分級（GB50007-20011 ）等級巖溶場地條件巖溶強(qiáng)發(fā)育1）地表有較多巖溶塌陷、漏斗、洼地、泉眼；2）溶溝、溶槽、石芽、密布，相鄰鉆孔間存在臨空面且基巖面高差大于5m；3）地下有暗河、伏流；4）鉆孔遇洞率大于30%或線巖溶率大于20%；5）溶槽或串珠狀豎向溶洞發(fā)育深度達(dá)20m以上巖溶中等發(fā)育介于強(qiáng)發(fā)育和

43、微發(fā)育之間巖溶微發(fā)育1）地表無巖溶塌陷、漏斗；2）溶溝、溶槽較發(fā)育；3）相鄰鉆孔間存在臨空面且基巖面相對高差小于2m；4）鉆孔遇洞率小于10%或線巖溶率小于5%2.4 綜合地質(zhì)模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估方法與步驟方法與步驟巖溶發(fā)育強(qiáng)度分級（GB50307-2012 ）級 別巖溶形態(tài)連通性地下水巖 溶強(qiáng)烈發(fā)育以大型暗河、廊道、較大規(guī)模溶洞、豎井和落水洞為主地下洞穴系統(tǒng)基本形成有大型暗河巖 溶中等發(fā)育 沿?cái)嗔选用?、不整合面等有顯著溶蝕、中小型串珠狀洞穴發(fā)育地下洞穴系統(tǒng)未形成有小型暗河或集中徑流巖 溶弱發(fā)育沿裂隙、層面溶蝕擴(kuò)大為巖溶化裂隙或小型洞穴裂隙連通性差少見集中徑流，常有裂隙水流巖

44、 溶微發(fā)育以裂隙狀巖溶或溶孔為主溶孔、裂隙不連通裂隙透水性差二、判斷巖溶發(fā)育程度 2.4 綜合地質(zhì)模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估三、確定誘發(fā)因素 2.4 綜合地質(zhì)模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估誘發(fā)因素很多，概括為三類：1）水的作用2）荷載作用3）土體弱化 方法與步驟1）水的作用三、確定誘發(fā)因素 2.4 綜合地質(zhì)模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估方法與步驟2）外加荷載作用三、確定誘發(fā)因素 2.4 綜合地質(zhì)模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估方法與步驟3）土體弱化三個(gè)方面1）土體強(qiáng)度降低2）土洞頂板厚度減薄3）土體結(jié)構(gòu)破壞 三、確定誘發(fā)因素 2.4 綜合地質(zhì)模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷

45、預(yù)測與評估方法與步驟四、綜合地質(zhì)預(yù)測 劃分易發(fā)區(qū)巖溶地面塌陷易發(fā)性分區(qū)分區(qū)依據(jù)高易發(fā)區(qū)中易發(fā)區(qū)低易發(fā)區(qū)塌陷機(jī)理沙漏型塌陷其他組合泥流型塌陷巖溶的作用強(qiáng)發(fā)育微弱發(fā)育誘發(fā)因素強(qiáng)影響弱影響2.4 綜合地質(zhì)模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估方法與步驟2.4 綜合地質(zhì)模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估五、塌陷危險(xiǎn)性評估進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū) 巖溶地面塌陷危險(xiǎn)性分區(qū)影響程度高易發(fā)分區(qū)中易發(fā)分區(qū)低易發(fā)分區(qū)高高危險(xiǎn)區(qū)高危險(xiǎn)區(qū)中等危險(xiǎn)區(qū)中等高危險(xiǎn)區(qū)中等危險(xiǎn)區(qū)低危險(xiǎn)區(qū)低中等危險(xiǎn)區(qū)低危險(xiǎn)區(qū)低危險(xiǎn)區(qū)方法與步驟武漢地區(qū)中部巖溶地面塌陷易發(fā)程度分區(qū) 武漢地區(qū)中部巖溶地面塌陷危險(xiǎn)性分區(qū) 2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷

46、預(yù)測與評估一、基本思路與方法 （1）進(jìn)行地質(zhì)分析，確定塌陷機(jī)理（2）進(jìn)行誘因分析，確定塌陷作用力屬性， 同類作用力合成（3）進(jìn)行力學(xué)分析，建立物理力學(xué)模型（4）選擇力學(xué)理論，建立平衡方程式， 推演一般數(shù)學(xué)表達(dá)式2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估二、巖溶地面塌陷作用力 塌陷作用力有6類1）土體重力2）滲透壓力3）沖刷力 4）荷載力5）表面摩擦力6）內(nèi)摩擦力 2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估二、巖溶地面塌陷主要作用力 1）土體重力 土體重力是由地球引力作用產(chǎn)生的、作用于土體上的體積力，為恒力，隨時(shí)存在于各塌陷土體中，是所有塌陷都具有的力源，且在各個(gè)塌陷過程中都起著

47、重要的作用。 G=rv 2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估二、巖溶地面塌陷主要作用力 2）滲透壓力 地下水在土體中滲流時(shí)對土顆粒產(chǎn)生的作用力，亦稱為拖拽力，作用方向與滲流方向相同，其大小與水頭成正比D=wi 2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估二、巖溶地面塌陷主要作用力 3）沖刷力 地下水與地表水流動過程中，由重力勢能轉(zhuǎn)化而來的動能作用在巖、土體之上的作用力，通過沖擊、掏挖、拖拽等方式破壞和離散巖、土體，并將離散作用形成的土顆粒搬運(yùn)它處2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估二、巖溶地面塌陷主要作用力 4）荷載力 指作用于土體上的靜荷載和動荷載，其中靜荷

48、載分為向下的正向荷載和向上的逆向荷載P=P-P 正向靜荷載逆向靜荷載凈靜荷載動荷載2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估二、巖溶地面塌陷主要作用力 5）表面摩擦力 表面摩擦力是指阻礙物體相對運(yùn)動（或相對運(yùn)動趨勢）的、物體表面之間的作用力，方向與物體相對運(yùn)動方向或相對運(yùn)動趨勢相反，大小滿足摩爾庫倫定律2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估二、巖溶地面塌陷主要作用力 6）內(nèi)摩擦力 塌陷過程中，軟弱土體呈層流狀態(tài)流動，其角變形速度和剪切力之間的關(guān)系服從牛頓內(nèi)摩擦定律2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估三、土洞型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 重力、荷載力、側(cè)向摩擦力運(yùn)用極限平

49、衡理論建立模型2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估1）地面塌陷模型三、土洞型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 塌陷系數(shù)表達(dá)式極限平衡表達(dá)式2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估2）沖爆破壞模型三、土洞型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 塌陷系數(shù)表達(dá)式極限平衡表達(dá)式2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估3）關(guān)于地面塌陷模型的討論三、土洞型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 1）塌陷系數(shù)與土洞規(guī)模的關(guān)系上式為一反比例函數(shù)，KT隨著D的增大而減小。這反映出：土洞水平跨度D越大，覆蓋層越不穩(wěn)定 2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估三、土洞型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 2）塌陷系數(shù)與土洞頂板厚度的關(guān)系3）關(guān)于地

50、面塌陷模型的討論2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估三、土洞型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 3）塌陷系數(shù)與逆向荷載的關(guān)系上式為一直線，KT隨著逆向荷載的增大而增大，這反映出覆蓋層越穩(wěn)定 ，與實(shí)際情況相符3）關(guān)于地面塌陷模型的討論2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估三、土洞型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 4）塌陷系數(shù)與正向荷載的關(guān)系上式為反比例函數(shù)，KT隨著正向荷載的增大而減小，這反映出覆蓋層穩(wěn)定越差 ，與實(shí)際情況相符3）關(guān)于地面塌陷模型的討論2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估三、土洞型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 5）塌陷系數(shù)與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系3）關(guān)于地面塌陷模型的討論與凝聚力的關(guān)系與內(nèi)

51、摩擦角的關(guān)系2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估四、沙漏型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 重力、滲流力運(yùn)用水力學(xué)理論建立模型真空負(fù)壓力等效為作用水頭2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估四、沙漏型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 平均流速流 量歷時(shí)T 后的漏失體積塌陷坑體 積2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估模型建立四、沙漏型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 歷時(shí)T后的漏失體積與塌陷坑體積相等，即得到沙漏型塌陷模型數(shù)學(xué)表達(dá)式2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估模型驗(yàn)證四、沙漏型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 2008年年初，漢南區(qū)陡步鎮(zhèn)發(fā)生大規(guī)模巖溶地面塌陷，形成大小13個(gè)塌陷坑，利用上式計(jì)算，歷

52、時(shí)最短者僅4.1秒，最長為4.1小時(shí)模型應(yīng)用 在武昌白沙洲地區(qū)，對于口徑為110mm的勘探孔施工，鉆機(jī)高度按3m考慮，不考慮真空負(fù)壓作用時(shí)，利用模型計(jì)算，產(chǎn)生掩埋鉆機(jī)的塌陷時(shí)間僅為18min，這個(gè)時(shí)間非常短暫，這對勘探孔施工是非常危險(xiǎn)的，對逃生也是非常重要的！如果勘探孔不封孔，約11h內(nèi)將會在勘探孔部位出現(xiàn)深度達(dá)10m的塌陷坑。2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估五、泥流型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 重力、內(nèi)摩擦力運(yùn)用牛頓內(nèi)摩擦定律建立模型真空負(fù)壓力等效為溶洞中作用于下表面的吸附荷載2.5 確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估五、泥流型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 重 力內(nèi)摩擦力模型建立2.5

53、確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估五、泥流型塌陷機(jī)理預(yù)測模型 模型討論關(guān)于塌陷歷時(shí) 通過直徑為D的巖溶通道，軟弱土體形成深度為h的塌陷坑的經(jīng)歷的時(shí)間T與軟弱土體的粘稠程度和塌陷坑深度h成正比，與土體的重度和巖溶通道直徑D的平方成反比。即：軟弱土體越粘稠、形成的塌陷坑深度越大，所需時(shí)間越長；重度越大、巖溶通道規(guī)模越大，所需時(shí)間越短。這與實(shí)際工程案例中觀察到的宏觀規(guī)律是一致的 2.6 不確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估一、不確定性模型的基本思想 概率統(tǒng)計(jì)模型、模糊數(shù)學(xué)模型、灰色系統(tǒng)模型及其他不確定性模型 2.6 不確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估二、不確定性模型的預(yù)測方

54、法步驟 1）確定評價(jià)集（即劃分評價(jià)等級） 評價(jià)等級是對巖溶地面塌陷評價(jià)的結(jié)論。確定評價(jià)集就是將評價(jià)土層塌陷的可能性進(jìn)行分級描述。 不失一般性，如果按5個(gè)評價(jià)等級考慮，即穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定性中等、穩(wěn)定性較差和差，相應(yīng)用v1、v2、v3、v4、v5表示，巖溶地面塌陷的評價(jià)集可選為：V=（vl，v2，v3，v4，v5）2.6 不確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估二、不確定性模型的預(yù)測方法步驟 2）選定影響因素 在正式預(yù)測前，從場地區(qū)既有塌陷現(xiàn)象入手，研究本場地內(nèi)巖溶地面塌陷的過程，分析塌陷原因，找出各項(xiàng)影響因素，確定影響因素集U： U=（ul，u2，um） 2.6 不確定性模型預(yù)測 2、巖

55、溶地面塌陷預(yù)測與評估二、不確定性模型的預(yù)測方法步驟 2）選定影響因素 一般考慮的因素有 覆蓋層、 巖溶、 地質(zhì)構(gòu)造、 地表地下水、 地形地貌以及 環(huán)境因素等，各因素含有若干個(gè)子因素。各因素、子因素構(gòu)成預(yù)測因子層次圖： 2.6 不確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估二、不確定性模型的預(yù)測方法步驟 3）確定各因素的權(quán)重 確定各影響因素的權(quán)重就是確定各因素對塌陷的貢獻(xiàn)大小。權(quán)重確定方法較多，如專家估計(jì)法（專家估測法）、德爾菲（Delphi）法（專家調(diào)查法）、特征值法、層次分析法等；另外，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，可以通過“訓(xùn)練”自動調(diào)整與確定各因素的權(quán)重。2.6 不確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷

56、預(yù)測與評估二、不確定性模型的預(yù)測方法步驟 4）選定預(yù)測用數(shù)學(xué)模型 根據(jù)巖溶地面塌陷的特點(diǎn)，地面塌陷預(yù)測數(shù)學(xué)模型主要有統(tǒng)計(jì)模型、模糊模型和灰色模型3大類，他們依據(jù)依據(jù)的是塌陷的隨機(jī)性、模糊性和灰色性。此外，還有其他一些預(yù)測模型應(yīng)用于巖溶地面塌陷預(yù)測中，如賦分法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。它們分別從不同的視角來研究巖溶地面塌陷問題。 每一種預(yù)測數(shù)學(xué)模型都有各自的數(shù)學(xué)運(yùn)算法則與處理程序。在選定了預(yù)測數(shù)學(xué)模型后，采用相應(yīng)的運(yùn)算法則與處理程序進(jìn)行數(shù)學(xué)處理。2.6 不確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估二、不確定性模型的預(yù)測方法步驟 5）確定判別標(biāo)準(zhǔn)，作出評價(jià)結(jié)論 根據(jù)各個(gè)數(shù)學(xué)預(yù)測模型所采用的法則，確定判

57、別標(biāo)準(zhǔn)，在評價(jià)集中選定評價(jià)結(jié)論。6）模型檢驗(yàn)與修正 預(yù)測模型建立后，一般需要用已有塌陷實(shí)例，檢驗(yàn)所建立的預(yù)測模型的符合性。經(jīng)過檢驗(yàn)后且與實(shí)際情況相符的模型方可用于預(yù)測，否則還需要繼續(xù)修正模型 2.6 不確定性模型預(yù)測 2、巖溶地面塌陷預(yù)測與評估三、各不確定性模型預(yù)測介紹 各不確定性預(yù)測模型，這里不作一一介紹，有興趣的同志，可參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料 3、巖溶地面塌陷監(jiān)測 3、巖溶地面塌陷監(jiān)測3.1 監(jiān)測對象和內(nèi)容兩個(gè)監(jiān)測對象 監(jiān)測覆蓋層監(jiān)測誘發(fā)因素3.1 監(jiān)測對象和內(nèi)容一、覆蓋層監(jiān)測 土體變形監(jiān)測地面沉降監(jiān)測建筑物變形監(jiān)測主要監(jiān)測土顆粒的相對位移和土壓力變化 3、巖溶地面塌陷監(jiān)測3.1 監(jiān)測對象和內(nèi)容

58、二、誘發(fā)因素監(jiān)測 地下水監(jiān)測外加荷載監(jiān)測土體弱化監(jiān)測 3、巖溶地面塌陷監(jiān)測3.2 監(jiān)測工作布置原則一、土洞型塌陷監(jiān)測 根據(jù)土洞型地面塌陷機(jī)理，土洞型地面塌陷區(qū)分為兩個(gè)階段：一是土洞形成與演化階段，這個(gè)時(shí)間比較漫長，是一個(gè)地質(zhì)作用過程；另一個(gè)是土洞頂板失穩(wěn)塌陷階段，這個(gè)時(shí)間很短暫，是土體在失去平衡的結(jié)果。 土洞型塌陷監(jiān)測，應(yīng)根據(jù)不同階段內(nèi)土體變形破壞的基本特點(diǎn)，分別選擇相應(yīng)的監(jiān)測內(nèi)容和方法。 3、巖溶地面塌陷監(jiān)測1）土洞形成與演化階段監(jiān)測3.2 監(jiān)測工作布置原則一、土洞型塌陷監(jiān)測 該階段地表基本無變化，需監(jiān)測土體內(nèi)部的變形，可選用光纖監(jiān)測技術(shù)（BOTDR）、電磁波時(shí)域反射技術(shù)（TDR）和地質(zhì)雷達(dá)

59、監(jiān)測技術(shù)等。 土/巖結(jié)合面附近可溶巖中的地下水位和地下水流速流向監(jiān)測顯得尤為重要。 土洞中的地下水位和土洞空間的真空度（即水、氣壓力）直接影響著土洞頂板的穩(wěn)定性及塌陷破壞方式，對土洞中的真空度地下水位監(jiān)測是必要的。 3、巖溶地面塌陷監(jiān)測1）土洞頂板塌陷階段監(jiān)測3.2 監(jiān)測工作布置原則一、土洞型塌陷監(jiān)測 土洞頂板塌陷階段時(shí)間短暫，地表變形現(xiàn)象顯著，重點(diǎn)監(jiān)測建筑物變形和地面變形 監(jiān)測的方法可選精密水準(zhǔn)測量監(jiān)測技術(shù)、GPS監(jiān)測技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)；常規(guī)的建筑物變形監(jiān)測方法也是很好的方法；另外，群測群防則是比較有效的監(jiān)測方法。 3、巖溶地面塌陷監(jiān)測3.2 監(jiān)測工作布置原則二、沙漏型塌陷監(jiān)測

60、沙漏型地面塌陷對地下水反應(yīng)敏感，故應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測地下水活動，尤其是要加強(qiáng)地下水位變化的監(jiān)測。 沙漏型地面塌陷的歷時(shí)一般比較短，很快就會反映到土體本身的變形和地面變形，故亦需對土體變形、地面變形及建筑物變形進(jìn)行監(jiān)測。三、泥流型塌陷監(jiān)測泥流型塌陷的監(jiān)測對象是土體變形、地面變形和建筑物變形。 3、巖溶地面塌陷監(jiān)測3.3 塌陷監(jiān)測技術(shù) 1）精密水準(zhǔn)測量技術(shù) 2）GPS監(jiān)測技術(shù) 3）合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù) 4）地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測技術(shù) 5）光纖監(jiān)測技術(shù) 6）時(shí)域反射技術(shù) 7）群測群防 3、巖溶地面塌陷監(jiān)測 4、巖溶地面塌陷防治 4、巖溶地面塌陷防治原則4.1 一般原則規(guī)避為主，防治結(jié)合；修正內(nèi)因，控制誘因。 規(guī)