Question

主要研究内容及取得的主要成果

Answer 1

通过对已有塌陷资料的抽象、归纳和总结，对铁路沿线铁路振动现象的实地测试，对室内水波动力学效应的试验，以及对典型塌陷类型的三维数值模拟，作者对岩溶地区的多发灾害——岩溶塌陷现象进行了系统研究。研究内容主要包括以下几个方面：

（1）通过对已有塌陷资料的抽象、归纳和总结，对岩溶塌陷的地质概化模型进行了研究。研究包括对于岩溶塌陷的盖层及其组合类型的研究，地下水面位于盖层中不同位置时的研究，以及基岩介质中空隙分布类型不同的地质概化研究。

（2）针对特定的岩溶致塌地质和力学环境条件，归纳和总结了致塌过程中的各种力学条件的相互作用和叠加组合机理，提出了相应的力学耦合模式。根据概化模型的研究和力学耦合模式的分析，提出了岩溶致塌机制。

（3）典型机理模型的专门研究。从野外试验及室内试验着手，结合实例的数值模拟，对典型的塌陷类型进行专门性研究。主要包括以下内容：

A.在静荷载下土洞的塌陷与抽水情形下的塌陷不同，相比之下表现为更具偶发性。通过静荷载条件下土洞稳定的数值模拟，对其致塌过程进行了数值仿真研究；通过静荷载大小的致塌效应、地形因素的影响、地下水下渗的致塌过程的对比，对静荷载条件下影响岩溶塌陷的最敏感因素进行了研究；为了解土洞塌陷时土层的临界力学性质，通过数值模拟的方法，对致塌临界条件进行了数值模拟试验研究。

B.以岩溶塌陷的地质概化模型及室内水波动试验为基础，对地下水位受迫下降时土洞在盖层中力学效应进行专门研究；通过实例的分析及数学推导，对地下水位上升时的岩溶致塌现象进行了研究，特别对气爆塌陷发育的判据进行了理论推导及论述，对水位恢复时塌陷区的土层最大安全厚度的数学表达式进行了研究；还通过抽水情形下致塌的典型实例研究，针对典型地质概化模型（包括单一阻水型盖层概化模型、单一透水型概化模型、阻-透型概化模型）下的塌陷机理进行了数值模拟研究；针对塌陷过程中土洞间的内在联系，进行了多土洞存在时的致塌过程研究；另外，也对岩溶水的数值模拟方法进行了探讨。

C.针对铁路沿线岩溶塌陷的多发性，对振动致塌现象的预测评价问题进行了专门性研究。首先对铁路沿线土层中产生的振动特征进行了实测，以通过实测获取列车振动中的振波过程曲线、衰减特征、特定土层下的衰减系数、振动附加力的大小等，并通过室内试验标定了所测的振动附加力，且在数值模拟中对该附加力进行了验证。在对铁路沿线振动特征实测的基础上，对振动附加力致塌进行了分析，并提出了铁路塌陷的致塌机理。为了对铁路振动致塌作进一步的研究，进行了振动致塌的数值模拟研究。通过研究，对所提出的动力致塌机理及振动附加力的大小进行了验证。同时，采用数值模拟的方法对不同加速度下铁路振动波在土层中的破坏效应进行了研究，对不同衰减系数下铁路振动波在土层中的破坏效应研究，对铁路振动波数值模拟中的波形进行了研究，通过这些研究，提出了振动致塌中的稳定敏感性因素及动力数值模拟中的不同波形特征及其适应范围。

通过对以上内容的研究，主要取得了以下成果：

（1）在对岩溶致塌的地质概化模型的研究中提出：对于岩溶塌陷机理的分析应以其所处的地质及水文地质条件为基础。在不同的地下水条件下，同样的土-岩体，可能具有完全不同的失稳机制。提出了岩溶致塌的地质概化模型（包括盖层及基岩地质概化模型），分别将岩溶塌陷的地质条件概化为盖层中的7种模型及基岩中的4种模型，并对不同概化模型的致塌机制进行了分析。其中盖层地质概化模型为：①单一阻水盖层型地质概化模型，当岩溶水位位于盖层中时，为“软化-失托增荷-真空吸蚀”型致塌，当水位在盖层以下时，为“波动-气压差剥离”型致塌；②在单一透水型盖层概化模型情形下为“潜蚀-失托增荷-压差场潜蚀致塌”机制；③阻-透型盖层概化模型为“潜蚀-流土-气压差场”机制；④无盖层的地质概化模型；⑤透-阻型盖层概化模型，为“软化-气压差场-渗流流土”致塌机制；⑥阻-透-阻概化模型；⑦透-阻-透概化模型为“天窗”超临界水力坡降渗流流土致塌机制。岩溶介质中的地质概化模型为：①单层空洞地质概化模型；②多层空洞地质概化模型；③竖向洞穴地质概化模型；④均布空隙地质概化模型。

（2）通过对概化模型的研究，针对岩溶致塌中的作用力及其相互叠加耦合方式，提出了叠加耦合的5种模式，包括：①重力与静荷载叠加耦合模式；②单一阻水型盖层中水位下降时的叠加耦合模式；③单一透水型盖层渗透力场叠加耦合模式；④水位恢复时的叠加耦合模式；⑤岩溶致塌中的动荷载叠加耦合模式。

（3）在以上概化模型及耦合模式的基础上，将各塌陷类型下的致塌机制及机理模型总结为5种类型，包括：①水位下降致塌机理模型，其致塌过程中主要包括了三种主要致塌机制，分别为失托增荷致塌机制、潜蚀致塌机制、真空吸蚀致塌机制；②水位恢复致塌机理模型，其致塌过程主要为气爆效应或水动效应致塌；③动荷载致塌机理模型，主要为“动荷载叠加耦合-破坏累积-重力致塌”机制及“液化”致塌机制（地震塌陷）等；④重力加载致塌机理模型，主要为重力剪断机制或“荷载与重力超强度致塌”机理；⑤地表水致塌机理模型，主要有“散解效应”及“软化效应”。

（4）通过对地下水面以上的土洞塌陷进行的专门性研究，提出了该种条件下土洞的致塌机制为地表水引起的“软化”所致。通过对岩溶塌陷的敏感性研究，指出：静力的加载不是土洞致塌的最敏感因素，地表水的下渗导致土层的力学性质降低才是致塌的最敏感因素。

（5）在地下水位波动引发的岩溶塌陷的专门性研究中，通过研究得出，岩溶区地下水位受迫下降至基岩面以下时的附加力在一定范围内与在基岩面以上一样，等于水位下降的幅度值，与盖层下基岩中洞穴的形态及体积无关。岩溶空洞在岩溶致塌中的主要功能在于增大了基岩的渗透性，也使土粒得到迅速搬运。提出了压力释放系数在岩溶塌陷中起着重要作用。

A.通过对已有岩溶气爆塌陷实例的分析，提出了气爆塌陷的三个发育阶段，分别为：第一阶段，正压形成阶段；第二阶段，土层破坏阶段；第三阶段，气压快速释放及塌陷阶段。

B.根据岩溶空腔的发育特征，用波-马气体方程式对水位恢复时气爆效应中所产生的附加力进行了描述，并提出了气爆塌陷的判据为：

K_p=（p_y-p₀）-τ-γ_th＞0

C.对正压气爆条件中土层的最大安全厚度进行了讨论，指出了其计算公式：

岩溶塌陷机理及其预测与评价研究

D.通过对水位波动力学效应的研究，提出了“水动效应”的概念。

（6）运用三维数值模拟的方法对复杂的岩溶塌陷机理及过程进行了系统性研究，探讨了FLAC^3D三维数值模拟应用于岩溶塌陷的模拟技术及方法，为岩溶塌陷的客观评价及预测开辟了有效途径。

A.在研究中成功地应用数值模拟的方法对地下水面以上的土洞塌陷机制进行了模拟和验证。指出了影响这类致塌的最敏感因素为地表水的下渗因素。

B.在研究中成功地应用数值模拟的方法对所提出的典型概化模型的致塌机理进行了数值模拟验证，包括：单一阻水盖层模型的抽水致塌过程，阻-透型盖层下的抽水致塌过程，单一透水型盖层下的抽水致塌过程，并对各致塌过程中的受力特征进行了比较。

C.应用数值模拟的方法成功地模拟了列车振动所导致的岩溶塌陷过程，验证了所提出的致塌机理；通过波形特征、加速度、衰减系数的数值模拟研究，提出在影响动力致塌过程的诸因素中，衰减系数是最敏感的因素。

（7）通过铁路振动波型及在土层中附加力的测试，提出了铁路振动的致塌机制为：“动荷载叠加耦合—破坏累积—重力致塌”机制。同时，得到了铁路振动下的振波过程、振幅大小、频率及在土层中形成的附加力大小，以及衰减系数，并提出：铁路振动下振波具有脉冲波的特征；通过标定后指出：列车振动在地表处产生的应力大小在1～3kN/m²之间，该值在数值模拟的研究中得到了验证。