CN107229603A - 一种空洞型岩溶地面稳定性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空洞型岩溶地面稳定性评估方法，本方法中，是根据太沙基散体理论和试验结果，将空洞型岩溶地面稳定性问题转化为溶洞以上沿垂直方向剪切面形成土柱在多因素共同作用下的稳定性问题；以安全系数为标准将含有空洞的地面的状态可以划分为稳定状态、临界状态与失稳状态三类；对于处于临界以及失稳状态的地面，运用可靠度计算方法，通过抽样随机数的循环计算得到其失效概率，提高了评估的精度和系统性。本发明适合应用于建筑工程施工以规避塌陷风险，具有评估系统性好，评估结果准确性和可靠性高等优点。

Description

一种空洞型岩溶地面稳定性评估方法

技术领域

本发明涉及地质领域的一种地面稳定性研究技术，尤其是涉及一种空洞型岩溶地面稳定性评估方法。

背景技术

岩溶又称喀斯特，其最早因南斯拉夫西北部伊斯特拉半岛上的石灰岩高原而得名，为地表水或地下水与可溶性岩石相互溶蚀形成的独特的大量地下空洞间隙的地貌形态。其在世界范围内分布广泛，中国也是主要的分布区域之一。据不完全统计，可溶性的石灰岩在我国的分布面积达到3.43×10⁶km²，占据了国土总面积的1/3。不过，在这广泛分布的石灰岩之中，仅有1.25×10⁶km²裸露在外，其余均处于隐伏状态。近年来，随着人口的快速增长和城市化进程的推进，大量的岩溶地区为人类开发利用。岩溶地区岩土体原有的状态和环境发生改变，由此带来了一系列突发性的灾害，对于人们的生命和财产安全带来了极大的威胁。

岩溶塌陷是在岩溶发育地区上覆土层或隐伏岩溶顶板在人为活动或天然因素作用下，特别是水动力条件改变引起的环境效应作用下，发生突然坍塌的现象。近些年，随着资源利用的日益加强，由此触发地面塌陷频繁发生，成为主要环境地质灾害，引起了研究人员的广泛关注。大量塌陷实例的总结表明促使地面塌陷发生的因素是多种多样的，包括例如岩溶发育条件、地下水条件、覆盖层条件、地形地貌和人工活动等在内。由于岩溶塌陷诱发因素的多样性，使得每个地面塌陷的形成都存在着差异，于是大量有关地面塌陷形成机理的研究工作展开。在研究的基础上提出了包括重力致塌模式、浅蚀致塌模式、真空吸蚀致塌模式、冲爆致塌模式、振动致塌模式、荷载致塌模式、溶蚀致塌模式和根蚀致塌模式等八种形成机制。之后，对于同样的土-岩体，又提出了岩溶塌陷的盖层地质概化模型，并对不同耦合模式下的耦合规律及数学模型表达进行了探讨。随着新技术的推广，层次分析法、神经网络和GIS技术等先进的方法也先后被引入进行岩溶地区的区划研究。国外有关岩溶塌陷的研究工作比较注重实用性，主要包括坍塌灾害保险方法、岩溶塌陷数据库和地理信息系统(GIS)应用、潜在坍塌的探测、检测、预防以及塌陷坑的工程处理。

综上所述，地面塌陷的研究大多集中于定性的研究，定量研究较少。定性的研究结果，难以直接应用到建筑工程施工中以规避塌方灾害。故怎样提供适合应用于建筑工程施工以规避塌陷风险的定量研究评估方法，以及怎样提高评估结果的准确性和系统性，均称为本领域技术人员有待考虑的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种适合应用于建筑工程施工以规避塌陷风险的，评估系统性好，评估结果准确性和可靠性高的空洞型岩溶地面稳定性评估方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种空洞型岩溶地面稳定性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：经历了长期地质时期形成的岩土体通常情况下是成层分布的，为了对于空洞型岩溶地面的稳定性做出有效地评价。首先，通过勘测和试验的手段获取空洞本身和相关影响因素的量化数据；具体数据包括待评估地面区域内的空洞地面投影的直径(当投影为圆面时选取投影的直径，当投影为非圆形时选取等效直径计算)的平均值D，待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的天然重度的平均值γ_i、厚度的平均值h_i、粘聚力的平均值c_i、内摩擦角的平均值孔隙率的平均值n_i以及泊松比的平均值μ_i(其中i为不同形成层的编号)。另外，考虑到地下水和地表水变化带来的影响，还需要对于待评估地面区域内地表积水的深度的平均值h_w、在地表水渗流过程中通过上覆土体的每一个岩土层形成的水力梯度的平均值J_i以及当地下水位下降到顶板以下形成的水头差的平均值△H。这里需要说明的是在进行数据获取过程中，需要取得m组平均值(m为大于或等于6的自然数)，并且每组平均值的确定需要包含不少于3个样本数据。

步骤2：将步骤1中获取的m组参数数值，分别代入到公式1完成单次安全系数K_sv的计算；

公式1：

公式中，

D—待评估地面区域内的空洞地面投影的直径的平均值，单位m；

γ_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的天然重度的平均值，单位N/m³；

h_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的厚度的平均值，单位m；

n_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的孔隙率的平均值；

J_i—在评估地面区域内地表水渗流过程中通过上覆土体的每一个岩土层形成的水力梯度的平均值；

—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的内摩擦角的平均值，单位°；

μ_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的泊松比的平均值；

c_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的粘聚力的平均值，单位MPa；

i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的编号；

γ_w—待评估地面区域内地面水的天然重度(为公知的确定值)，单位N/m³；

h_w—待评估地面区域内地面积水深度的平均值，单位m；

△H—在评估地面区域内当地下水位下降到顶板以下形成的水头差的平均值，单位m；

a_h—水平向设计地震加速度代表值；

ξ—地震作用效应的折减系数，除特别规定外，取0.25；

g—重力加速度(为公知的确定值)，N/m³；

α—地震加速度分布系数对于地基，可取α＝1.0；

u—为测量得到的待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体形成层的总层数；

利用通过公式1求得的m个(m为等于或大于6的自然数)单次安全系数K_sv计算安全系数计算平均值K_S

当计算结果为Ks>1时，判定研究地面处于稳定状态；当计算结果为Ks＝1时，判定研究地面处于临界状态；当计算结果为Ks<1时，判定研究地面处于不稳定状态。当判定研究地面处于临界及不稳定状态时，此时需要进一步继续执行下述步骤；

步骤3：定义功能函数Z(公式2)；

公式2：

公式中，各字符意义和公式1相同；

步骤4：对于步骤1中获取的D、h_i、γ_i、J_i、△H、n_i、μ_i、h_w参数数值进行统计分析，得到各参数的分布函数。将上述确定的各参数的分布函数代入公式2确定功能函数的分布函数f(x)和模拟次数N；

步骤5：运用随机函数在0-1范围内进行抽样，得到随机数x。将得到随机数x代入由步骤4确定的功能函数的分布函数，即可得到功能函数的分布函数f(x)对应的数值；

步骤6：重复步骤5的计算，直至达到模拟次数N，计算失稳概率P_f；失稳概率计算方式为，重复步骤5计算结果等于和小于零的次数L除以模拟次数N的比例；然后即可得出非稳定的空洞型地面失稳的量化指标。

其中，公式1的原理是

从工程实际来看，大部分岩溶塌陷处于浅埋状态。根据太沙基散体理论和试验结果(伏尔姆1937)，空洞型岩溶地面稳定性问题可以转化为，溶洞以上沿垂直方向剪切面形成土柱在多因素共同作用下的稳定性问题(如图2)。

其中，影响因素的选取及作用力表达式的确定如下：

对于土柱的稳定性带来影响的作用力我们可以归纳为致塌力和抗塌力。这些力的产生源于对于整个破坏过程带来影响的各种影响因素，所以我们需要对于地面稳定性的影响因素进行选取。

1)致塌力(S)

①覆盖层岩土体自重G。自重是岩土体的固有属性，在地面塌陷过程中发挥着直接作用。其表达式如下：

其中，各字符意义和公式1中相同。

②竖向地震力Q_V。地震现象所带来的影响可以视为动力响应。它作用后果最直观的表现为断层的产生破坏了原有地质构造的连续性，加速了地质体的变形量，引起液化效应，地震效应等多种破坏活动，从而激发了顶盖塌陷现象的产生。这里仅考虑竖向地震力带来的影响。对于某点处水平地震力的计算这里参考选用下列公式运用拟静力法进行分析，就已存的地震记录来看，根据统计资料一般竖向地震作用Q_V为水平地震作用Q_H的1/2-2/3。为保证计算安全性的要求这里选取竖向地震惯性力系数2/3。计算式如下：

Q_V＝2/3Q_H

(2)

其中，a_h—水平向设计地震加速度代表值，可按照地震烈度选取见表1；

ξ—地震作用效应的折减系数，除特别规定外，取0.25；

g—重力加速度(为公知的确定值)，N/m³；

α—地震加速度分布系数对于地基可取α_i＝1.0；

表1 水平向设计地震加速度代表值

③水因素。水是岩溶地区最为活跃的因素，它的存在与运动会使得岩土体的强度降低，加速溶洞的形成与发展。按照所处地理位置的不同可以分为地下水和地表水。

Ⅰ.地表水。对于地表水的作用而言主要包括三个方面。首先，大气降雨产生的地面上部积水的形成会在土柱顶部产生荷载作用。其次，地表水下渗使得土柱的自重增加。再次，地表水在流动过程中产生下渗力。其产生的作用力如下：

ⅰ地面积水在土柱顶部产生的荷载F₁：

其中，各字符意义和公式1中相同；

ⅱ地表水的渗入使得土柱重力的增量G₁：

其中，各字符意义和公式1中相同；

ⅲ地表水的渗流产生的竖向渗透力F₂：

其中，各字符意义和公式1中相同；

Ⅱ.地下水。地下水位降到溶洞顶板以下产生负压力，促进地面塌陷的发育。根据波—马定律：一定质量的理想气体在温度不变的情况下其压强与气体的体积成反比。公式表达为P₁V₁＝P₂V₂＝C(常数)，可以看出由于体积的增大压强减小所以产生对于溶洞顶板下拉的负压力。另外从实际计算来看采用方程

ΔP＝γ_wΔH

(7)

其中，各字符意义和公式1中相同；

2)抗塌力(R)

抗塌力主要是由于岩土体自身的属性岩土体之间的粘聚力和内摩擦角形成的剪切力提供，在这里考虑岩土体的破坏符合Coulomb准则。

其中，各字符意义和公式1中相同；

(3)基于极限平衡理论的地面稳定性的判定准则

选取研究对象在竖向力作用下进行受力分析：

定义单次安全系数K_sv＝R/S即

上述公式(9)即为公式1。

公式2的原理是

基于可靠性理论的基本原理，并结合公式1中定义的抗塌力(R)和致塌力(S)定义用于定量分析的功能函数Z如下：

定义Z＝R-S作为功能函数即

上述公式(10)即为公式2。

其中，各字符意义和公式1中相同。

故本发明提供了一种考虑多种因素的共同作用，定性与定量相结合的含有空洞地面稳定性的综合评估方法。以太沙基松散体理论为依据，含有空洞的地面稳定性问题可以转化为空洞以上岩土柱在竖向力作用下的剪切破坏问题。首先，以实际工程条件、现有的致塌理论和致塌模式为参考，选取地面稳定性的影响因素。并且，按照致塌力和抗塌力的分类，给出对应作用力的数学表达式。其次，基于极限平衡理论，以安全系数为标准将含有空洞的地面的状态可以划分为稳定状态、临界状态与失稳状态三类。再次，当判定空洞型岩溶地面处于临界以及失稳状态时，计算其失稳概率。(具体步骤如下：通过勘测和勘测手段获得的参数数据进行统计分析确定各参数的分布函数。将确定的各参数的分布函数代入公式2(功能函数的表达式)，得到功能函数的分布函数。运用0-1范围内抽样随机数的循环计算得到其失效概率。)该方法考虑了含有空洞地区地质环境的复杂性，具有简单、实用的特点，可以为实际工程中含有空洞地面稳定性的综合评估提供科学的依据。

综上所述，本发明适合应用于建筑工程施工以规避塌陷风险，具有评估系统性好，评估结果准确性和可靠性高等优点。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为含有球状空洞岩溶地面剖面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及附图对本发明作进一步的详细说明。

实施方式：本申请的一种空洞型岩溶地面稳定性评估方法实施时，先参见图2为含有球状空洞岩溶地面剖面示意图，图中abcd围成的区域即为溶洞以上沿垂直方向剪切面形成土柱的区域，本方法中就是根据太沙基散体理论和试验结果(伏尔姆1937)，将空洞型岩溶地面稳定性问题转化为溶洞以上沿垂直方向剪切面形成土柱在多因素共同作用下的稳定性问题，进而得到本评估方法。图2中还可看出空洞上方的岩土体的不同形成层。

本方法包括以下步骤：参见图1本发明的方法流程图辅助理解。

步骤1：经历了长期地质时期形成的岩土体通常情况下是成层分布的，为了对于空洞型岩溶地面的稳定性做出有效地评价。首先，通过勘测和试验的手段获取空洞本身和相关影响因素的量化数据；具体数据包括待评估地面区域内的空洞地面投影的直径(当投影为圆面时选取投影的直径当投影为非圆形时选取等效直径计算)的平均值D，待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的天然重度的平均值γ_i、厚度的平均值h_i、粘聚力的平均值c_i、内摩擦角的平均值孔隙率的平均值n_i以及泊松比的平均值μ_i(其中i为不同形成层的编号)。另外，考虑到地下水和地表水变化带来的影响，还需要对于待评估地面区域内地表积水的深度的平均值h_w、在地表水渗流过程中通过上覆土体的每一个岩土层形成的水力梯度的平均值J_i以及当地下水位下降到顶板以下形成的水头差的平均值△H。这里需要说明的是在进行数据获取过程中，需要取得m组平均值(m为大于或等于6的自然数)，并且每组平均值的确定需要包含不少于3个样本数据。

步骤2：将步骤1中获取的m组参数数值，分别代入到公式1完成单次安全系数K_sv的计算；

公式1：

公式中，

D—待评估地面区域内的空洞地面投影的直径的平均值，单位m；

γ_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的天然重度的平均值，单位N/m³；

h_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的厚度的平均值，单位m；

n_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的孔隙率的平均值；

J_i—在评估地面区域内地表水渗流过程中通过上覆土体的每一个岩土层形成的水力梯度的平均值；

—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的内摩擦角的平均值，单位°；

μ_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的泊松比的平均值；

c_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的粘聚力的平均值，单位MPa；

i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的编号；

γ_w—待评估地面区域内地面水的天然重度(为公知的确定值)，单位N/m³；

h_w—待评估地面区域内地面积水深度的平均值，单位m；

△H—在评估地面区域内当地下水位下降到顶板以下形成的水头差的平均值，单位m；

a_h—水平向设计地震加速度代表值；

ξ—地震作用效应的折减系数，除特别规定外，取0.25；

g—重力加速度(为公知的确定值)，N/m³；

α—地震加速度分布系数对于地基，可取α＝1.0；

u—为测量得到的待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体形成层的总层数；

利用通过公式1求得的m个(m为等于或大于6的自然数)单次安全系数K_sv计算安全系数计算平均值K_S

当计算结果为Ks>1时，判定研究地面处于稳定状态；当计算结果为Ks＝1时，判定研究地面处于临界状态；当计算结果为Ks<1时，判定研究地面处于不稳定状态。当判定研究地面处于临界及不稳定状态时，此时需要进一步继续执行下述步骤；

步骤3：定义功能函数Z(公式2)；

公式2：

公式中，各字符意义和公式1相同；

步骤4：对于步骤1中获取的D、h_i、γ_i、J_i、△H、n_i、μ_i、h_w参数数值进行统计分析，得到各参数的分布函数。将上述确定的各参数的分布函数代入公式2确定功能函数的分布函数f(x)和模拟次数N，具体过程如下：

首先，对于步骤1中获取的D、h_i、γ_i、J_i、△H、n_i、μ_i、h_w参数数值，在假定分布下，统计量由式(11)求出

然后，在给定置信度α的情况下，可由表2查得值，以同值作比较

表2 A-D法检验临界值

结果：当时，不拒绝接收原假设；

当时，拒绝接收原假设。

将上述确定的分布函数代入到公式2(功能函数的表达式)确定功能函数的分布函数f(x)

最后，确定模拟次数N。模拟次数可以根据经验值得到，或者采

用公式(12)计算

其中—P_f′为预先设定的失效概率由参考表3确定

以建筑结构安全等级为二级时延性破坏的β值3.2为基准，其他情况下增减0.5，参考可靠度指标和失效概率。

表3 可靠度指标β与失效概率运算值P_f′

步骤5：运用随机函数在0-1范围内进行抽样，得到随机数x。将得到随机数x代入由步骤4确定的功能函数的分布函数，即可得到功能函数的分布函数f(x)对应的数值；

步骤6：重复步骤5的计算，直至达到模拟次数N，计算失稳概率P_f；失稳概率计算方式为，重复步骤5计算结果等于和小于零的次数L除以模拟次数N的比例；然后即可得出非稳定的空洞型地面失稳的量化指标。

具体实例，重庆市南岸区精神卫生中心建设工程，场地局部有隐伏溶洞存在。施工前采用了本方法进行了场地稳定性评估，评估结果表明施工场地安全。施工过程中未出现地面不稳的各种危害，施工结束后也顺利通过了质量验收。

Claims (2)

1.一种空洞型岩溶地面稳定性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：首先，通过勘测和试验的手段获取空洞本身和相关影响因素的量化数据；具体数据包括待评估地面区域内的空洞地面投影的直径的平均值D，待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的天然重度的平均值γ_i、厚度的平均值h_i、粘聚力的平均值c_i、内摩擦角的平均值孔隙率的平均值n_i以及泊松比的平均值μ_i；还需要获取对于待评估地面区域内地表积水的深度的平均值h_w、在地表水渗流过程中通过上覆土体的每一个岩土层形成的水力梯度的平均值J_i以及当地下水位下降到顶板以下形成的水头差的平均值△H；在进行数据获取过程中，需要取得m组平均值，m为大于或等于6的自然数；并且每组平均值的确定需要包含不少于3个样本数据；

步骤2：将步骤1中获取的m组参数数值，分别代入到公式1完成单次安全系数K_sv的计算；

公式1：

公式中，

D—待评估地面区域内的空洞地面投影的直径的平均值，单位m；

γ_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的天然重度的平均值，单位N/m³；

h_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的厚度的平均值，单位m；

n_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的孔隙率的平均值；

J_i—在评估地面区域内地表水渗流过程中通过上覆土体的每一个岩土层形成的水力梯度的平均值；

—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的内摩擦角的平均值，单位°；

μ_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的泊松比的平均值；

c_i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的粘聚力的平均值，单位MPa；

i—待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体不同形成层的编号；

γ_w—待评估地面区域内地面水的天然重度，单位N/m³；

h_w—待评估地面区域内地面积水深度的平均值，单位m；

△H—在评估地面区域内当地下水位下降到顶板以下形成的水头差的平均值，单位m；

a_h—水平向设计地震加速度代表值；

ξ—地震作用效应的折减系数，除特别规定外，取0.25；

g—重力加速度，N/m³；

α—地震加速度分布系数对于地基，可取α＝1.0；

u—为测量得到的待评估地面区域内空洞顶板以上的岩土体形成层的总层数；

利用通过公式1求得的m个单次安全系数K_sv计算安全系数计算平均值K_S，m为等于或大于6的自然数；

<mrow> <mi>K</mi> <mi>s</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>v</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <msub> <mi>Ks</mi> <mi>v</mi> </msub> </mrow> <mi>m</mi> </mfrac> </mrow>

当计算结果为Ks>1时，判定研究地面处于稳定状态；当计算结果为Ks＝1时，判定研究地面处于临界状态；当计算结果为Ks<1时，判定研究地面处于不稳定状态。

2.如权利要求1所述的空洞型岩溶地面稳定性评估方法，其特征在于，当步骤2中，当判定研究地面处于临界及不稳定状态时，进一步继续执行下述步骤；

步骤3：定义功能函数Z即公式2；

公式2：

公式中，各字符意义和公式1相同；

步骤4：对于步骤1中获取的D、h_i、γ_i、J_i、△H、n_i、μ_i、h_w参数数值进行统计分析，得到各参数的分布函数；将上述确定的各参数的分布函数代入公式2确定功能函数Z的分布函数f(x)和模拟次数N；

步骤5：运用随机函数在0-1范围内进行抽样，得到随机数x；将得到随机数x代入由步骤4确定的功能函数的分布函数，即可得到功能函数的分布函数f(x)对应的数值；

步骤6：重复步骤5的计算，直至达到模拟次数N，计算失稳概率P_f；失稳概率计算方式为，重复步骤5计算结果等于和小于零的次数L除以模拟次数N的比例；然后即可得出非稳定的空洞型地面失稳的量化指标。