CN112345385A - 一种地下水位下降导致的岩溶土洞安全性预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种地下水位下降导致的岩溶土洞安全性预测方法，包括如下步骤：第一步：获取地下水位初始埋深h1、岩溶土洞洞顶的埋深h2、岩溶土洞洞底的埋深h3；第二步：获取岩溶土洞在水平面上的最大周长L和最大面积A；第三步：根据环刀法确定土体的重度γ以及土体的饱和度γsat，利用直剪试验确定土体的粘聚力c和土体的内摩擦角
Figure DDA0002752769050000011
第四步：判断地下水位下降后地下水位埋深hw与岩溶土洞洞顶的埋深h2、岩溶土洞洞底的埋深h3的关系，根据不同的位置关系按照不同的预测方法进行岩溶土洞安全性的预测；本发明提出的方法，具有流程性强，结果可靠和使用方便的优点。

Description

一种地下水位下降导致的岩溶土洞安全性预测方法
技术领域
本发明涉及岩溶土洞安全性预测领域，特别是指一种地下水位下降导致的岩溶土洞安全性预测方法。
背景技术
岩溶土洞在我国南方沉积岩地区较为常见，地下水位以上的岩溶土洞里往往充满了空气，地下水位以下的往往充满了水，若地下水位下降，会造成土体自重增大，土洞里形成真空，引起土洞上覆土体坍塌，造成工程事故。地下水位下降的因素较多，包括：(1)周围矿山开采，抽取地下水，导致地下水位下降；(2)农田灌溉或工业用水，过度抽取地下水，导致地下水位下降；(3)长期干旱，导致地下水位下降。对于地下水位下降一定深度时，上覆土体是否会出现坍塌，或者土洞是否安全，目前尚无可靠的理论进行预测。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种地下水位下降后，土洞安全性的预测方法，具有流程性强、结果可靠和使用方便的优点。
本发明采用如下技术方案：
一种地下水位下降导致的岩溶土洞安全性预测方法，包括如下步骤：
第一步：获取地下水位初始埋深h1、岩溶土洞洞顶的埋深h2、岩溶土洞洞底的埋深h3；
第二步：获取岩溶土洞在水平面上的最大周长L和最大面积A；
第三步：根据环刀法确定土体的重度γ以及土体的饱和度γsat，利用直剪试验确定土体的粘聚力c和土体的内摩擦角
Figure BDA0002752769030000011
第四步：判断地下水位下降后地下水位埋深hw与岩溶土洞洞顶的埋深h2、岩溶土洞洞底的埋深h3的关系，若hw≤h2，转第五步，若h2<hw<h3，转第六步，若，hw≥h3转第七步；
第五步：1)确定土洞洞顶上方土体的抗剪强度；
其中，地下水位以上土体的平均抗剪强度τ1为：
Figure BDA0002752769030000012
地下水位至土洞洞顶之间土体的平均抗剪强度τ2为：
Figure BDA0002752769030000021
其中，K0为水平土压力系数；γw为水的重度；
2)确定出土洞洞顶上方土体坍塌的抵抗力R1
R1＝τ1Lhw1+τ2L(h2-hw1)
3)确定出土洞上方土体的下滑力T1
T1＝γhw1A+(γsat-γw)(h2-hw1)A
4)比较R1和T1的大小，若R1≥T1，则不会塌陷，即岩溶土洞处于安全状态；反之，岩溶土洞出现塌陷；
第六步：1)确定土洞洞顶范围以上土体的平均抗剪强度τ3为
Figure BDA0002752769030000022
2)确定出土洞洞顶上方土体坍塌的抵抗力R2
R2＝τ3Lh2
3)确定出土洞洞顶上方土体的重力G2
G2＝γh2A
4)确定出土洞上方真空部分对上方土体引起的真空吸力X2
X2＝(hw2-h2)γwA
5)确定出土洞上方土体的下滑力T2
T2＝G2+X2
6)比较R2和T2的大小，若R2≥T2，则不会塌陷，即岩溶土洞处于安全状态；反之，岩溶土洞出现塌陷；
第七步：1)确定出土洞洞顶上方坍塌时的抵抗力R3
R3＝R2
(2)确定出土洞上方土体的重力G3
G3＝G2
(3)确定出土洞真空部分对上方土体引起的真空吸力X3
X3＝(h3-h2)γwA
(4)确定出土洞上方土体的下滑力T3
T3＝G3+X3
(5)比较R3和T3的大小，若R3≥T3，则不会塌陷，即岩溶土洞处于安全状态；反之，岩溶土洞出现塌陷。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提出的方法具有明确的稳定性判断依据，且将地下水位下降后埋深与岩溶土洞相关参数进行了不同的分类，对应不同的求解方法，能够对地下水位下降导致的不同情况下的岩溶土洞的安全性作出预测，准确全面，本发明提供的土洞安全性的预测方法，具有流程性强、结果可靠和使用方便的优点。
附图说明
图1为利用本发明提出方法的具体实例图。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
本发明提供的一种地下水位下降导致的岩溶土洞安全性预测方法，包括如下步骤：
第一步：获取地下水位初始埋深h1、岩溶土洞洞顶的埋深h2、岩溶土洞洞底的埋深h3；
第二步：获取岩溶土洞在水平面上的最大周长L和最大面积A；
第三步：根据环刀法确定土体的重度γ以及土体的饱和度γsat，利用直剪试验确定土体的粘聚力c和土体的内摩擦角
Figure BDA0002752769030000031
第四步：判断地下水位下降后地下水位埋深hw与岩溶土洞洞顶的埋深h2、岩溶土洞洞底的埋深h3的关系，若hw≤h2，转第五步，若h2<hw<h3，转第六步，若，hw≥h3转第七步；
第五步：1)确定土洞洞顶上方土体的抗剪强度；
其中，地下水位以上土体的平均抗剪强度τ1为：
Figure BDA0002752769030000041
地下水位至土洞洞顶之间土体的平均抗剪强度τ2为：
Figure BDA0002752769030000042
其中，K0为水平土压力系数；取0.5；γw为水的重度，取9.8kN/m3
2)确定出土洞洞顶上方土体坍塌的抵抗力R1
R1＝τ1Lhw1+τ2L(h2-hw1)
3)确定出土洞上方土体的下滑力T1
T1＝γhw1A+(γsat-γw)(h2-hw1)A
4)比较R1和T1的大小，若R1≥T1，则不会塌陷，即岩溶土洞处于安全状态；反之，岩溶土洞出现塌陷；
第六步：1)确定土洞洞顶范围以上土体的平均抗剪强度τ3为
Figure BDA0002752769030000043
2)确定出土洞洞顶上方土体坍塌的抵抗力R2
R2＝τ3Lh2
3)确定出土洞洞顶上方土体的重力G2
G2＝γh2A
4)确定出土洞上方真空部分对上方土体引起的真空吸力X2
X2＝(hw2-h2)γwA
5)确定出土洞上方土体的下滑力T2
T2＝G2+X2
6)比较R2和T2的大小，若R2≥T2，则不会塌陷，即岩溶土洞处于安全状态；反之，岩溶土洞出现塌陷；
第七步：1)确定出土洞洞顶上方坍塌时的抵抗力R3
R3＝R2
(2)确定出土洞上方土体的重力G3
G3＝G2
(3)确定出土洞真空部分对上方土体引起的真空吸力X3
X3＝(h3-h2)γwA
(4)确定出土洞上方土体的下滑力T3
T3＝G3+X3
(5)比较R3和T3的大小，若R3≥T3，则不会塌陷，即岩溶土洞处于安全状态；反之，岩溶土洞出现塌陷。
下面是本发明提供的具体实施例：
福建省龙岩某山区工地发育有若干岩溶土洞，周边一采石场为了开采石材，降低地下水位，对该工地的土洞产生影响，危及到土洞上方土体的稳定性。采用本发明的方法对3个典型的土洞安全性进行预测。
通过在岩溶土洞处进行现场钻探，测量出这3个土洞处的地下水位初始埋深h1、岩溶土洞洞顶的埋深h2、岩溶土洞洞底的埋深h3；利用物探方法，测量出土洞在水平上的最大范围，进一步确定出在水平面上的最大周长L为和最大面积A；利用步骤(1)中的钻探，取原状土样，运回实验室，利用环刀法测试出地下水位以上和以下土体的质量和体积，然后分别乘以重力加速度，分别得到重度γ和饱和重度γsat；利用原状土样进行直剪试验，测得土体的粘聚力c和土体的内摩擦角
Figure BDA0002752769030000051
进一步计算抵抗力和下滑力，对安全性做出预测，如图1，具体数据预测结果见表1所示。
表1岩溶土洞安全性预测结果
Figure BDA0002752769030000052
Figure BDA0002752769030000061
本发明提出的方法具有明确的稳定性判断依据，且将地下水位下降后埋深与岩溶土洞相关参数进行了不同的分类，对应不同的求解方法，能够对地下水位下降导致的不同情况下的岩溶土洞的安全性作出预测，准确全面，本发明提供的土洞安全性的预测方法，具有流程性强、结果可靠和使用方便的优点。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (1)

1.一种地下水位下降导致的岩溶土洞安全性预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：获取地下水位初始埋深h1、岩溶土洞洞顶的埋深h2、岩溶土洞洞底的埋深h3；
第二步：获取岩溶土洞在水平面上的最大周长L和最大面积A；
第三步：根据环刀法确定土体的重度γ以及土体的饱和度γsat，利用直剪试验确定土体的粘聚力c和土体的内摩擦角
Figure FDA0002752769020000014
第四步：判断地下水位下降后地下水位埋深hw与岩溶土洞洞顶的埋深h2、岩溶土洞洞底的埋深h3的关系，若hw≤h2，转第五步，若h2<hw<h3，转第六步，若，hw≥h3转第七步；
第五步：1)确定土洞洞顶上方土体的抗剪强度；
其中，地下水位以上土体的平均抗剪强度τ1为：
Figure FDA0002752769020000011
地下水位至土洞洞顶之间土体的平均抗剪强度τ2为：
Figure FDA0002752769020000012
其中，K0为水平土压力系数；γw为水的重度；
2)确定出土洞洞顶上方土体坍塌的抵抗力R1
R1＝τ1Lhw1+τ2L(h2-hw1)
3)确定出土洞上方土体的下滑力T1
T1＝γhw1A+(γsat-γw)(h2-hw1)A
4)比较R1和T1的大小，若R1≥T1，则不会塌陷，即岩溶土洞处于安全状态；反之，岩溶土洞出现塌陷；
第六步：1)确定土洞洞顶范围以上土体的平均抗剪强度τ3为
Figure FDA0002752769020000013
2)确定出土洞洞顶上方土体坍塌的抵抗力R2
R2＝τ3Lh2
3)确定出土洞洞顶上方土体的重力G2
G2＝γh2A
4)确定出土洞上方真空部分对上方土体引起的真空吸力X2
X2＝(hw2-h2)γwA
5)确定出土洞上方土体的下滑力T2
T2＝G2+X2
6)比较R2和T2的大小，若R2≥T2，则不会塌陷，即岩溶土洞处于安全状态；反之，岩溶土洞出现塌陷；
第七步：1)确定出土洞洞顶上方坍塌时的抵抗力R3
R3＝R2
(2)确定出土洞上方土体的重力G3
G3＝G2
(3)确定出土洞真空部分对上方土体引起的真空吸力X3
X3＝(h3-h2)γwA
(4)确定出土洞上方土体的下滑力T3
T3＝G3+X3
(5)比较R3和T3的大小，若R3≥T3，则不会塌陷，即岩溶土洞处于安全状态；反之，岩溶土洞出现塌陷。
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