沈 佳，簡文彬,2,3，蘇添金，洪儒寶,2,4，張少波

(1.福州大學 環(huán)境與資源學院， 福建 福州 350108； 2.地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350108；3.福建省地質(zhì)災害重點實驗室， 福建 福州 350002；4.福建省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心， 福建 福州 350002)

巖溶塌陷是一種巖溶動力作用和現(xiàn)象[1]，是喀斯特地區(qū)的主要地質(zhì)災害之一。根據(jù)溶洞發(fā)育的地層類型不同，可將巖溶塌陷劃分為土洞塌陷和基巖塌陷兩種，土洞塌陷由于埋藏淺、突發(fā)性高，造成的危害往往更為嚴重，因而目前已經(jīng)成為國際社會共同關注的熱點問題之一。

長期以來，針對土洞塌陷的致塌因素及演化機理，國內(nèi)外學者進行了大量的研究并提出了許多有建樹性的理論，如潛蝕論、真空吸蝕論、氣爆論、液化論等[2-9]。隨著大量工程經(jīng)驗的積累，大部分理論都得到了有效的發(fā)展，但由于土洞塌陷具有極強的隱蔽性，且土體具有較大的不均勻性，土洞致塌機理仍要進一步明確和探索，在此期間，對于土洞塌陷演化過程的認識就尤為重要。學者羅小杰[10]曾根據(jù)巖溶覆蓋層物質(zhì)成分及塌陷過程中土顆粒的運動特征，將巖溶塌陷機理劃分為沙漏型、土洞型和泥流型等3種類型；王飛等[11]通過對土洞擴展過程的模擬，發(fā)現(xiàn)土洞在地下水潛蝕作用下會出現(xiàn)應力重分布現(xiàn)象，這將會引起土洞的進一步擴展；賈龍等[12]則運用數(shù)值模擬的方法，對土洞演化過程中的應力和位移進行分析，得到判斷土洞穩(wěn)定性和極限土洞大小的方法。只有對土洞塌陷的演化過程有一個直觀的認識，對塌陷內(nèi)部的應力變形特征能夠清晰地把握，才能夠?qū)λ莸臋C理有更深層次的理解。但截至目前為止，大多數(shù)學者都只從理論推導或數(shù)值仿真方面去探討分析，并未對巖溶土洞具體的塌陷過程進行充分研究，對于其演變階段及演化規(guī)律等尚不能完全掌握，亟需進一步的認識和完善，因而開展有關的土洞塌陷演化過程的試驗就顯得十分必要。

福建省常年溫暖濕潤、臺風暴雨頻發(fā)，省內(nèi)巖溶塌陷災害多發(fā)生于2月—6月的梅雨季節(jié)及7月—8月的臺風雷雨季節(jié)，降雨影響不可忽視。但縱觀國內(nèi)目前大部分的研究，對于降雨狀況的涉及相對較少，大多集中于對水氣壓變化及上覆荷載影響的研究[13-15]。因此本次模型試驗以降雨為主要致塌力，力求在符合實際情況的條件下有所創(chuàng)新和突破。

2015年2月—6月，龍巖市永定區(qū)樟坑自然村陸續(xù)出現(xiàn)房屋塌陷，以福興樓為中心的幾棟民房相繼出現(xiàn)地表開裂、墻體變形、基礎下沉、地面塌陷險情，共形成十余處塌陷坑，所幸搶救及時，并未造成人員傷亡。本文以此為研究背景，結合現(xiàn)場實際情況按照相似性原理構建室內(nèi)物理模型，通過設計多組對比試驗對降雨入滲條件下巖溶塌陷的演化過程展開全面研究，同時，利用有限差分軟件FLAC3D對土體應力、位移和塑性區(qū)分布規(guī)律進行分析，以期進一步揭示土洞塌陷的致塌機理，為福建省巖溶塌陷災害的監(jiān)測預警、預防治理研究提供參考依據(jù)。

1 降雨入滲下巖溶土洞塌陷試驗

1.1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1.1 地形地貌

樟坑自然村在地形上屬山間溶蝕盆地，周圍被丘陵低山環(huán)繞，地面高程為500 m～530 m，高低起伏30 m左右，盆地內(nèi)東北高西南低，總體呈不規(guī)則的狹長狀，面積約20 000 m2。盆地中部發(fā)育溪溝，自北往南徑流，平常流量約20 L/s。

1.1.2 巖土體性質(zhì)

根據(jù)勘查揭露，樟坑巖溶塌陷區(qū)內(nèi)，自上而下覆蓋巖土體類型有：素填土、礫卵石、含角礫粉質(zhì)黏土、中風化灰?guī)r。其中主要覆蓋層為含角礫粉質(zhì)黏土層，厚度10.0 m～20.5 m，以黏粒為主，角礫含量約為25%，細小的粘粒顆粒極易在地下水的滲透下沿角礫骨架間流失。根據(jù)密度計法測試和計算可知，該層土體不均勻系數(shù)Cu=40>10，存在發(fā)生潛蝕作用的可能，此外，通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土洞主要形成于該土體內(nèi)部。

1.1.3 地質(zhì)構造

研究區(qū)位于東西向和南北向構造體系的南東部，斷裂構造發(fā)育，區(qū)內(nèi)主要見有兩條北東向斷裂和一條東西向斷裂，巖石破碎，以張性、張扭性斷裂為主，導水性強，極有利于雨水的入滲。

1.1.4 氣象條件

樟坑自然村地處低緯度區(qū)，屬亞熱帶海洋性季風氣候，溫暖濕潤、雨量充沛，年均氣溫20.1℃，降水量1 770.6 mm，最大降水量2 630.5 mm，日最大降雨量為159.2 mm。雨水通過軟化崩解及入滲沖刷作用使得土洞周邊土體不斷流失，土洞規(guī)模不斷擴大，是造成此次土洞塌陷的主要因素之一。

1.2 試驗概況

1.2.1 試驗模型和土體參數(shù)

試驗模型為箱式構造，主體部分長寬高為0.60 m×0.60 m×0.65 m，側壁及底部由有機玻璃組成，上部留空，底部玻璃板可進行替換。根據(jù)試驗需要，分別制作5塊中心留有直徑為5 cm、8 cm、10 cm、12 cm、15 cm圓洞的有機玻璃板，用于模擬不同尺寸的土洞大小。

試驗土體為研究區(qū)內(nèi)采取的含角礫粉質(zhì)黏土，根據(jù)相似理論，模型制作中在覆蓋層土體含水率、密度、抗剪強度參數(shù)等方面與現(xiàn)場原狀土相似。在填筑時采用質(zhì)量控制法分層填筑，每層填筑厚度為5 cm，填筑過程中，將傳感器鋪設固定到所需位置，填筑后用布條覆蓋好靜置48 h，使土體進行充分的應力與水分調(diào)整。靜置后土體參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理力學參數(shù)

1.2.2 試驗方案

根據(jù)以往的氣象資料顯示，研究區(qū)日最大降雨量為159.2 mm，為了方便觀測，試驗盡量安排在白天12 h內(nèi)完成。將兩者經(jīng)過簡單計算可得，其平均小時降雨量為13.3 mm，而室內(nèi)設備雨強變化范圍為15 mm/h～150 mm/h，綜合以上考慮，設計試驗降雨強度為15 mm/h，進行長時間連續(xù)降雨。同時，為了探究土洞演化規(guī)律及響應情況，將土洞尺寸及覆蓋層厚度作為自變量進行對比研究，其方案設計如表2所示。

表2 試驗方案設計

1.2.3 傳感器布置

試驗所需的傳感器名稱及數(shù)量如表2所示。具體布置方法為：模型箱底部埋設一根光纖及2只土壓力盒，光纖位于中軸上，土壓力盒則分別埋置于中心及邊緣處，隨著覆蓋層厚度增加，部分試驗增設兩只土壓力盒。以初始空洞直徑(后文簡稱洞徑)10 cm，覆蓋層厚度20 cm為例，布置方法如圖1所示。

圖1 傳感器埋設示意圖(單位：mm)

2 土洞致塌演化過程研究

2.1 土拱效應的確定和分析

2.1.1 土體應變分析

在設計好5種不同洞徑的前提下，分別做覆蓋層厚度為1倍～4倍洞徑的相關性試驗。沿模型箱底部中心水平方向鋪設光柵串一根，其上分布5個光纖監(jiān)測點，對各點最大應變值進行監(jiān)測，分辨率可達0.1 με，試驗結果如圖2和圖3所示(本文大部分只繪出最大、最小洞徑對應的最大、最小覆蓋層厚度的兩組圖，對應試驗1-A、1-D、5-A和5-D)。

圖2 不同覆蓋層厚度下5 cm洞徑的土體最大應變

在圖2和圖3中，土體應變變化趨勢基本相同，離中心越遠，最大應變值越小，覆蓋層越厚，最大應變值越大。從試驗中觀察到的現(xiàn)象來看，底部空洞中心處首先發(fā)生塌落，該處土體最早有應變響應且較為迅速，而隨著土體不斷塌落，塌陷發(fā)展至空洞邊緣及遠處，但其變化相對于中心處要小得多。太沙基[16]認為，若土體中有支撐拱腳的存在，且土體在外力或自重作用下出現(xiàn)不均勻壓縮變形和應力傳遞現(xiàn)象，則極有可能產(chǎn)生土拱效應，從試驗現(xiàn)象和結果來看，土洞塌陷過程中極有可能出現(xiàn)該種情況。

圖3 不同覆蓋層厚度下15 cm洞徑的土體最大應變

2.1.2 土壓力分析

為了進一步確定和研究塌陷土體中的土拱效應，將土壓力作為另一個監(jiān)測變量。按照試驗方案埋設土壓力盒，監(jiān)測空洞中心及邊緣的土壓力變化，分辨率可達0.1kPa，監(jiān)測結果如圖4、圖5所示。在圖4和圖5中，土壓力在起始階段受降雨影響均有所上升，但增長幅度很小，隨著試驗的進行，中心處的土壓力首先出現(xiàn)下降趨勢，并迅速降至為0 kPa，隨之發(fā)生塌陷。與此同時，邊緣土壓力則是繼續(xù)上升并在一段時間后達到峰值，經(jīng)過簡單的計算發(fā)現(xiàn)，該峰值要遠大于降雨所帶來的自重影響，說明邊緣處此時發(fā)生了應力集中現(xiàn)象，邊緣的應力要較大于中心壓力。結合前文所述，土體在存有支撐拱腳的前提下，發(fā)生了不均勻位移或變形，且邊緣出現(xiàn)應力增大的現(xiàn)象，這幾點均滿足土拱效應產(chǎn)生的條件，有效證實了土拱效應的存在。

2.1.3 土拱效應分析

前兩節(jié)已明確了在降雨入滲下土洞塌陷過程中土拱效應的存在，為了對土拱效應有更明確的定義，現(xiàn)提出土拱效應系數(shù)這一概念，其意義為土壓力增加量與初始土壓力的比值?，F(xiàn)將這一概念代入不同洞徑條件下進行計算分析，通過試驗第1組、第3組和第5組，計算結果如圖6所示。

從圖6可以看到，在不同空洞直徑下，土拱效應系數(shù)與覆蓋層厚度的關系曲線變化情況基本一致，即在1倍的空洞直徑下，土拱效應系數(shù)均較低，接近20%，而當覆蓋層達到兩倍洞徑，土拱效應系數(shù)均有所增加，達到最大值32%左右，這說明土拱效應的大小與土體覆蓋層的厚度有直接的關系，究其原因主要是在于土拱結構的形成，只有當覆蓋層達到一定厚度時，才能夠在土體中形成完整的拱形結構，土拱效應才能夠完全體現(xiàn)，而在此之后，隨著覆蓋層與洞徑的比值增大，土拱效應逐漸減小并最終維持在30%左右。

圖4 不同覆蓋層厚度下5 cm洞徑的土壓力曲線

圖5 不同覆蓋層厚度下15 cm洞徑的土壓力曲線

圖6 不同空洞直徑下土拱效應系數(shù)

2.2 土洞塌陷過程分析

2.2.1 土壓力分析

隨著時間推移，在降雨入滲的影響下，土洞塌陷不斷向上發(fā)展，為了更深入地了解土洞塌陷的演化過程，在部分試驗中，增加埋設一層(土層中間，2只)土壓力盒，監(jiān)測土壓力變化情況，監(jiān)測結果如圖7、圖8所示。

圖7 5 cm洞徑土體的土壓力變化曲線

圖8 15 cm洞徑土體的土壓力變化曲線

從圖7和圖8中可以看出，在試驗初期，受降雨潤濕作用土壓力均有一定增長，但幅度較小，僅為0.1 kPa～0.3 kPa左右，隨后中心處土壓力在短時間內(nèi)呈階梯式降至為0 kPa，另一土壓力盒也在一段時間后發(fā)生同樣變化。這說明土體在塌陷過程中，向上發(fā)展的速度要大于縱向發(fā)展速度，使得中心處的土體首先發(fā)生塌落。同時，土體的塌落形式為團塊狀間歇式塌落，即某一時刻發(fā)生塌落后土體會在一段時間內(nèi)處于平衡狀態(tài)，直至下一次塌落發(fā)生時，平衡狀態(tài)才被破壞。

2.2.2 土洞塌陷發(fā)展分析

為了對土洞塌陷過程有更直觀的認識，在試驗過程中使用相機拍照記錄不同時期的塌陷情況，以底部空洞直徑15 cm、覆蓋層厚度60 cm(試驗5-D)為例進行說明，如圖9所示。從圖9中可以看到，中心處的塌陷深度要大于邊緣處，土洞形成的塌落面是呈拱形的，而非平面的，這就與所提出的土拱效應相互吻合，由此我們可以認為，土洞的塌陷過程其實是“初始土洞形成-土拱效應產(chǎn)生-土洞受力平衡-降雨下滲產(chǎn)生下拉滲流力-土拱效應失效-土洞繼續(xù)塌陷直至地表”的過程。

圖9 15 cm洞徑的土洞塌陷過程

2.2.3 塌陷土洞形狀分析

在試驗結束后，對土體進行剖面切割并拍照，以便能夠更清晰地觀察塌陷后土洞的形狀，如圖10所示(以試驗組3為例)。

從圖10中可以看到，當?shù)撞靠斩粗睆揭欢〞r，隨著覆蓋層厚度的增加，塌陷土洞的影響范圍也相應增加，而土洞的形狀也由近似的圓柱狀向中間大兩頭小的紡錘狀轉(zhuǎn)變，同時，塌陷土洞的最大洞徑也在不斷增大。類似的情況在其它洞徑條件下也能見到。

圖10 10 cm洞徑的塌陷土洞剖面

為了更清晰地表示土洞塌陷后最終的形狀，根據(jù)試驗獲得的數(shù)據(jù)繪制出試驗組3塌陷土洞的形狀剖面圖，如圖11所示。從圖11中可以看到，在覆蓋層厚度較小時，土洞形狀更近似于圓柱狀，土洞洞徑基本沒有發(fā)生變化，而隨著覆蓋層厚度的增加，土洞形狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧忓N狀，同時土洞最大洞徑也隨之增大。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于：當覆蓋層厚度較薄時，土洞塌陷很快發(fā)展至地表，縱深方向的土體塌落相對較少，土洞形狀基本為圓柱狀；而當覆蓋層厚度增加時，縱深方向的塌落尺度隨之增加，但總體速度上依然是豎直方向要大于縱深方向，因此塌陷土洞的形狀才呈現(xiàn)為紡錘狀。

圖11 塌陷土洞剖面

將3組試驗出現(xiàn)的最大洞徑值進行整理并進行擬合分析，當空洞直徑一定時，塌陷形成的最大洞徑與覆蓋層厚度成線性關系，擬合優(yōu)度較好。同時，對比3組擬合方程發(fā)現(xiàn)，方程的一次項系數(shù)均為0.3左右，而常數(shù)項則跟底部空洞直徑十分接近，由此，不妨假設塌陷的最大洞徑y(tǒng)與覆蓋層厚度x及空洞直徑D間滿足以下關系：y=0.3x+D,擬合結果見表3。由表3可知，擬合優(yōu)度R2雖有所降低，但仍接近于1，說明擬合結果較為準確，擬合關系具有較高的適用性。

表3 擬合優(yōu)度分析

2.3 土洞塌陷演化階段分析

巖溶土洞的塌陷是一個不斷發(fā)展和演化的過程，通過對土洞塌陷過程中塌落土體的累積質(zhì)量增量進行記錄和分析，力求能夠?qū)碗s的塌陷過程劃分為幾個簡單的演化階段，以便于理解和研究。以試驗3-C所得曲線為例，如圖12所示。根據(jù)塌陷土體質(zhì)量的增量變化情況，可以將巖溶土洞的塌陷過程劃分為3個階段：土洞發(fā)育形成、內(nèi)部塌陷擴展以及地表塌陷階段。具體表現(xiàn)為：在擋板移除之后，土體在自重及降雨作用下發(fā)生變形和塌落，初始土洞由此形成，但此階段塌陷土體質(zhì)量小，增長速度較慢；隨后土洞不斷擴展，土拱效應逐漸消失，塌落速度明顯增加，塌陷土體累積質(zhì)量迅速增大；而當上覆土層厚度無法支撐土體自重時，土體隨即發(fā)生破壞，瞬間出現(xiàn)大量塌落，并在地表形成塌陷坑。

圖12 塌陷土體累積質(zhì)量增量變化曲線

2.4 現(xiàn)場情況

需要指出的是，當土洞發(fā)展到一定規(guī)模而土拱失效，地表隨即發(fā)生塌陷。由于這一過程通常在瞬間完成，因而塌陷坑所形成的洞壁往往呈直立式，這與現(xiàn)場的大多情況基本吻合[14]，此外，從圖13中我們可以發(fā)現(xiàn)，塌陷坑左側洞壁有向土體內(nèi)側傾斜的趨勢，與模型試驗結果一致，由此我們可以推測：土洞在向上發(fā)展的過程中極有可能帶動兩側的土體發(fā)生塌落，使得土洞在橫向空間上也有所延伸，從而形成“兩頭窄中間寬”的紡錘狀塌陷。

圖13 地表塌陷坑

3 巖溶土洞塌陷演化數(shù)值模擬

3.1 模型建立及參數(shù)選取

限于篇幅，本文僅選取洞徑為15 cm，覆蓋層厚度為45 cm的試驗進行詳細說明，其他條件下的演化規(guī)律基本類似。本次模擬假設初始土洞為球狀土洞，土體呈飽和狀態(tài)，通過擴大土洞半徑，實現(xiàn)土洞發(fā)展演化過程的模擬，建立的數(shù)值模型如圖14所示。根據(jù)土工試驗資料，對土層參數(shù)進行賦值，如表4所示。

圖14 基本模型

表4 模型物理力學參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結果分析

將土洞塌陷過程分階段進行模擬，在不平衡力達到要求后，終止計算，得到各階段下土體應力、位移和塑性區(qū)等變化情況，現(xiàn)對其進行分析。

3.2.1 剪應力分布規(guī)律

各階段土體的剪應力分布情況如圖15所示，可以發(fā)現(xiàn)，在土洞塌陷的不同階段，土拱效應始終存在，這主要表現(xiàn)于：隨著土洞的向上發(fā)展，土洞洞徑不斷增大，但土中最大剪應力值始終出現(xiàn)在拱腳位置，隨著拱腳的移動而發(fā)生變化。由此可見，在塌陷過程中，土中最大剪應力值分布區(qū)域并不是一成不變的，不會一直維持在最初的底部位置，而是會隨著土洞的發(fā)展而發(fā)生移動。此外，由于土體臨空，下部失去依托，洞頂?shù)募魬υ谒葸^程中始終要小于其它部位，當土洞發(fā)展至臨塌階段時，洞頂應力值基本與覆蓋層上部一致，形成連通的應力低值區(qū)，這也預示著塌陷即將發(fā)生。

圖15 剪應力分布圖

3.2.2 豎向位移分布規(guī)律

土洞塌陷不同階段的土體豎向位移變化情況如圖16所示。從圖16中可以看到，相較于其他部位，拱頂處土體在整個塌陷過程中產(chǎn)生的豎向位移更大，形成了多個紡錘形的位移分布環(huán)，環(huán)中心位于洞室的最頂端，這與室內(nèi)模型試驗的試驗效果一致。同時可以發(fā)現(xiàn)，在土洞形成和擴大階段，土體豎向位移變化并不明顯，階段間差值不大，但第三階段位移卻迅速增長，這說明在土洞塌陷過程中，土體內(nèi)部的變形是一個相對緩慢的過程，而當土洞發(fā)展至地面時，地表的塌陷卻在瞬間內(nèi)完成，這也從側面體現(xiàn)了土洞塌陷極強的隱蔽性和突發(fā)性。

圖16 豎向位移分布圖

3.2.3 塑性區(qū)分布規(guī)律

塑性區(qū)可以用來反映土體潛在的破壞范圍，因此，研究覆蓋層塑性區(qū)分布情況，可以得到巖溶土洞進一步發(fā)展演化的趨勢與潛在的破壞形式，見圖17。可以發(fā)現(xiàn)，土洞在發(fā)展擴大的過程中，土洞周圍一定范圍內(nèi)的土體會首先進入塑性屈服狀態(tài)，且以張拉破壞為主，同時由于土拱效應的存在，塑性區(qū)主要分布于拱頂及拱腳以下位置，且以拱頂分布為主。隨著土洞的擴大，塑性區(qū)范圍逐漸增大，向上發(fā)展的趨勢愈加明顯，在這種情況下，拱頂土體首先發(fā)生張拉破壞，繼而向上發(fā)展直至貫穿地表，最終在地面上形成塌陷坑。

4 結 論

(1) 通過試驗結果可確定在土洞塌落的初期存在土拱效應。其發(fā)揮程度主要受覆蓋層厚度的影響，當覆蓋層厚度達到底部初始空洞直徑的2倍后，其發(fā)揮程度基本保持不變；可將土拱效應失效過程總結為“初始土洞形成-土拱效應產(chǎn)生-土洞受力平衡-降雨下滲產(chǎn)生滲流力-土拱效應失效-土洞繼續(xù)塌陷直至地表”的過程。

圖17 塑性區(qū)分布圖

(2) 塌陷土體的累積質(zhì)量經(jīng)歷了緩慢增加-基本勻速增加-迅速增加的變化，可將巖溶土洞的塌陷過程劃分為三個階段：土洞發(fā)育形成、內(nèi)部土洞塌陷擴展和地表塌陷。

(3) 在土洞塌陷數(shù)值模擬中，土體的最大剪應力始終集中于土洞的拱腳處，而豎向位移分布則是以洞頂為中心向兩側延伸的紡錘形環(huán)狀分布，其中心處位移值最大。覆蓋層土體由于洞頂張拉破壞而發(fā)生塌落，并最終形成地表塌陷。

(4) 巖溶土洞的塌陷演化機理：可溶巖中的裂隙在地下水的作用下擴大形成巖溶空洞，上覆蓋層在重力及下滲水體等作用下形成塌陷土洞。土洞向上部不斷擴展發(fā)育，當覆蓋層厚度低于某一臨界值時，上覆土體不能承受其自身重力而發(fā)生塌陷，形成地表塌陷坑，此時塌陷土洞呈現(xiàn)為中心大、兩端小的紡錘型。