考虑空间形状的覆盖型岩溶土洞降水致陷分析

摘要

为揭示覆盖型岩溶土洞降水致陷机理、洞体形状尺寸影响及极限平衡状态下内在规律,以常见直筒塌陷椭球土洞为研究对象,构建其降水致陷力学模型,依据玻义耳-马略特定律推导了土洞空腔负压计算公式,以此获得土洞塌落稳定系数表达式,并对比验证计算公式的可行性;进一步获得了极限平衡状态下土体物理力学参数、降水参数、土洞空间形状尺寸及覆土厚度之间内在关系式;基于算例开展了地下水降水参数与土洞形状尺寸参数影响、极限平衡状态下内在规律分析.研究结果表明:初始水位高于洞顶时,土洞塌落稳定系数与地下水降深展现“Z”字形规律变化,下降稳定水位降越拱顶瞬间极易引发土洞塌陷;初始水位处于洞体时,两者呈现前陡后缓的负相关变化规律,且洞内初始水位越高,降幅越大;初始水位低于洞底时,降深影响很小.椭球长短半轴之比对稳定系数影响符合增函数变化规律,截面离心率越大越稳定,而圆形球体则最不利;矢高和稳定系数呈线性关系,矢高增加成拱效应显著,土洞越稳定.极限平衡状态下,初始水位一定时,降深与覆盖层厚度正相关,呈现前缓后陡变化趋势,而覆盖层厚度一定时,降深与初始水位负相关;土洞水平截面离心率越大或矢高越大,达到极限平衡状态所需地下水降深则越大,表现为前缓后陡变化规律.