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重庆地区地下工程建设诱发岩溶塌陷的机制研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 本文研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩溶塌陷机制研究

1.2.2 岩溶塌陷的模型实验研究

1.3 研究内容、方法与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线图

第二章 重庆地质环境条件及其岩溶地貌发育特征

2.1 重庆地区地质环境条件

2.1.1 自然地理概况

2.1.1 地质构造和地形地貌

2.1.2 地层岩性、地下水及气候条件

2.2 重庆地区岩溶地貌发育特征

2.2.1 渝中槽谷型岩溶山地区

2.2.2 渝东南峡谷型岩溶山地区

2.2.3 渝东北层状构造岩溶山地区

2.3 重庆地区岩溶塌陷介绍

2.2.1 重庆近年发生的岩溶塌陷

2.2.2 典型塌陷区

2.4 本章小结

第三章 岩溶塌陷的形成条件及其形成机制分类研究

3.1 岩溶地面塌陷的形成条件

3.1.1 开口型岩溶洞隙是岩溶塌陷产生的基础

3.1.2 一定厚度的松散盖层

3.1.3 易于改变的岩溶地下水动力条件

3.1.4 岩溶塌陷形成的动力因素

3.2 岩溶塌陷的分类

3.1.1 自然塌陷

3.1.2 人类活动诱发的塌陷

3.3 岩溶塌陷的形成机制分类研究及其主要特征

3.4 岩溶塌陷的形态特征与规模

3.5 本章小结

第四章 地下工程建设诱发岩溶塌陷形成机制研究

4.1 地下工程建设诱发岩溶塌陷模式

4.2 直接垮塌型岩溶塌陷形成机制

4.2.1 直接垮塌型岩溶塌陷盖层土体稳定性判据

4.2.2 典型圆柱状盖层土体塌陷判据

4.3 土洞扩展型岩溶塌陷形成机制

4.3.1 形成土洞的必要条件

4.3.2 影响土洞形成及发育的因素

4.3.3 土洞形成的机理及其起始条件

4.3.4 土洞扩展导致岩溶塌陷的力学机制分析

4.4 地下水位位置对岩溶塌陷的影响分析

4.4.1 地下水位位于溶洞上覆盖层土体之下

4.4.2 地下水位位于溶洞上覆盖层土体表面

4.4.3 地下水位位于溶洞上覆盖层土体之中

4.5 算例分析

4.5.1 歌乐山余家湾水库岩溶塌陷概况

4.5.2 歌乐山余家湾水库岩溶塌陷诱发因素分析

4.5.3 歌乐山余家湾水库岩溶塌陷机制分析及判据计算

4.5.4 歌乐山余家湾水库岩溶塌陷岩溶塌陷形成过程

4.6 本章小结

第五章 岩溶塌陷模型试验

5.1 试验模型设计

5.1.1 试验目的

5.1.2 试验模型

5.1.3 试验工况与仪器介绍

5.2 试验过程及结果

5.2.1 实验过程

5,2.2 实验结果

5.3 实验结果分析

5.3.1 土层厚度和水位差对塌陷发育过程的影响

5.3.2 土层厚度和水位差对真空负压力的影响

5.3.3土层厚度和水位差对塌陷坑尺寸的影响

5.4 水位差不同情况下的真空负压力实测值与计算值比较分析

5.5 本章小结

第六章 结论和建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录:攻读学位期间参加的科研项目及发表的论文

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摘要

岩溶塌陷是由于可溶岩中存在开口型岩溶洞隙,其上覆地表岩、土体在自然或是人为因素作用下,向下陷落,并在地面形成塌陷坑的现象。岩溶塌陷在所有塌陷中数量最多、分布最广、发生频率最高、诱发因素最多,且具有较强的隐蔽性和突发性等特点。当地下工程建设不可避免地通过岩溶地貌发育地区,其施工过程极易诱发岩溶塌陷。岩溶塌陷的诱发因素囊括多个方面,因此其致塌模式多种,其形成机制也必须考虑各方面的作用力。本文以地下工程建设过程中大量抽排地下水从而改变其水动力条件为主要着手点,通过普氏理论、极限平衡理论研究岩溶塌陷形成过程和力学机制,并利用岩溶模型试验模拟水位下降致塌过程及水位差与真空负压力的关系。主要研究成果如下:
  (1)针对地下工程建设排水导致地下水位下降而诱发的岩溶塌陷,分析其发育过程,根据溶洞上覆土体破坏、塌陷状态,将其分为整体垮塌型与土洞渐扩型塌陷,建立直接垮塌型岩溶塌陷的稳定性判据,并详细分析典型圆柱状盖层土体塌陷判据的计算过程。
  (2)从形成土洞的必要条件、影响土洞形成及发育的因素、土洞形成机理及其起始条件、力学机制四方面详尽阐述土洞发育过程,并从控制抽/排水速度和地下水位差两方面来控制总的排水量,从而控制土洞开始发育。分析了地下水位位于溶洞上覆盖层土体中不同位置时,岩溶塌陷判据的变化,得出土体本身性质、地下水位降落时产生真空负压力与否对岩溶塌陷形成的直接影响。
  (3)以重庆市余家湾水库岩溶塌陷为计算算例,建立岩溶塌陷区盖层土体的力学模型,分析其是否能发育土洞,经计算,溶洞上覆土体厚度h均满足条件h≥2h';运用土洞扩展型塌陷判据公式,根据重庆余家湾水库四处地面塌陷点的实际现场资料,将各参数代入公式进行计算,得到判定系数均小于1,即土体均塌陷,验证了塌陷判据的准确性。
  (4)根据岩溶塌陷物理模型,研制了降水致塌岩溶模型试验装置,实施了四个水位差1m、3m、6m、9m和4种土层厚度5cm、10cm、15cm、20cm共16种工况下的降水致塌试验,获得了实验中真空负压力和塌陷坑尺寸数据。通过对试验过程的观测、分析,得到直接垮塌型和土洞扩展型两种模式岩溶塌陷的发育过程;真空负压力的大小随着厚跨比和水位差的不同组合下的变化;塌陷坑尺寸随厚跨比和水位差不同组合下的变化;并对水位差不同情况下的真空负压力实测值与计算值做了比较分析。

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