张晓宸, 陈学军, 唐灵明, 2, 杨 鑫, 班如龙, 宋 宇

(1.桂林理工大学 a.土木与建筑工程学院; b.广西岩土力学与工程重点实验室， 广西 桂林 541004;2.广西师范大学, 广西 桂林 541004)

0 引 言

土洞是岩溶地区地基中常见的一种岩溶作用产物, 其稳定性受地基土的组成结构、 地下水及地表水、 地震作用、 人类活动等的影响, 当洞顶拱效应失效时, 地表就会发生坍塌, 严重时会导致地面整体塌陷, 影响城市建设和人民的生命财产安全。广西岩溶分布广泛、 发育典型, 占我国西南地区岩溶土地总面积的18.9%[1]。桂林市属岩溶极发育地区, 在岩溶谷地及洼地常发育着红黏土, 其水敏性强烈, 与我国其他地区的红黏土存在着明显的差异[2-3]。全球气候变暖导致强降雨等极端气候事件时常发生, 在强降雨作用下岩溶塌陷的数量和规模也在不断增加, 降雨已成为诱发岩溶塌陷的重要因素[4]。

对于岩溶塌陷的地质模型、 成因机理、 评价预测等的研究主要有: He等[5]认为, 中国北方的岩溶塌陷与地下水环境的变化密切相关, 崩塌数量及规模与地下水位的上升、 下降速度和波动有关; 王延岭等[6]研究了泰莱盆地的岩溶类型、 塌陷特征及形成机理; 朱寿增等[7]探讨了岩溶塌陷形成条件及其主要影响因素对桂林市西城区岩溶塌陷的影响; 陈洪凯等[8]以重庆歌乐山余家湾水库的塌陷为例, 构建地质模型分析了该类地质灾害的基本特征; 文献[9-12]采用突变级数法、 Terzaghi固结理论和GMS软件、 极限分析的上界定理等与现场勘查、 理论与模拟相结合的方法对岩溶塌陷进行预测与评价; 贾龙等[13]结合工程地质钻探以及孔中雷达测井技术, 形成地面与孔中互补的立体探测, 预测岩溶塌陷的早期隐患。

传统的岩溶塌陷相关研究几乎都是以岩溶塌陷的最终状态为对象进行的, 难以了解岩溶塌陷的发育过程, 而室内模型试验能够直观动态地观测到岩溶塌陷发育过程及演化机理，如: 雷明堂等[14]通过室内模型试验模拟了唐山市岩溶塌陷发育的过程, 研究塌陷发育的机理、 主控因素及形成条件;洪儒宝等[15]以福建省典型覆盖型岩溶塌陷为研究对象, 建立了室内模型, 分析覆盖层土体的响应情况和塌陷的发展过程; 张鑫等[16]通过理论分析和室内模型试验， 研究了水位下降对岩溶塌陷的影响及变化规律。也有研究者将数值模拟应用于岩溶塌陷的研究中， 如: Shi等[17]采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法模拟了隧道工程施工表面坍塌过程; 戴自航等[18]采用有限元软件ABAQUS对福建省永武高速公路填方路段的路堤及溶洞顶板的稳定性进行数值模拟分析。

以上成果对于强降雨诱发地下水位波动作为主导因素导致土洞塌陷机理的研究成果较为薄弱, 且由于各地区地质条件的复杂性、 岩溶塌陷的不确定性等因素使得研究成果的适用性有较大的限制, 对于桂林市岩溶区红黏土的塌陷成因和机理尚缺乏系统性的研究。因此, 为进一步了解桂林市红黏土岩溶区地面塌陷的成因机理, 在前人的研究与现场勘察分析的基础上, 笔者结合实际条件进行地质概化, 建立了桂林市临桂区岩溶地面塌陷的室内物理模型, 模拟强降雨引起的两种地下水位波动条件, 对土洞顶板的孔隙水压力、 土压力以及洞室气压进行实时监测, 动态地观测岩溶土洞塌陷的形成过程与演化机理, 对桂林市的城市安全建设具有重要的意义。

1 研究区域概况

桂林市地处广西东北部, 属于岩溶极发育地区, 是广西的降雨和暴雨中心之一。研究区域位于桂林市临桂区, 地处低纬度地区, 属于中亚热带季风气候, 雨量充沛, 年平均降水量为1 266～1 986 mm, 暴雨主要集中于4～7月。由于地形复杂, 冷空气活动频繁, 极端气候较多, 光、 温、 水的地域分布有着较大的差异。

2 室内模型试验

2.1 物理试验模型箱

整个试验装置由主体模型、 降雨系统和量测系统3部分组成, 主体模型分为上部土箱和供排水系统、 下部水箱和供排水系统两大部分:

(1)主体模型(图1)总体尺寸为1.1 m(长)×0.7 m(宽)×1.1 m(高), 根据相似理论, 模型箱的几何尺寸相似比例为1∶10, 整体框架采用高强度铝合金。 为了能清晰观察到土洞扩展过程, 四周为5 mm厚的钢化玻璃； 因土箱中盛入土体后具有较大负荷, 采用30 mm厚的钢化玻璃模拟基岩面, 基岩面边缘中间有一半圆形孔洞模拟岩溶通道, 连通上、 下部模型箱。

图1 模型装置结构设计图(a)与实物(b)

(2)模型装置上部为一土箱、 两侧及后侧水箱, 各箱之间均有孔洞连通, 水箱可排出或储存未及时入渗的雨水, 防止土体表面产生过多积水或使土层中形成稳定水头; 下部为一整体水箱, 模拟岩溶空腔, 侧壁设置排土孔(直径100 mm)及带有开关的水管, 土洞塌落的土体可由排土孔排出, 排水管在蓄水时为封闭状态, 打开即可模拟岩溶空腔内水位下降(地下水径流)的过程。

(3)降雨系统独立安装于主体模型上部, 采用特制花洒模拟降雨过程, 连接流量表与定时器, 控制降雨量与时间。

2.2 试验设备与量测系统

采用DMKY型孔隙水压力传感器和DMTY型土压力盒传感器实时测量土洞顶板的孔压和土压, 按照要求调试传感器后埋入土体, 再通过动静态电阻应变仪接入信号测试分析系统; 用Baro气压计采集洞室气压, 利用支架固定于土洞空腔中。 试验所用仪器设备如图2所示。

图2 试验数据采集传输仪器及量测系统

2.3 试验土体填筑

试验所用土体取自临桂区岩溶较为发育的地段, 从现场利用环刀获取4个原状土样送至实验室进行试验, 其平均物理力学参数见表1。

表1 土体物理力学参数统计

依据土工试验结果, 控制土样的干密度与含水率重塑土体, 使土体的密实度基本接近原状土, 按照含水率为30%、 干密度为1.45 g/cm3重塑后, 采用质量控制法进行分层填筑与夯实, 顶板厚度填筑20 cm, 即土洞半径与顶板总厚度共25 cm。

2.4 试验原理与方案

根据研究区域现场强降雨引起的土洞塌陷模式, 设计了降雨强度为特大暴雨级别(12 h雨量≥140 mm)情况下的两种方案: 一种是连续性强降雨, 降雨时地下水水位一直保持在基岩面以上; 一种是间歇性强降雨, 地下水水位降至基岩面以下后再进行降雨。模型试验从已发育成型的土洞开始进行模拟, 未及时入渗的雨水通过装置侧面水箱的预留孔(地裂缝及落水洞)排入岩溶空腔, 地下水水位不断上升, 没过基岩面后与土洞之间形成密闭空间, 拱底处土体受地下水的作用软化、 崩解、 塌落, 经岩溶通道落入岩溶空腔。考虑到地下水的径流, 控制排水开关调控岩溶空腔中的水位, 水位下降后继续模拟降雨, 地下水反复作用于土洞内壁, 土洞空腔在地下水和洞室气压的作用下进一步扩大, 最终发生塌陷。

方案1试验操作步骤如下: ①调整好摄像头, 调试确定设备均处于工作状态, 打开仪器实时采集数据, 记录水表读数; ②岩溶通道半径设置为5 cm, 在通道口正上方预埋半径为5 cm的1/4球形模具模拟土洞, 填筑土体并固定好传感器, 监测点位按照距洞顶3、 8、 13、 18 cm的位置放置, 将模具从下方排土孔取出, 在土箱内注入一定高度的水后静置24 h, 使土体自然渗透固结; ③试验开始前, 将Baro气压计从下方排土孔安置于土洞空腔, 试验时, 打开下部水箱的供水开关, 控制水位刚好处于基岩面, 此时水位与洞室形成一密闭空间, 气压计实时监测所处环境的气压; ④开启降雨系统, 当侧面水箱内水位与土体表面齐平且土表不积水时, 中止降雨, 记录降雨起止时间和降雨量; ⑤打开下部水箱阀门排水, 地下水水位下降至基岩面时, 关闭阀门, 保持土洞空腔与外界大气不相通; ⑥模型上部土箱平面尺寸为1 m(长)×0.6 m(宽), 根据研究区域日最大降雨量超过140 mm, 试验中控制降雨强度为0.012 m/h, 每15 min进行一次降雨, 累计降雨深度0.003 m, 即水表读数所示降雨量达0.001 8 m3为一个降雨周期, 循环上述步骤直至土洞塌陷。

方案2是在上述第③步中, 使地下水水位迅速下降至基岩面以下2 cm位置, 令洞室气体与外界大气相通。

3 试验结果及分析

3.1 孔隙水压力变化分析

试验开始时, 对顶板不同深度处的孔压和土压进行平衡调零处理, 试验数值为强降雨和地下水同时作用下的相对值。选取两个方案下一次完整强降雨过程中顶板各层孔隙水压力与累计降雨量的关系进行分析(图3)。从整体上看, 随降雨量的增加, 孔隙水压力均呈增大趋势, 但总体增幅有所不同, 距洞顶越近增幅越大, 距洞顶越远增幅越小, 且具有明显的分层现象。方案1中, 距洞顶3、 8、 13和18 cm处的孔压分别增加了1.02、 0.64、 0.35和0.16 kPa, 3 cm处约为18 cm处的6倍; 方案2中, 距洞顶3、 8、 13和18 cm处的孔压分别增加了1.03、 0.5、 0.23和0.1 kPa, 3 cm处约为18 cm处的10倍, 且3 cm处孔压波动较为明显, 说明此时土洞内壁少量土体剥落造成孔压的动态变化。

图3 两种方案孔压与累计降雨量的关系

3.2 土压力变化分析

两种方案中顶板各层土压与累计降雨量的关系曲线如图4所示。从整体上看, 随降雨量的增加, 土压力均有所增大。方案1中, 距洞顶3、 8、 13和18 cm处的土压分别增加了0.71、 0.42、 0.1和0 kPa; 方案2中, 距洞顶3、 8、 13和18 cm处的土压分别增加了1.56、 2.64、 0.56和0.05 kPa。距洞顶3和8 cm处的土压变幅较13和18 cm处更为明显, 说明洞顶附近土体缺乏支撑力, 容易在土体自重和水位波动影响下塌落。方案2中当降雨量达83 mm时, 距洞顶8 cm处土压反超3 cm处, 原因是此时顶板3 cm处土体剥落导致土压下降, 8 cm处土体暂未受扰动土压仍持续上升。

图4 两种方案土压与累计降雨量的关系

3.3 洞室气压变化分析

两种方案对应的洞室气压如图5所示, 从整体上看, 随降雨量的增加, 洞室气压均不断增大, 但增大速率有所不同： 降雨初期, 洞室气压相对较小, 由于上覆土层密闭性较好, 强降雨后地下水位抬升, 对洞室气体产生挤压, 随着水位不断升高, 洞室气压迅速增大; 强降雨进一步作用下, 当地下水位升至较高位置时, 短时间内气体集中在洞顶的狭小空间内无法排出, 此时洞室气压达到最大, 方案1洞室气压增加了1.82 kPa, 方案2增加了2.7 kPa;当地下水位升至较高位置, 由于上覆土层饱水后密闭性增强且重度增大, 短时间内气体聚集在洞顶的狭小空间内无法排出也不能再被压缩, 此时洞室气压增速减缓, 方案1仅增加0.12 kPa, 方案2仅增加0.28 kPa。在方案2中, 曲线中有多处突变现象, 原因是当强降雨导致地下水位持续抬升, 土洞内壁土体在地下水及洞室气压的作用下发生崩解、 剥落, 致使土洞空腔体积突然增大, 或洞室气体通过上覆土体的薄弱部位排到大气中, 洞室气压突然减小, 突变的曲线在土洞内壁崩解完成后恢复, 方案2中气压波动比方案1更加强烈。

图5 两种方案洞室气压与累计降雨量的关系

3.4 塌陷过程分析

根据上述方案进行试验, 方案1共经历7次强降雨, 方案2共经历9次强降雨后土洞顶板整体塌陷。由图6可知, 两种方案塌落曲线前段都较为平缓, 即在前几次强降雨作用下, 由于红黏土的弱透水性, 雨水入渗缓慢, 需经较长时间才能达到土洞洞室, 同时强降雨引起地下水水位逐渐上升, 洞室气体被压缩对土洞周壁产生顶推力, 故塌落较为缓慢; 在洞内水位反复变动过程中, 土洞内壁少量土体慢慢松动、 崩解, 曲线呈上升趋势; 随着强降雨的持续作用, 土洞周边土体软化崩解速率加快, 前期产生的裂隙在纵向上不断扩展, 土体沿裂隙面滑动、 塌落, 直至洞顶突然发生整体塌陷, 故曲线后段呈直线上升趋势。方案1塌陷所需降雨次数少于方案2, 是因为方案1每次排水时水位都降到基岩面, 不与大气相通, 水流与气压连续对洞室土体产生作用, 而方案2每次排水时水位都降至基岩面以下, 外界气体进入洞室平衡内外气压, 从而减少由于水位下降对土体产生的吸蚀力, 故塌陷过程相对较慢。

图6 两种方案顶板累计塌落高度随强降雨次数的变化

两组试验中, 土洞扩展过程都可近似分为分为3个阶段(图7): 土体软化阶段、 缓慢塌落阶段和快速-整体塌陷阶段。

图7 土洞塌陷过程示意图

(1)土体软化阶段: 试验模型装置中上覆土层的地表水、 孔隙水和地下水之间联系密切, 试验初期, 雨水对地下水进行补给, 孔隙水与地下水之间形成较大的水力梯度, 发生垂直渗流, 土洞下部支撑较弱, 易受到潜蚀作用使得土颗粒软化。降雨一段时间后, 土体饱和度增加, 透气性变差, 当地下水水位没过基岩面后, 土洞与地下水之间形成封闭性良好的空腔, 洞内水位上升速度减慢, 土洞仍保持其拱形结构。当排水时, 水位迅速下降时形成真空负压, 对土洞表层土体产生冲压力、 扩容力和抽吸力, 促使土颗粒疏松被水流带走, 试验初期的水位波动仅带走土洞拱底表层少量松动、 弱化的土体颗粒。

(2)缓慢塌落阶段: 继续降雨的过程中, 地下水水位上升, 洞室气体在水位上升时不能排出受到挤压形成高压气团, 短时间内得不到消散, 当水位继续上升, 其作用于土洞顶板的强度大于上覆土层的允许强度时, 首先在土体薄弱部位形成裂隙通道产生冲爆来补偿排气, 并伴随着喷气和喷水的现象, 即所谓的气爆作用。当产生裂隙后, 洞室气体与外界大气相通, 洞内水位此时极易抬升至土洞顶部, 加速土体软化和崩解, 促使塌陷的产生。

(3)快速-整体塌陷阶段: 试验后期, 土洞上覆土层大量土体被水流带走, 拱形结构早已不复存在, 从前侧观察到空腔由半球状变成坛状。雨水入渗引起土体基质吸力减小进而导致土体强度降低, 且土的饱和容重随着含水量的増大而増大, 导致塌陷体的自重增加。当塌陷发育到一定阶段, 致塌力超过抗塌力时土体发生剪切变形整块掉落, 最终导致地表整体塌陷, 塌陷结果如图8所示。

图8 土体表面塌陷坑

4 结 论

本文通过物理模型试验定量研究了强降雨诱发水位波动条件下的岩溶土洞的发育过程, 分析试验过程中孔隙水压力、 土压力以及洞室气压等的变化情况, 结论如下:

(1)强降雨是触发研究区域隐伏土洞塌陷的重要因素, 塌陷的发生主要由强降雨引起的水位波动诱发, 土洞塌陷过程大致可分为土体软化、 缓慢塌落和快速-整体塌陷3个阶段, 主要受渗流潜蚀、 真空吸蚀、 气爆和重力作用的综合影响。土洞顶板内的孔隙水压力、 土压力以及洞室气压随降雨量的增加均呈增大趋势, 不同深度处具有明显的分层现象。

(2)方案1中, 地下水连续冲刷洞室土体, 土体不间断地经历渗流潜蚀、 真空吸蚀和气爆等作用, 而方案2中土体在水位降至基岩面以下时未受到扰动, 故方案1塌陷产生较快, 所需降雨的总次数少于方案2, 但方案2中土压的单次变化较方案1更为明显。在研究区域内两种塌陷情况均有发生, 为相似地区岩溶地面塌陷的预警与防治提供了有力的理论支撑。

(3)土洞塌陷形成的基础是岩溶地质条件和水动力条件, 在实际工程中应加强岩溶地面塌陷内部结构和环境诱发因素的调查工作, 对隐伏土洞进行重点调查, 并从极端气候影响和对地下水的扰动强度等角度提供地面塌陷的防治建议。隐伏岩溶区在汛期开展基坑开挖等工作时, 应尽量选择在强降雨期之外施工, 同时做好场地的排水工作。

(4)由于野外地质条件的复杂性, 室内试验结果具有一定的片面性, 对于不同降雨、 水动力条件, 不同顶板厚度等因素下的岩溶塌陷机理还有待进一步研究， 且室内试验周期长、 花费大, 制约着室内试验的发展, 如何完善大型试验的功能, 使之能更全面地反映岩溶塌陷的发育过程将是亟需解决的问题。