基于颗粒流的覆盖型岩溶地面塌陷动态演化特征研究

师海, 贾智磊, 白明洲, 张晔, 孙子冰. 基于颗粒流的覆盖型岩溶地面塌陷动态演化特征研究[J]. 中国岩溶, 2024, 43(5): 1110-1120. doi: 10.11932/karst20240509
引用本文: 师海, 贾智磊, 白明洲, 张晔, 孙子冰. 基于颗粒流的覆盖型岩溶地面塌陷动态演化特征研究[J]. 中国岩溶, 2024, 43(5): 1110-1120. doi: 10.11932/karst20240509
SHI Hai, JIA Zhilei, BAI Mingzhou, ZHANG Ye, SUN Zibing. Dynamic evolution characteristics of ground collapse of covered karst based on particle flow[J]. Carsologica Sinica, 2024, 43(5): 1110-1120. doi: 10.11932/karst20240509
Citation: SHI Hai, JIA Zhilei, BAI Mingzhou, ZHANG Ye, SUN Zibing. Dynamic evolution characteristics of ground collapse of covered karst based on particle flow[J]. Carsologica Sinica, 2024, 43(5): 1110-1120. doi: 10.11932/karst20240509

基于颗粒流的覆盖型岩溶地面塌陷动态演化特征研究

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(41907260、42172311);中央引导地方科技发展资金项目(216Z3802G)
详细信息
    作者简介: 师海(1987-),男,博士,副教授,主要从事岩溶灾害防治和地面塌陷领域的教学科研工作。E-mail:shihai@bjtu.edu.cn
  • 中图分类号: P642.5

Dynamic evolution characteristics of ground collapse of covered karst based on particle flow

  • 为揭示铁路周边覆盖型岩溶土洞扩展的动态演化规律和细观致塌机理,以京沪高铁(江西段)某典型岩溶塌陷点为依托,通过颗粒流(PFC2D)压缩试验对塌陷土体的强度参数进行标定,引入接触黏结模型,建立覆盖型岩溶地面塌陷流固耦合模型,从细观角度揭示了岩溶地面塌陷的动态演化过程与变形特征,探究不同溶洞开口大小、覆盖层厚度、地下水位高度对覆盖型岩溶地面塌陷变形特征的影响。研究表明:地表沉降、土体孔隙率等随塌陷演化发展而逐渐增大;地下水位高度越高,土洞扩展越快,地表沉降越明显,塌陷也越易发生;溶洞开口越大,地面沉降深度和范围随之增大,塌陷越易发生;覆盖层厚度越小,地表沉降变化越明显;从细观角度可知,塌陷过程中颗粒间接触力变化过程近似为“应力平衡-应力拱形成-应力拱破坏-应力再次平衡-…-应力拱断裂”的规律。研究从细观角度揭示了岩溶地面塌陷演化的全过程,可为高速铁路建设、运营期周围环境覆盖型岩溶地面塌陷的防灾减灾提供参考。

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  • 图 1  研究区岩溶地貌

    Figure 1. 

    图 2  潜在塌陷区地层结构剖面图

    Figure 2. 

    图 3  双轴试验模型

    Figure 3. 

    图 4  模拟的不同围压下应力-应变曲线

    Figure 4. 

    图 5  数值计算模型

    Figure 5. 

    图 6  流固耦合管域模型

    Figure 6. 

    图 7  塌陷全过程模拟

    Figure 7. 

    图 8  地表竖向位移变化

    Figure 8. 

    图 9  不同测点处孔隙率随塌陷进程变化规律

    Figure 9. 

    图 10  不同测点塌陷土体内部竖向应力变化曲线

    Figure 10. 

    图 11  不同溶洞开口大小条件下地表沉降变化

    Figure 11. 

    图 12  不同覆盖层厚度条件下地表沉降变化

    Figure 12. 

    图 13  不同水位高度条件下地表沉降变化

    Figure 13. 

    图 14  不同水位高度突变条件土洞塌陷临界高度

    Figure 14. 

    表 1  颗粒流固耦合主要模型参数

    Table 1.  Main model parameters of particle fluid-solid coupling

    岩土层
    类型
    埋深 法向刚度/
    MPa·m−3
    法向-切线
    刚度比
    粘聚力/
    kPa
    内摩擦角/
    °
    摩擦
    系数
    容重/
    g·cm−3
    孔隙率/
    %
    回填土(残坡积粉质黏土) 0−0.5 m 38 1.5 20.5 28.7 0.3 1.68 33
    残坡积层粉质黏土 0.5−1.5 m 34 1.5 22.28 25.06 0.3 1.68 32
    坡洪积层粉质黏土 1.5−2.5 m 34 1.5 32.54 38.71 0.3 1.69 32
    灰岩 >2.5 m 38 1.5 25.47 20 0.3 1.88 28
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  • [1]

    宋章, 王科, 蒋良文, 王茂靖. 岩溶区铁路勘察防治技术研究现状及发展趋势[J]. 高速铁路技术, 2018, 9(5):38-43.

    SONG Zhang, WANG Ke, JIANG Liangwen, WANG Maojing. Research status and developing trends of reconnaissance and control technology of railway in karst area[J]. High Speed Railway Technology, 2018, 9(5): 38-43.

    [2]

    Bai Haibo, Ma Dan, Chen Zhanqing. Mechanical behavior of groundwater seepage in karst collapse pillars[J]. Engineering Geology, 2013, 164: 101-106.

    [3]

    高军. 高速铁路岩溶地质路基设计与整治技术[M]. 武汉:中国地质出版社, 2014.

    [4]

    唐万春, 许模, 于贺艳. 武广客运专线英德段岩溶塌发育规律研究[J]. 地质与勘探, 2011, 47(4):699-704.

    TANG Wanchun, XU Mo, YU Heyan. Study on karst collapse developing regularity of the Yingde section on the Wuhan-Guangzhou passenger special line[J]. Geology and Exploration, 2011, 47(4): 699-704.

    [5]

    蒋小珍, 雷明堂, 管振德. 单层土体结构岩溶土洞的形成机理[J]. 中国岩溶, 2012, 31(4):426-432.

    JIANG Xiaozhen, LEI Mingtang, GUAN Zhende. Formation mechanism of karst soil-void in single-layer soil structure condition[J]. Carsologica Sinica, 2012, 31(4): 426-432.

    [6]

    蒙彦, 雷明堂. 岩溶塌陷研究现状及趋势分析[J]. 中国岩溶, 2019, 38(3):411-417.

    MENG Yan, LEI Mingtang. Analysis of situation and trend of sinkhole collapse[J]. Carsologica Sinica, 2019, 38(3): 411-417.

    [7]

    时刚, 王宇虓, 武天仪, 刘忠玉. 交通荷载下城市路面塌陷问题的试验研究[J]. 地下空间与工程学报, 2020, 16(4):1202-1209.

    SHI Gang, WANG Yuxiao, WU Tianyi, LIU Zhongyu. Model experiments on ground collapse under traffic roads[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2020, 16(4): 1202-1209.

    [8]

    罗小杰, 沈建. 我国岩溶地面塌陷研究进展与展望[J]. 中国岩溶, 2018, 37(1):101-111.

    LUO Xiaojie, SHEN Jian. Research progress and prospect of karst ground collapse in China[J]. Carsologica Sinica, 2018, 37(1): 101-111.

    [9]

    Shi H, Bai M Z, Xing S C. Mechanics parameter optimization and evaluation of curtain grouting material in deep, water-rich karst tunnels[J]. Advances in Materials Science and Engineering, 2017, 2017: 1853951.

    [10]

    Huang Zhen, Zhao Kui, Li Xiaozhao, Zhong Wen, Wu Yun. Numerical characterization of groundwater flow and fracture induced water inrush in tunnels[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2021, 116(9): 104119.

    [11]

    Shi H, Li Q M, Zhang Q L, Yu Y Z, Xing Y J, Yu K. Mechanism of shallow soil cave-type karst collapse induced by water inrush in underground engineering construction[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2020, 34(1): 04019091. doi: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0001353

    [12]

    白明洲, 陈云, 师海. 山岭隧道施工诱发地下水位下降环境风险评价[J]. 铁道工程学报, 2016, 33(1):5-10, 15.

    BAI Mingzhou, CHEN Yun, SHI Hai. Environmental risk assessment of underground water level falling induced by construction in mountain tunnel[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2016, 33(1): 5-10, 15.

    [13]

    罗小杰, 罗程. 岩溶地面塌陷三机理理论及其应用[J]. 中国岩溶, 2021, 40(2):171-188.

    LUO Xiaojie, LUO Cheng. Three-Mechanism Theory (TMT) of karst ground collapse and its application[J]. Carsologica Sinica, 2021, 40(2): 171-188.

    [14]

    吴亚楠. 泰安市城区—旧县水源地岩溶塌陷演化过程分析[J]. 中国岩溶, 2017, 36(1):94-100.

    WU Ya'nan. Analysis of karst collapse development in Tai'an–Jiuxian water source area[J]. Carsologica Sinica, 2017, 36(1): 94-100.

    [15]

    王滨, 贺可强. 岩溶塌陷临界土洞的极限平衡高度公式[J]. 岩土力学, 2006(3):458-462.

    WANG Bin, HE Keqiang. Study on limit equilibrium height expression of critical soil cave of karst collapse[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006(3): 458-462.

    [16]

    雷明堂, 蒋小珍, 李瑜. 岩溶塌陷模型试验:以武昌为例[J]. 地质灾害与环境保护, 1993, 4(2):39-44.

    [17]

    吴庆华, 张伟, 刘煜, 崔皓东. 基于物理模型试验的岩溶塌陷定量研究[J]. 长江科学院院报, 2018, 35(3):52-58.

    WU Qinghua, ZHANG Wei, LIU Yu, CUI Haodong. Quantifying the process of karst collapse by a physical model[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2018, 35(3): 52-58.

    [18]

    马荣和, 许汉华, 赵毅然. 个旧市木登硐村岩溶场地稳定性数值模拟[J]. 中国水运(下半月), 2019, 19(10):104-106.

    [19]

    陈冬琴, 唐仲华, 陈锐. 基于水动力-力学耦合方法的岩溶塌陷预测[J]. 安全与环境工程, 2016, 23(4):26-32.

    CHEN Dongqin, TANG Zhonghua, CHEN Rui. Prediction of karst collapse based on hydrodynamic-mechanical coupling method[J]. Safety and Environmental Engineering, 2016, 23(4): 26-32.

    [20]

    贾龙, 蒙彦, 管振德. 岩溶土洞演化及其数值模拟分析[J]. 中国岩溶, 2014, 33(3):294-298.

    JIA Long, MENG Yan, GUAN Zhende. Evolution and numerical simulation of a karst soil cave[J]. Carsologica Sinica, 2014, 33(3): 294-298.

    [21]

    于林弘, 颜嘉良, 于晓静, 扈胜涛. 基于FLAC3D的岩溶土洞演化及数值模拟分析[J]. 地下水, 2020, 42(4):55-57.

    YU Linhong, YAN Jialiang, YU Xiaojing, HU Shengtao. Evolution and numerical simulation of karst caves based on FLAC3D[J]. Ground Water, 2020, 42(4): 55-57.

    [22]

    石崇, 张强, 王盛年. 颗粒流(PFC5.0)数值模拟技术及应用[J]. 岩土力学, 2018, 39(Suppl.2):36-39.

    SHI Chong, ZHANG Qiang, WANG Shengnian. Particle flow (PFC5.0) numerical simulation technology and its application[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(Suppl.2): 36-39.

    [23]

    何树江. 基于颗粒流的灰岩细观力学参数标定方法及其敏感性分析[D]. 济南:山东大学, 2018.

    HE Shujiang. Calibration method and sensitivity analysis of micromechanic parameters for limestone based on particle flow[D]. Jinan: Shandong University, 2018.

    [24]

    周建, 张映钱, 方亿刚, 刘宇. 水位变动及降雨入渗联合作用对岩溶地面塌陷的影响分析[J]. 水利与建筑工程学报, 2016, 14(1):218-222.

    ZHOU Jian, ZHANG Yingqian, FANG Yigang, LIU Yu. Analysis of joint action of water level fluctuation and rainfall on the influence of karst ground collapse[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2016, 14(1): 218-222.

    [25]

    姚玉相. 基于离散单元法的高填黄土减载明洞土拱效应细观数值模拟研究[D]. 兰州:兰州交通大学, 2020.

    YAO Yuxiang. Analysis on meso-mechanism of soil arching for unloading structure of high-filled cut-and-cover tunnel based on DEM[D]. Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University, 2020.

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出版历程
收稿日期:  2022-10-07
修回日期:  2023-03-30
录用日期:  2023-05-02
刊出日期:  2024-10-25

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