岩溶区土洞塌陷演化过程研究——以龙岩市樟坑自然村土洞塌陷为例

沈 佳，简文彬,2,3，苏添金，洪儒宝,2,4，张少波

(1.福州大学 环境与资源学院， 福建 福州 350108； 2.地质工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350108；3.福建省地质灾害重点实验室， 福建 福州 350002；4.福建省地质环境监测中心， 福建 福州 350002)

岩溶塌陷是一种岩溶动力作用和现象[1]，是喀斯特地区的主要地质灾害之一。根据溶洞发育的地层类型不同，可将岩溶塌陷划分为土洞塌陷和基岩塌陷两种，土洞塌陷由于埋藏浅、突发性高，造成的危害往往更为严重，因而目前已经成为国际社会共同关注的热点问题之一。

长期以来，针对土洞塌陷的致塌因素及演化机理，国内外学者进行了大量的研究并提出了许多有建树性的理论，如潜蚀论、真空吸蚀论、气爆论、液化论等[2-9]。随着大量工程经验的积累，大部分理论都得到了有效的发展，但由于土洞塌陷具有极强的隐蔽性，且土体具有较大的不均匀性，土洞致塌机理仍要进一步明确和探索，在此期间，对于土洞塌陷演化过程的认识就尤为重要。学者罗小杰[10]曾根据岩溶覆盖层物质成分及塌陷过程中土颗粒的运动特征，将岩溶塌陷机理划分为沙漏型、土洞型和泥流型等3种类型；王飞等[11]通过对土洞扩展过程的模拟，发现土洞在地下水潜蚀作用下会出现应力重分布现象，这将会引起土洞的进一步扩展；贾龙等[12]则运用数值模拟的方法，对土洞演化过程中的应力和位移进行分析，得到判断土洞稳定性和极限土洞大小的方法。只有对土洞塌陷的演化过程有一个直观的认识，对塌陷内部的应力变形特征能够清晰地把握，才能够对塌陷的机理有更深层次的理解。但截至目前为止，大多数学者都只从理论推导或数值仿真方面去探讨分析，并未对岩溶土洞具体的塌陷过程进行充分研究，对于其演变阶段及演化规律等尚不能完全掌握，亟需进一步的认识和完善，因而开展有关的土洞塌陷演化过程的试验就显得十分必要。

福建省常年温暖湿润、台风暴雨频发，省内岩溶塌陷灾害多发生于2月—6月的梅雨季节及7月—8月的台风雷雨季节，降雨影响不可忽视。但纵观国内目前大部分的研究，对于降雨状况的涉及相对较少，大多集中于对水气压变化及上覆荷载影响的研究[13-15]。因此本次模型试验以降雨为主要致塌力，力求在符合实际情况的条件下有所创新和突破。

2015年2月—6月，龙岩市永定区樟坑自然村陆续出现房屋塌陷，以福兴楼为中心的几栋民房相继出现地表开裂、墙体变形、基础下沉、地面塌陷险情，共形成十余处塌陷坑，所幸抢救及时，并未造成人员伤亡。本文以此为研究背景，结合现场实际情况按照相似性原理构建室内物理模型，通过设计多组对比试验对降雨入渗条件下岩溶塌陷的演化过程展开全面研究，同时，利用有限差分软件FLAC3D对土体应力、位移和塑性区分布规律进行分析，以期进一步揭示土洞塌陷的致塌机理，为福建省岩溶塌陷灾害的监测预警、预防治理研究提供参考依据。

1 降雨入渗下岩溶土洞塌陷试验

1.1 研究区工程地质条件

1.1.1 地形地貌

樟坑自然村在地形上属山间溶蚀盆地，周围被丘陵低山环绕，地面高程为500 m～530 m，高低起伏30 m左右，盆地内东北高西南低，总体呈不规则的狭长状，面积约20 000 m2。盆地中部发育溪沟，自北往南径流，平常流量约20 L/s。

1.1.2 岩土体性质

根据勘查揭露，樟坑岩溶塌陷区内，自上而下覆盖岩土体类型有：素填土、砾卵石、含角砾粉质黏土、中风化灰岩。其中主要覆盖层为含角砾粉质黏土层，厚度10.0 m～20.5 m，以黏粒为主，角砾含量约为25%，细小的粘粒颗粒极易在地下水的渗透下沿角砾骨架间流失。根据密度计法测试和计算可知，该层土体不均匀系数Cu=40>10，存在发生潜蚀作用的可能，此外，通过现场调查发现，土洞主要形成于该土体内部。

1.1.3 地质构造

研究区位于东西向和南北向构造体系的南东部，断裂构造发育，区内主要见有两条北东向断裂和一条东西向断裂，岩石破碎，以张性、张扭性断裂为主，导水性强，极有利于雨水的入渗。

1.1.4 气象条件

樟坑自然村地处低纬度区，属亚热带海洋性季风气候，温暖湿润、雨量充沛，年均气温20.1℃，降水量1 770.6 mm，最大降水量2 630.5 mm，日最大降雨量为159.2 mm。雨水通过软化崩解及入渗冲刷作用使得土洞周边土体不断流失，土洞规模不断扩大，是造成此次土洞塌陷的主要因素之一。

1.2 试验概况

1.2.1 试验模型和土体参数

试验模型为箱式构造，主体部分长宽高为0.60 m×0.60 m×0.65 m，侧壁及底部由有机玻璃组成，上部留空，底部玻璃板可进行替换。根据试验需要，分别制作5块中心留有直径为5 cm、8 cm、10 cm、12 cm、15 cm圆洞的有机玻璃板，用于模拟不同尺寸的土洞大小。

试验土体为研究区内采取的含角砾粉质黏土，根据相似理论，模型制作中在覆盖层土体含水率、密度、抗剪强度参数等方面与现场原状土相似。在填筑时采用质量控制法分层填筑，每层填筑厚度为5 cm，填筑过程中，将传感器铺设固定到所需位置，填筑后用布条覆盖好静置48 h，使土体进行充分的应力与水分调整。静置后土体参数如表1所示。

表1 土体物理力学参数

1.2.2 试验方案

根据以往的气象资料显示，研究区日最大降雨量为159.2 mm，为了方便观测，试验尽量安排在白天12 h内完成。将两者经过简单计算可得，其平均小时降雨量为13.3 mm，而室内设备雨强变化范围为15 mm/h～150 mm/h，综合以上考虑，设计试验降雨强度为15 mm/h，进行长时间连续降雨。同时，为了探究土洞演化规律及响应情况，将土洞尺寸及覆盖层厚度作为自变量进行对比研究，其方案设计如表2所示。

表2 试验方案设计

1.2.3 传感器布置

试验所需的传感器名称及数量如表2所示。具体布置方法为：模型箱底部埋设一根光纤及2只土压力盒，光纤位于中轴上，土压力盒则分别埋置于中心及边缘处，随着覆盖层厚度增加，部分试验增设两只土压力盒。以初始空洞直径(后文简称洞径)10 cm，覆盖层厚度20 cm为例，布置方法如图1所示。

图1 传感器埋设示意图(单位：mm)

2 土洞致塌演化过程研究

2.1 土拱效应的确定和分析

2.1.1 土体应变分析

在设计好5种不同洞径的前提下，分别做覆盖层厚度为1倍～4倍洞径的相关性试验。沿模型箱底部中心水平方向铺设光栅串一根，其上分布5个光纤监测点，对各点最大应变值进行监测，分辨率可达0.1 με，试验结果如图2和图3所示(本文大部分只绘出最大、最小洞径对应的最大、最小覆盖层厚度的两组图，对应试验1-A、1-D、5-A和5-D)。

图2 不同覆盖层厚度下5 cm洞径的土体最大应变

在图2和图3中，土体应变变化趋势基本相同，离中心越远，最大应变值越小，覆盖层越厚，最大应变值越大。从试验中观察到的现象来看，底部空洞中心处首先发生塌落，该处土体最早有应变响应且较为迅速，而随着土体不断塌落，塌陷发展至空洞边缘及远处，但其变化相对于中心处要小得多。太沙基[16]认为，若土体中有支撑拱脚的存在，且土体在外力或自重作用下出现不均匀压缩变形和应力传递现象，则极有可能产生土拱效应，从试验现象和结果来看，土洞塌陷过程中极有可能出现该种情况。

图3 不同覆盖层厚度下15 cm洞径的土体最大应变

2.1.2 土压力分析

为了进一步确定和研究塌陷土体中的土拱效应，将土压力作为另一个监测变量。按照试验方案埋设土压力盒，监测空洞中心及边缘的土压力变化，分辨率可达0.1kPa，监测结果如图4、图5所示。在图4和图5中，土压力在起始阶段受降雨影响均有所上升，但增长幅度很小，随着试验的进行，中心处的土压力首先出现下降趋势，并迅速降至为0 kPa，随之发生塌陷。与此同时，边缘土压力则是继续上升并在一段时间后达到峰值，经过简单的计算发现，该峰值要远大于降雨所带来的自重影响，说明边缘处此时发生了应力集中现象，边缘的应力要较大于中心压力。结合前文所述，土体在存有支撑拱脚的前提下，发生了不均匀位移或变形，且边缘出现应力增大的现象，这几点均满足土拱效应产生的条件，有效证实了土拱效应的存在。

2.1.3 土拱效应分析

前两节已明确了在降雨入渗下土洞塌陷过程中土拱效应的存在，为了对土拱效应有更明确的定义，现提出土拱效应系数这一概念，其意义为土压力增加量与初始土压力的比值。现将这一概念代入不同洞径条件下进行计算分析，通过试验第1组、第3组和第5组，计算结果如图6所示。

从图6可以看到，在不同空洞直径下，土拱效应系数与覆盖层厚度的关系曲线变化情况基本一致，即在1倍的空洞直径下，土拱效应系数均较低，接近20%，而当覆盖层达到两倍洞径，土拱效应系数均有所增加，达到最大值32%左右，这说明土拱效应的大小与土体覆盖层的厚度有直接的关系，究其原因主要是在于土拱结构的形成，只有当覆盖层达到一定厚度时，才能够在土体中形成完整的拱形结构，土拱效应才能够完全体现，而在此之后，随着覆盖层与洞径的比值增大，土拱效应逐渐减小并最终维持在30%左右。

图4 不同覆盖层厚度下5 cm洞径的土压力曲线

图5 不同覆盖层厚度下15 cm洞径的土压力曲线

图6 不同空洞直径下土拱效应系数

2.2 土洞塌陷过程分析

2.2.1 土压力分析

随着时间推移，在降雨入渗的影响下，土洞塌陷不断向上发展，为了更深入地了解土洞塌陷的演化过程，在部分试验中，增加埋设一层(土层中间，2只)土压力盒，监测土压力变化情况，监测结果如图7、图8所示。

图7 5 cm洞径土体的土压力变化曲线

图8 15 cm洞径土体的土压力变化曲线

从图7和图8中可以看出，在试验初期，受降雨润湿作用土压力均有一定增长，但幅度较小，仅为0.1 kPa～0.3 kPa左右，随后中心处土压力在短时间内呈阶梯式降至为0 kPa，另一土压力盒也在一段时间后发生同样变化。这说明土体在塌陷过程中，向上发展的速度要大于纵向发展速度，使得中心处的土体首先发生塌落。同时，土体的塌落形式为团块状间歇式塌落，即某一时刻发生塌落后土体会在一段时间内处于平衡状态，直至下一次塌落发生时，平衡状态才被破坏。

2.2.2 土洞塌陷发展分析

为了对土洞塌陷过程有更直观的认识，在试验过程中使用相机拍照记录不同时期的塌陷情况，以底部空洞直径15 cm、覆盖层厚度60 cm(试验5-D)为例进行说明，如图9所示。从图9中可以看到，中心处的塌陷深度要大于边缘处，土洞形成的塌落面是呈拱形的，而非平面的，这就与所提出的土拱效应相互吻合，由此我们可以认为，土洞的塌陷过程其实是“初始土洞形成-土拱效应产生-土洞受力平衡-降雨下渗产生下拉渗流力-土拱效应失效-土洞继续塌陷直至地表”的过程。

图9 15 cm洞径的土洞塌陷过程

2.2.3 塌陷土洞形状分析

在试验结束后，对土体进行剖面切割并拍照，以便能够更清晰地观察塌陷后土洞的形状，如图10所示(以试验组3为例)。

从图10中可以看到，当底部空洞直径一定时，随着覆盖层厚度的增加，塌陷土洞的影响范围也相应增加，而土洞的形状也由近似的圆柱状向中间大两头小的纺锤状转变，同时，塌陷土洞的最大洞径也在不断增大。类似的情况在其它洞径条件下也能见到。

图10 10 cm洞径的塌陷土洞剖面

为了更清晰地表示土洞塌陷后最终的形状，根据试验获得的数据绘制出试验组3塌陷土洞的形状剖面图，如图11所示。从图11中可以看到，在覆盖层厚度较小时，土洞形状更近似于圆柱状，土洞洞径基本没有发生变化，而随着覆盖层厚度的增加，土洞形状逐渐转变为纺锤状，同时土洞最大洞径也随之增大。出现该现象的原因在于：当覆盖层厚度较薄时，土洞塌陷很快发展至地表，纵深方向的土体塌落相对较少，土洞形状基本为圆柱状；而当覆盖层厚度增加时，纵深方向的塌落尺度随之增加，但总体速度上依然是竖直方向要大于纵深方向，因此塌陷土洞的形状才呈现为纺锤状。

图11 塌陷土洞剖面

将3组试验出现的最大洞径值进行整理并进行拟合分析，当空洞直径一定时，塌陷形成的最大洞径与覆盖层厚度成线性关系，拟合优度较好。同时，对比3组拟合方程发现，方程的一次项系数均为0.3左右，而常数项则跟底部空洞直径十分接近，由此，不妨假设塌陷的最大洞径y与覆盖层厚度x及空洞直径D间满足以下关系：y=0.3x+D,拟合结果见表3。由表3可知，拟合优度R2虽有所降低，但仍接近于1，说明拟合结果较为准确，拟合关系具有较高的适用性。

表3 拟合优度分析

2.3 土洞塌陷演化阶段分析

岩溶土洞的塌陷是一个不断发展和演化的过程，通过对土洞塌陷过程中塌落土体的累积质量增量进行记录和分析，力求能够将复杂的塌陷过程划分为几个简单的演化阶段，以便于理解和研究。以试验3-C所得曲线为例，如图12所示。根据塌陷土体质量的增量变化情况，可以将岩溶土洞的塌陷过程划分为3个阶段：土洞发育形成、内部塌陷扩展以及地表塌陷阶段。具体表现为：在挡板移除之后，土体在自重及降雨作用下发生变形和塌落，初始土洞由此形成，但此阶段塌陷土体质量小，增长速度较慢；随后土洞不断扩展，土拱效应逐渐消失，塌落速度明显增加，塌陷土体累积质量迅速增大；而当上覆土层厚度无法支撑土体自重时，土体随即发生破坏，瞬间出现大量塌落，并在地表形成塌陷坑。

图12 塌陷土体累积质量增量变化曲线

2.4 现场情况

需要指出的是，当土洞发展到一定规模而土拱失效，地表随即发生塌陷。由于这一过程通常在瞬间完成，因而塌陷坑所形成的洞壁往往呈直立式，这与现场的大多情况基本吻合[14]，此外，从图13中我们可以发现，塌陷坑左侧洞壁有向土体内侧倾斜的趋势，与模型试验结果一致，由此我们可以推测：土洞在向上发展的过程中极有可能带动两侧的土体发生塌落，使得土洞在横向空间上也有所延伸，从而形成“两头窄中间宽”的纺锤状塌陷。

图13 地表塌陷坑

3 岩溶土洞塌陷演化数值模拟

3.1 模型建立及参数选取

限于篇幅，本文仅选取洞径为15 cm，覆盖层厚度为45 cm的试验进行详细说明，其他条件下的演化规律基本类似。本次模拟假设初始土洞为球状土洞，土体呈饱和状态，通过扩大土洞半径，实现土洞发展演化过程的模拟，建立的数值模型如图14所示。根据土工试验资料，对土层参数进行赋值，如表4所示。

图14 基本模型

表4 模型物理力学参数

3.2 数值模拟结果分析

将土洞塌陷过程分阶段进行模拟，在不平衡力达到要求后，终止计算，得到各阶段下土体应力、位移和塑性区等变化情况，现对其进行分析。

3.2.1 剪应力分布规律

各阶段土体的剪应力分布情况如图15所示，可以发现，在土洞塌陷的不同阶段，土拱效应始终存在，这主要表现于：随着土洞的向上发展，土洞洞径不断增大，但土中最大剪应力值始终出现在拱脚位置，随着拱脚的移动而发生变化。由此可见，在塌陷过程中，土中最大剪应力值分布区域并不是一成不变的，不会一直维持在最初的底部位置，而是会随着土洞的发展而发生移动。此外，由于土体临空，下部失去依托，洞顶的剪应力在塌陷过程中始终要小于其它部位，当土洞发展至临塌阶段时，洞顶应力值基本与覆盖层上部一致，形成连通的应力低值区，这也预示着塌陷即将发生。

图15 剪应力分布图

3.2.2 竖向位移分布规律

土洞塌陷不同阶段的土体竖向位移变化情况如图16所示。从图16中可以看到，相较于其他部位，拱顶处土体在整个塌陷过程中产生的竖向位移更大，形成了多个纺锤形的位移分布环，环中心位于洞室的最顶端，这与室内模型试验的试验效果一致。同时可以发现，在土洞形成和扩大阶段，土体竖向位移变化并不明显，阶段间差值不大，但第三阶段位移却迅速增长，这说明在土洞塌陷过程中，土体内部的变形是一个相对缓慢的过程，而当土洞发展至地面时，地表的塌陷却在瞬间内完成，这也从侧面体现了土洞塌陷极强的隐蔽性和突发性。

图16 竖向位移分布图

3.2.3 塑性区分布规律

塑性区可以用来反映土体潜在的破坏范围，因此，研究覆盖层塑性区分布情况，可以得到岩溶土洞进一步发展演化的趋势与潜在的破坏形式，见图17。可以发现，土洞在发展扩大的过程中，土洞周围一定范围内的土体会首先进入塑性屈服状态，且以张拉破坏为主，同时由于土拱效应的存在，塑性区主要分布于拱顶及拱脚以下位置，且以拱顶分布为主。随着土洞的扩大，塑性区范围逐渐增大，向上发展的趋势愈加明显，在这种情况下，拱顶土体首先发生张拉破坏，继而向上发展直至贯穿地表，最终在地面上形成塌陷坑。

4 结 论

(1) 通过试验结果可确定在土洞塌落的初期存在土拱效应。其发挥程度主要受覆盖层厚度的影响，当覆盖层厚度达到底部初始空洞直径的2倍后，其发挥程度基本保持不变；可将土拱效应失效过程总结为“初始土洞形成-土拱效应产生-土洞受力平衡-降雨下渗产生渗流力-土拱效应失效-土洞继续塌陷直至地表”的过程。

图17 塑性区分布图

(2) 塌陷土体的累积质量经历了缓慢增加-基本匀速增加-迅速增加的变化，可将岩溶土洞的塌陷过程划分为三个阶段：土洞发育形成、内部土洞塌陷扩展和地表塌陷。

(3) 在土洞塌陷数值模拟中，土体的最大剪应力始终集中于土洞的拱脚处，而竖向位移分布则是以洞顶为中心向两侧延伸的纺锤形环状分布，其中心处位移值最大。覆盖层土体由于洞顶张拉破坏而发生塌落，并最终形成地表塌陷。

(4) 岩溶土洞的塌陷演化机理：可溶岩中的裂隙在地下水的作用下扩大形成岩溶空洞，上覆盖层在重力及下渗水体等作用下形成塌陷土洞。土洞向上部不断扩展发育，当覆盖层厚度低于某一临界值时，上覆土体不能承受其自身重力而发生塌陷，形成地表塌陷坑，此时塌陷土洞呈现为中心大、两端小的纺锤型。