陳國慶，李天斌，賀宇航，周治剛，韋 璐

（1.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059；2.江蘇省水利工程科技咨詢有限公司，南京 210003）

近年來，在中國西南各地不斷出現(xiàn)“天坑”地質災害現(xiàn)象，嚴重影響了人們正常的生產(chǎn)生活，以及道路交通安全秩序。因此，“天坑”地表塌陷問題的形成原因備受關注［1］。地表塌陷類型主要分為2種：構造性塌陷［2－3］、外界動力作 用［4－5］和土體工程性塌陷［6－8］。構造性塌陷主要為下覆碳酸鹽巖層遭地下水侵蝕后形成隱伏洞穴，進而導致上覆土體缺乏有效承載力使地表塌陷。土體工程性塌陷主要從土力學角度出發(fā)，強調土體本身結構特性和地下水位變動導致的地表塌陷。

在眾多地表塌陷原因中，地下水擾動是影響地基土體穩(wěn)定性的重要因素［9－15］。如萬志清［11］認為超靜孔隙水壓力或真空吸力使土的結構產(chǎn)生破壞。隋旺華［12］在突砂模型試驗中發(fā)現(xiàn)，一旦抽冒或形成水砂突涌后，含水層內孔隙水壓力表現(xiàn)為劇烈下降并形成瞬時負壓。謝忠球［13］研究了人工抽水引起的巖溶地面塌陷機理，認為剝落力大于土體抗拉強度是土洞的擴展條件。覃羨安［14］認為大氣降水滲入土層后產(chǎn)生超靜孔隙水壓力和動水壓力，使得土洞形成和擴大。

上述研究較好地解釋了地下水對土體塌陷的影響，但關于地下水擾動對土體變形破壞的物理模型試驗仍較少。為更好地研究地下水擾動對地基土體的變形破壞機制，對四川大邑新場與崇州懷遠2處“天坑”進行了現(xiàn)場調研和取樣，在自主設計的滲透試驗裝置上進行了地下水擾動滲透破壞試驗，試驗表明，在地下水循環(huán)擾動作用下土體產(chǎn)生結構變化與級配改變，從而引起地基土體的塌陷，試驗揭示了該地區(qū)“天坑”災害的形成原因。

1 土樣物理化學性質

1.1 土樣物理性質

土樣取自大邑新場（1號土樣）和崇州懷遠（2號土樣）“天坑”處，現(xiàn)場和室內試驗獲得的土樣物理性質見表1和表2。從表1中可以得出，2組土樣的平均比重分別為2.60、2.61，液限分別為48.3%、47.2%，塑限分別為28.2%、22.8%，塑性指標分別為20.1、24.4；表2為土樣粒徑成分，2組土樣均以粉粒為主，含量分別為65.4%、58.2%，均為低塑性無機黏性土，兩組土樣的物理性質相近。

表1 試驗土樣物理性質指標

表2 試驗土樣粒徑成分 （%）

土樣的級配曲線如圖1所示，由圖1可以看出，兩地土樣的顆粒級配曲線線型非常相近，細顆粒比重較大，粒徑小于0.01的細顆粒含量達到40%左右。

圖1 土樣級配曲線

根據(jù)以上分析可以得出：兩處“天坑”土樣的物理性質相近，顆粒組成也相類似，表明“天坑”形成與土體本身的工程物理性質有較大聯(lián)系。

1.2 土樣化學性質

通過礦物X射線粉晶衍射分析獲得土樣化學性質，見表3和表4。

表3 試驗土樣粘土礦物物質組成 （%）

表4 試驗土樣非粘土礦物物質組成 （%）

從表3和表4中可以看到2種土樣的黏土礦物均為綠泥石，其含量分別占19.4%和18.8%，其次含有少量伊利石；非黏土礦物主要含有石英，含量分別為56.8%和45.0%，其次含有少量長石及閃石。土樣化學組成中碳酸鹽含量較少，故，排除由碳酸鹽溶洞導致上覆土體缺乏承載力而形成地表塌陷的可能性。

2 地下水擾動滲透實驗

2.1 試驗設計

為揭示地下水擾動形成地基塌陷的原因，自行設計了變壓型常水頭滲透試驗裝置。裝置由2部分組成：土體滲透裝置（如圖2）和自動抽壓裝置（如圖3）。土體滲透裝置主要由滲透筒、溢水孔、出水孔、止水夾、兩個水頭管、金屬隔板、以及加壓管道組成。滲透筒材料選用有機玻璃，其透明特性可直觀地觀察試驗現(xiàn)象。滲透筒半徑r＝15cm，高h＝25cm，滲透筒下層鋪筑10cm厚的卵礫石層，上層土樣高度為10cm，土樣與卵礫石層間加金屬隔板作為濾層。

自動抽壓裝置主要由抽壓水槽、金屬框架、兩個水箱、微型抽水泵、出水管、進水管以及電子壓力開關組成。下部水箱通過微型抽水泵將水抽入上部水箱，上部水箱通過電子壓力開關感應水壓力的變化，控制水的回流。

由于土樣采集時受到了較大擾動，其整體結構遭到了一定程度的破壞，裝入滲透筒時會產(chǎn)生較多空隙，為恢復土樣結構的完整性，試驗前對土樣進行了固結排水壓實。

圖2 滲透裝置及土樣布置

圖3 自動抽壓裝置

2.2 試驗步驟

試驗持續(xù)時間為30d，分3階段進行，每階段10d，分別采用不同的抽壓周期，前10d和最后10d周期為1min／次，中間10d周期為0.5min／次。抽壓試驗步驟為：

1）活塞對抽壓水槽進行擠壓，使礫石層內充滿水，但不漫過金屬隔板；

2）勻速加水至金屬架內的水箱，使框架下沉對活塞加壓，使?jié)B透裝置里礫石層中的水進入上覆土樣并對其進行擠壓；

3）打開微型抽水泵，調整其單位時間抽水量（用于調整抽壓周期），將水從金屬架內水箱抽至上水箱，活塞向上提拉，對抽壓水槽和礫石層中的水形成負壓，土體內水位下降；

4）隨著上水箱水量不斷增大，電子壓力開關自動打開，上水箱中的水又通過出水管回流至金屬架內的水箱；

5）重復步驟2），實現(xiàn)水壓力的正負循環(huán)，模擬地下水循環(huán)擾動對上覆土層的影響。

試驗結束后，取出試驗土樣，按上中下均勻分為A、B、C 3層（如圖2所示），在各層土體中取土樣進行顆粒級配試驗，對3層土樣的顆粒級配曲線進行對比分析。

3 試驗結果分析

3.1 土體孔隙水壓力分析

為分析孔隙水壓力與地下水擾動之間的關系，在地下水擾動抽壓實驗過程中，對土體孔隙水壓力進行了分析（如圖4）。

圖4 水頭變化規(guī)律

圖4中，每隔5s時間記錄水頭高度，兩水頭管差值代表的水壓力P為縱坐標：

式中：Pc為水頭管代表的實時水壓力；Pz為土體未擾動前水頭管代表的自重壓力。

當?shù)叵滤幌陆递^劇烈時，土體還將產(chǎn)生較大的超靜孔隙水壓力，超靜孔隙水壓力并呈上升趨勢［11］。從圖4可以看出，隨著地下水位的快速下降，P值呈正負周期變化，地下水水面與上覆蓋層之間會產(chǎn)生負壓，對上覆蓋層土顆粒產(chǎn)生較大吸力。

圖5為水頭差變化與試驗時間的對應關系，由圖5可得，隨著地下水擾動次數(shù)增加，兩水頭管之間的水頭差逐漸變小，表明土體在地下水循環(huán)擾動作用下，超靜孔隙水壓力和負壓吸蝕作用引起土體結構產(chǎn)生變化，土體中微小裂隙不斷擴展貫通，造成土體產(chǎn)生滲透變形破壞。

圖5 水頭差與試驗進行天數(shù)的關系

圖6為抽壓周期與水頭變化關系，在不同的抽壓周期T作用下，水頭差變化幅度各不相同，當抽壓周期大，即地下水位波動頻率較慢時，水頭差下降幅度較為緩慢；當抽壓周期小時，即地下水位波動頻率較快時，水頭差下降幅度較快。因此地下水波動頻率對土體變形破壞有較大影響。

圖6 水頭差變化快慢與抽壓周期大小的關系

3.2 土樣級配分析

試驗結束后，對不同高度土層的顆粒進行了級配分析，采集的土樣位置見圖2中的A、B、C 3點，級配曲線分析如圖7所示。

圖7 土層高度與級配變化關系

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，土層位置越低，土體中的細顆粒（粒徑0.001～0.01）的含量越少。表明在地下水循環(huán)對土體的擾動過程中，孔隙水壓力和負壓帶走了土體中大量的細顆粒，土體中微小裂隙不斷擴展貫通，最終導致了土體的結構整體性遭到破壞。

圖8為C點土樣試驗前后的級配曲線對比，從圖8可以分析，土樣在受擾動之后的級配曲線細顆粒部分下移，地下水擾動使土的細顆粒產(chǎn)生遷移，土體中細顆粒含量明顯減少，圖中曲線陡增表明細顆粒缺失，使土體微小裂隙不斷擴大，并最終導致土體的結構性貫通破壞。試驗進一步證明了土體顆粒的級配變化與地下水擾動密切相關。

圖8 試驗前后C點土樣級配對比

4 “天坑”災害防治建議

“天坑”成為近年來多發(fā)地質災害，不僅給當?shù)厝嗣褙敭a(chǎn)造成嚴重損失，更引起當?shù)厣鐣只牛虼诵枰獙Α疤炜印睘暮M行預防和治理。以下是“天坑”災害的一些具體防治措施建議：

1）避免地下水的過渡開采。城鎮(zhèn)和企業(yè)集中開發(fā)的地下水水源地，盡可能遠離城區(qū)和重點工程設施。實時進行地下水監(jiān)測，控制地下水開采強度，防止地下水水位的突然下降和反復升降造成地表塌陷。

2）城市地表塌陷災害，需進行鉆孔灌漿、旋噴加固、回填混凝土、增設土工膜等方式進行治理。將水泥、碎料和速凝劑等灌注材料通過鉆孔進行注漿，強化土層或洞穴充填物，并加固建筑物地基。對重要建筑物需將坑底與基巖面的通道堵塞，采用回填混凝土進行加固處理。

3）遠離建筑物的地表塌陷災害，采用清除填堵法、強夯法等方式進行治理。清除松土，填入塊石、碎石形成反濾層，以防止地下水擾動將細顆粒土帶走，上覆回填粘土并利用強夯法夯實回填地基。

4）加強地表水的疏、排、圍、改治理。在治理塌陷地基階段，不能忽視對地表水的治理，應在預防措施基礎上進一步完善。如設置完善的場地排水系統(tǒng)，進行地表河流的疏導或改道，填補河床漏水點或落水洞，調整抽水井孔布局和井距等處理措施。

5 結 論

1）當?shù)叵滤豢焖傧陆禃r，土體顆粒會受到超靜孔隙水壓力和負壓作用，細小土顆粒被逐漸帶走，進一步造成土塊體的剝落，使得土體中微裂隙逐漸擴展。

2）當?shù)叵滤徊▌宇l率越快，水頭差下降程度越快。表明地下水波動頻率對土體變形破壞有較大的影響。

3）試驗初步揭示了近年來發(fā)生的地基“天坑”的形成機制，地下水擾動作用是地表塌陷的重要原因。地下水擾動導致土體級配結構發(fā)生變化，土體的整體結構遭到破壞。

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