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循环负压作用下岩溶塌陷物理模型试验研究

苏洪,  向喜琼,  刘丽,  吴榆,  杨雨菲

苏 洪,向喜琼,刘 丽,等. 循环负压作用下岩溶塌陷物理模型试验研究[J]. 中国岩溶,2026,45(0):1-13 doi: 10.11932/karst2026y040
引用本文: 苏 洪,向喜琼,刘 丽,等. 循环负压作用下岩溶塌陷物理模型试验研究[J]. 中国岩溶,2026,45(0):1-13 doi: 10.11932/karst2026y040
SU Hong, XIANG Xiqiong, LIU Li, WU Yu, YANG Yufei. Physical Model Test Study on Karst Collapse under Cyclic Negative Pressure[J]. CARSOLOGICA SINICA. doi: 10.11932/karst2026y040
Citation: SU Hong, XIANG Xiqiong, LIU Li, WU Yu, YANG Yufei. Physical Model Test Study on Karst Collapse under Cyclic Negative Pressure[J]. CARSOLOGICA SINICA. doi: 10.11932/karst2026y040

循环负压作用下岩溶塌陷物理模型试验研究

doi: 10.11932/karst2026y040
基金项目: 国家重点研发计划“深部岩溶塌陷风险精准防控技术装备研发”(2022YFC3003301)
详细信息
    作者简介:

    苏洪(2002—)女,硕士研究生,主要从事地质灾害防治研究。E-mail:3206923732@qq.com

    向喜琼(1975—)男,副教授,博士,硕士研究生导师,主要从事地质灾害评价与防治。E-mail:32520923@qq.com

Physical Model Test Study on Karst Collapse under Cyclic Negative Pressure

  • 摘要: 本文通过物理模型试验,研究了循环水位波动下单一黏土盖层的负压吸蚀致塌过程,重点揭示了水位波动循环次数及单次循环中负压作用时长对土体累积破坏过程的影响。试验通过控制注水阀门开度调节水位上升速率,从而设定三种不同的单次负压作用时长,并监测试验过程中塌陷发展、土体位移及孔隙水压力、土压力和气压的变化。结果表明:循环负压作用下盖层破坏具有典型累积损伤特征,变形发展、孔压消散、土压增长和气压衰减在裂缝萌生—扩展阶段表现出协同演化;单次有效负压作用时长会改变土体的损伤破坏过程,长时长工况变形破坏较早、破坏范围相对集中,短时长工况损伤发展滞后但在多次循环后出现了较大的累积位移与塌陷范围。基于三组工况的初步拟合显示,临界塌陷循环次数与单次负压作用时长呈负幂次相关(R2=0.955),但还需通过更多不同负压作用时长工况进一步验证。研究揭示了循环负压作用下盖层土体损伤累积的演化过程,可为岩溶区周期抽排水诱发塌陷风险评估提供理论依据。

     

  • 图  1  贵州典型红黏土盖层抽水致塌概化图

    Figure  1.  Conceptual geological model of karst collapse evolution induced by groundwater pumping in red clay caprocks in Guizhou

    图  2  研究概化模型图

    Figure  2.  Generalized Model of the Study

    图  3  模型试验装置及监测设备示意图

    (a) 蓄水箱;(b) 进水口;(c) 试验土箱;(d) 模拟岩溶空腔;(e) 排水口;(f) 孔压、土压传感器;(g) 摄像头;(h) 气压变送器;(i) 激光位移

    Figure  3.  Schematic diagram of the model test setup and monitoring equipment

    图  4  试验准备过程工作图

    Figure  4.  Workflow diagram of the test preparation process

    图  5  不同单次负压作用时长下最终塌陷图

    (a) 单次负压作用时长330″ (b) 单次负压作用时长210″ (c) 单次负压作用时长90″

    Figure  5.  Final collapse patterns under different durations of negative pressure

    图  6  不同单次负压作用时长下盖层土体变形破坏过程

    (a) 土体初始状态 (b) 裂缝出现 (c) 裂缝扩展 (d) 塌陷发生

    Figure  6.  Deformation and failure process of overburden soil under different single-cycle suction durations

    图  7  不同单次负压作用时长下覆盖层土体位移变化过程

    Figure  7.  Displacement variation process of overburden soil under different single-cycle suction durations

    图  8  不同单次负压作用时长下孔隙水压力、土压变化过程

    Figure  8.  Variation process of pore water pressure and earth pressure under different single-cycle suction durations

    图  9  不同单次负压作用时长气压变化过程

    (a) 单次负压作用时长330″ (b) 单次负压作用时长210″ (c) 单次负压作用时长90″

    Figure  9.  Variation process of air pressure under different single-cycle suction durations

    图  10  负压作用时长与临界塌陷循环次数拟合曲线

    Figure  10.  Regressioncurve between negative pressure duration and critical number of collapse cycles

    图  11  真空吸蚀致塌过程图

    Figure  11.  Diagram of the collapse process caused by vacuum suction erosion

    表  1  模型 - 原型参数相似转换准则表

    Table  1.   Similarity transformation criteria for model-prototype parameters

    参数类型 物理量 模型尺度 工程原型尺度 转换公式 转换依据
    几何参数 盖层厚度、水位降深、
    岩溶开口尺寸
    cm m $ {L}_{1}=100\times {L}_{2} $ 几何比尺$ {C}_{L} $=100
    时间参数 负压作用时长、抽水周期 s h $ {t}_{1}=\dfrac{100}{3600}\times {t}_{2} $ 时间比尺$ {C}_{t}=100 $
    应力参数 真空负压、土压力、孔隙水压力 kPa kPa 1∶1对应 土体重度不变,应力相似比$ {C}_{\sigma }=1 $
    强度参数 黏聚力、内摩擦角 kPa、° kPa、° 1∶1对应 物性参数相似比尺=1
    循环参数 抽水循环次数 次 次 1∶1对应 单次循环对应工程单次抽水-回稳
    完整周期(事件相似性)
    下载: 导出CSV

    表  2  试验监测设备参数表

    Table  2.   Parameters of test monitoring equipment

    监测设备名称 量程 精度
    土压力传感器 10 KPa 0.5%FS
    孔隙水压力传感器 10 KPa 0.5%FS
    气压变送器 ±100 KPa 0.1%FS
    激光位移计 65-200 mm 0.1%FS
    下载: 导出CSV

    表  3  负压作用时长试验方案

    Table  3.   Testplan for the duration of negative pressure action

    试验序号盖层厚度/cm水位降深/cm负压作用时长/s
    11040330
    21040210
    3104090
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-01-29
  • 录用日期:  2026-09-03
  • 修回日期:  2026-08-31
  • 网络出版日期:  2026-10-22

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