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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

师 海,贾智磊,白明洲,等. 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,等. 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

doi: 10.11932/karst20240509
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

  • 摘要: 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。

     

  • 图  1  研究区岩溶地貌

    Figure  1.  Karst landform of the study area

    图  2  潜在塌陷区地层结构剖面图

    Figure  2.  Profile of the stratigraphic structure of potential collapse area

    图  3  双轴试验模型

    Figure  3.  Biaxial test model

    图  4  模拟的不同围压下应力-应变曲线

    Figure  4.  Simulated stress-strain curves under different confining pressures

    图  5  数值计算模型

    Figure  5.  Numerical model

    图  6  流固耦合管域模型

    Figure  6.  Model of pipes and domains for fluid-solid coupling

    图  7  塌陷全过程模拟

    Figure  7.  Simulated collapse process

    图  8  地表竖向位移变化

    Figure  8.  Vertical displacement of the surface

    图  9  不同测点处孔隙率随塌陷进程变化规律

    Figure  9.  Variation of porosity at different monitoring points with collapse process

    图  10  不同测点塌陷土体内部竖向应力变化曲线

    Figure  10.  Curve of variation in internal vertical stress of collapsing soil at different monitoring points

    图  11  不同溶洞开口大小条件下地表沉降变化

    Figure  11.  Variation of vertical surface displacement under different opening sizes of caves

    图  12  不同覆盖层厚度条件下地表沉降变化

    Figure  12.  Variation of vertical surface displacement under different overburden thicknesses

    图  13  不同水位高度条件下地表沉降变化

    Figure  13.  Variation of vertical surface displacement under different water levels

    图  14  不同水位高度突变条件土洞塌陷临界高度

    Figure  14.  Critical heights of collapsing soil caves under different water levels

    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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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-07
  • 录用日期:  2023-05-02
  • 修回日期:  2023-03-30
  • 网络出版日期:  2024-12-30
  • 刊出日期:  2024-10-25

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