灰岩地层浅埋隐伏溶洞三维识别重构及顶板承载力研究

发布时间：2020-11-07 19:29

　　 在过去的近两百多年的时间里,伴随着城市化进程的推进,工程建设在规模和速度上均有大幅度的提升,土地利用率也随之增加。在中国的西南地区,可溶性灰岩是基岩的主要组成成分。由于岩溶作用的发展,造成隐伏型溶洞在近地表区域广泛存在。在实际工程中,含有浅埋隐伏溶洞的地面塌陷问题时有发生,由于缺乏对于相关信息的认识,使得人们的生命和财产安全受到了极大的威胁。所以,本文以前人的研究成果为基础,采用模型试验、理论解析、数值模拟相结合的方法,开展有关灰岩地层浅埋隐伏溶洞三维识别重构及顶板承载力的研究。具体研究内容和成果可以概括如下:(1)将现场勘察、地质雷达探测技术与数据拟合技术相结合,提出一种灰岩地层浅埋隐伏结构三维识别重构的方法。首先,以模型试验为手段,通过应用地质雷达探测取得的一系列二维地质雷达图像。然后,经过二维地质雷达图像的解译,建立空间数据集。最后,通过数据拟合得到空间三维结构模型。将拟合得到的结构与模型试验的设计尺寸进行比较,结果显示,两者吻合度较高,所提出的方法较为合理。除此之外,在模型试验操作过程中,对于含有浅埋隐伏溶洞的灰岩地层随着填充材料性质、截面形状的变化,所对应的二维地质雷达图像的特征也进行了总结。从材料性质的角度看,有重叠的反射区出现是灰岩材料的图像特征。由于隐伏目标物的存在,在目标物的顶部、底部边界会有强烈的衍射曲线产生。当然,在电磁波传播过程中,由于传播介质的吸收作用,底部的发射图像会受到削弱。削弱程度的大小主要受到电磁波传播的深度以及传播介质的介电常数的影响。从截面形状的角度看,虽然截面形状存在着差异性,但在截面处均会有强烈的反射现象存在。当截面的形状为圆形时,在截面的上下表面均会有衍射曲线产生,整体上表现为成对出现的衍射双曲线。对于矩形的截面而言,也有成对出现的类双曲线,不同的是,双曲线的顶部呈现扁平状。对于比较规则的硬质结构面,在图像上呈现为水平的直线。对于软弱夹层,由于材料之间的相互渗入,因此在图像上呈现交替的凹凸状不规则的线型。(2)选取典型的含有浅埋隐伏的柱状和球状溶洞的灰岩地层为研究对象,开展空间围岩应力分布理论解析。首先,以基本弹性理论为基础,建立考虑重力、内部填充和外部竖向荷载耦合作用的等效轴对称计算模型。引入拉普位移法,构建拉普位移函数进行理论解析,得到满足边界条件的完备解。进一步地,对于应力分量在各影响因素作用下的变化趋势进行了探讨。对于柱状溶洞而言,各应力分量受到半径r和深度z两个因素的影响。随着半径r和深度z的改变,径向应力和环向应力的数值变化是连续的,而且其变化的空间曲面近似于抛物面形状。从变化趋势看,两者具有相反的变化趋势。不过,两者的变化速率相同,最终趋于同一稳定数值。切向应力和竖向应力分别是半径r和深度z的单值函数。对于球状溶洞而言,各应力分量受到半径R和角度φ两个因素的影响。随着半径R和角度φ两个因素的改变,各应力分量数值变化是连续的,而且其空间变化趋势呈现出对称性特征。为了检验取得完备解的有效性,对于一算例的理论解析结果和数值模拟结果进行了对比分析。结果显示:各应力分量的理论解析结果和数值模拟结果保持着一致性。所以,得到的解析解可以较好地反映含有浅埋的柱状和球状溶洞的灰岩地层的空间围岩应力分布特征。(3)以上述求得的各应力分量的解析解为基础,采用莫尔-库仑强度理论对于顶板的稳定性进行分析,得到计算含有浅埋隐伏柱状和球状溶洞的灰岩地层顶板承载力的数学表达式。从表达式的形式可以看出,承载力的大小受到岩体自身的属性(重度γ、内摩擦角φ_1、粘聚力c),溶洞的尺寸(半径R、截面半径r、高度H)以及上覆岩层的厚度(h)等因素的影响。(4)以重庆市南岸区某项目作为工程背景,对于提出的灰岩地层浅埋隐伏溶洞三维识别重构的方法及灰岩顶板承载力的计算公式进行了综合应用。首先,将二维地质雷达图像解译与现场的勘察资料相结合,确定浅埋隐伏溶洞的空间形态特征,建立研究模型。然后,以确定的研究模型为基础,在相同的工况条件下,进行分级加载数值模拟,记录在施加不同荷载条件下所产生的对应位移量,进而绘制出P-S曲线。将P-S曲线分析结果和塑性区变化特征相结合,最终分别得到了柱状和球状隐伏溶洞存在条件下的灰岩顶板承载力大小。最后,应用推导获得的含有浅埋隐伏柱状和球状溶洞的灰岩顶板承载力计算公式,完成顶板承载力的计算。数值模拟结果与理论解析结果的对比分析表明:对于柱状溶洞和球状溶洞两种情况,通过公式计算得到的顶板承载力与通过P-S曲线结果和塑性区变化特征相结合得到的顶板承载力误差分别不超过3.5%和5%,吻合度较高。所以,经过求解得到的灰岩顶板承载力的计算公式具有其合理性。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

(e) (f)图 1.1 典型岩溶地貌 (a) 喀斯特峰林 (b) 喀斯特洼地 (c) 喀斯特平原 (d)落水洞 (e)溶洞 (f)地下暗河Fig. 1.1 Typical karst landform (a) karst stone forests (b) karst depression (c) karst plain (d) doline (e)karst cave (f) underground river

(e) (f)图 1.1 典型岩溶地貌 (a) 喀斯特峰林 (b) 喀斯特洼地 (c) 喀斯特平原 (d)落水洞 (e)溶洞 (f)地下暗河Fig. 1.1 Typical karst landform (a) karst stone forests (b) karst depression (c) karst plain (d) doline (e)karst cave (f) underground river

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【参考文献】

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本文编号：2874380