薛芬芬 謝婉麗 王昱琛 劉欣鵬

收稿日期：2023-10-11

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金 （42372320，41972292）;陜西省創(chuàng)新能力支撐計(jì)劃（2021TD-54）;陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022ZDLSF06-03）。

第一作者：薛芬芬，女，從事地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、微生物土體改良研究，1270820482@qq.com。

通信作者：謝婉麗，女，教授，從事地質(zhì)災(zāi)害防治、監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等研究，xiewanli@nwu.edu.cn。

摘要? 以研究區(qū)發(fā)生的10例地面塌陷為研究對(duì)象，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件和工程地質(zhì)資料，分析了研究區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)背景及地面塌陷的發(fā)育條件，綜合歸納了研究區(qū)地面塌陷的類型，揭示了不同地面塌陷類型的誘因、時(shí)空分布特征及塌陷形成機(jī)制。最后，采用有限差分軟件FLAC3D模擬了地道開挖、建房、地下水位抬升、強(qiáng)降雨等條件下地面塌陷的發(fā)展過程。通過對(duì)土層內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變，以及地道周圍土體、地表位移等分析，揭示了研究區(qū)地面塌陷的形成機(jī)理。研究結(jié)果表明，居民建房增加上覆荷載，地下水位抬升引起洞室周圍土體變形、洞室擴(kuò)大，在季節(jié)性強(qiáng)降雨的影響下，地表會(huì)產(chǎn)生大的沉降。

關(guān)鍵詞? 塌陷;機(jī)理;地下水;強(qiáng)降雨;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： P642.22? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-01-010

Numerical simulation analysis and mechanism

study of soil cave type ground subsidence

XUE Fenfen， XIE Wanli， WANG Yuchen， LIU Xinpeng

（Xian Key Lab of Prevention of Loess Dynamic Disaster and Restoration of Environment， State Key Laboratory of

Continental Dynamics， Department of Geology， Northwest University， Xian 710069， China）

Abstract? Ten cases of ground subsidence in the study area are taken as the research object. Based on field investigations and combined with the geological environment conditions and engineering geological data of the study area， the basic geological background and ground subsidence development conditions of the study area are obtained. Several types of ground subsidence in the study area are comprehensively summarized， and the causes， spatiotemporal distribution characteristics， and collapse formation mechanisms of different types of ground subsidence are analyzed. The finite difference software FLAC3D was used to simulate the development process of ground collapse under tunnel excavation， building houses， groundwater level rise， and heavy rainfall conditions. The formation mechanism of ground collapse in the study area was obtained by analyzing the stress and strain inside the soil layer， as well as the displacement of the surrounding soil and surface of the tunnel. The research results indicate that the construction of residential buildings increases the overlying load， and the rise of groundwater level causes deformation of the soil around the cavern， leading to the expansion of the cavern. Under the influence of seasonal heavy rainfall， the surface undergoes significant settlement.

Keywords? collapse; mechanism; groundwater; heavy rainfall; numerical simulation

地面塌陷是我國發(fā)育最強(qiáng)、分布最廣、頻率最高、影響最大的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，會(huì)造成地表出現(xiàn)大量陷坑，地面傾斜、鼓起，耕地破壞，以及周邊房屋不均勻沉降、開裂、地基沉降變形、基礎(chǔ)脫空坍塌等病害。其影響范圍大，受災(zāi)人員多，造成了嚴(yán)重的人員與財(cái)力損失［1］。常見的地面塌陷類型有自然條件下發(fā)生的地面塌陷和人類工程活動(dòng)（包括管線滲漏、抽水、隧道開挖或其他地下工程施工等）造成的地面塌陷。近年來，我國部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)發(fā)生了多起由地道、地下水位抬升、強(qiáng)降雨等多因素引起的地面塌陷事故（見圖1），發(fā)生突然、危害性大，嚴(yán)重威脅著鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民的生產(chǎn)和生活。同時(shí)，這類型地面塌陷具有突發(fā)性、隱伏性、多因素性、高危害性等顯著特征，并且數(shù)量多、分布密集，威脅一個(gè)村甚至一個(gè)鎮(zhèn)。

地面塌陷事故的頻繁發(fā)生，促使我們對(duì)此問題進(jìn)行深刻的思考。因?yàn)闆]有從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)地面塌陷的誘發(fā)因素、形成機(jī)理和演化規(guī)律，所以無法對(duì)地面塌陷事故進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報(bào)，使得地面塌陷的防控對(duì)策缺乏科學(xué)性［2］。相比于城市，經(jīng)濟(jì)較為落后的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)對(duì)于地面塌陷事故的預(yù)防難度更大。因此，對(duì)這一問題開展系統(tǒng)深入地研究，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)地面塌陷問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究，主要通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算方法分析地面塌陷的影響因素［3-4］、發(fā)育特征［5-6］、災(zāi)變機(jī)制［7-8］、致塌過程［9-10］、形成機(jī)理［11-15］、破壞模式［2］、穩(wěn)定性分析及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)［12］。

目前，對(duì)地面塌陷的相關(guān)研究大多集中在巖溶地下水開采造成的巖溶地面塌陷和采空區(qū)地面塌陷，而城鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查主要集中在滑坡、崩塌等常見且易發(fā)性高的災(zāi)害，對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)由地道、地下水位抬升、強(qiáng)降雨多因素引發(fā)地面塌陷的致塌機(jī)制及成災(zāi)過程的研究較少。本文通過野外調(diào)查，查明研究區(qū)內(nèi)的幾種地面塌陷類型，分析不同地面塌陷類型的誘因、時(shí)空分布特征及塌陷形成機(jī)制，通過FLAC3D軟件數(shù)值模擬進(jìn)一步研究抗戰(zhàn)時(shí)遺留地道在地下水位抬升和強(qiáng)降雨情況下的塌陷過程，從而對(duì)塌陷機(jī)理進(jìn)行分析。

1? 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件

富平縣屬于渭北黃土高原溝壑區(qū)，轄區(qū)內(nèi)共16個(gè)鎮(zhèn)（辦），分別為城關(guān)街道辦事處、東華街道辦事處、梅家坪鎮(zhèn)、莊里鎮(zhèn)、劉集鎮(zhèn)、張橋鎮(zhèn)、留古鎮(zhèn)、宮里鎮(zhèn)、曹村鎮(zhèn)、淡村鎮(zhèn)、齊村鎮(zhèn)、薛鎮(zhèn)、老廟鎮(zhèn)、流曲鎮(zhèn)、美原鎮(zhèn)和到賢鎮(zhèn)（見圖2）。

研究區(qū)位于渭河盆地中段北緣與陜北黃土高原的過渡地帶，地勢總體西北高、東南低、中部起伏不平，海拔375.8～1 439 m。自地表向下分別是中上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土和中下更新統(tǒng)洪積相、湖積相砂礫卵石、粉土和粉質(zhì)黏土，上覆黃土厚達(dá)80～100 m。中更新統(tǒng)（Q2）上部為一套風(fēng)成黃土堆積，下部為風(fēng)積、洪積黃土及砂礫卵石。上更新統(tǒng)（Q3），覆蓋于一切老地層之上，厚約15～30 m，局部可達(dá)50 m左右。上更新統(tǒng)下部（Q13）巖性主要為粉質(zhì)黏土及砂卵石。上更新統(tǒng)上部（Q23）為淺棕黃色黃土狀粉質(zhì)黏土，厚15～25 m。

研究區(qū)屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，年平均降水量500.28 mm，由于季風(fēng)影響，縣境降水具有明顯的季節(jié)性，降水分布極不均勻，夏秋多冬春少，且夏雨多于秋雨，干濕季節(jié)分明。降水多集中于7、8、9月份。大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給源。區(qū)內(nèi)河流是地下水主要排泄途徑。地下水按賦存條件分為第四系孔隙水和奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶水。發(fā)生地面塌陷區(qū)域地下水類型為第四系孔隙承壓水。

自2020年7月以來，研究區(qū)強(qiáng)降雨天氣的增多以及引黃灌溉項(xiàng)目的實(shí)施，導(dǎo)致該區(qū)域地下水位持續(xù)上升，在孝義村、北莊村、鐵門村、汝林村、曹管村等出現(xiàn)了不同程度的地面塌陷問題，多戶居民房屋發(fā)生開裂、地基沉降變形等現(xiàn)象，個(gè)別居民房屋出現(xiàn)塌陷坑，嚴(yán)重威脅居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

2? 研究區(qū)地面塌陷災(zāi)害成因分析

2.1? 研究區(qū)地面塌陷災(zāi)害統(tǒng)計(jì)

本文通過野外調(diào)查，共統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)2011—2021年10個(gè)較為詳細(xì)的地面塌陷災(zāi)害案例（見表1），發(fā)現(xiàn)了研究區(qū)地面塌陷災(zāi)害發(fā)生的時(shí)空分布特征和塌陷規(guī)模的變化特點(diǎn)。進(jìn)一步分析災(zāi)害發(fā)生時(shí)的致災(zāi)環(huán)境和巖土體類型，發(fā)現(xiàn)地道、強(qiáng)降雨、地下水位抬升、抽水是造成鄉(xiāng)鎮(zhèn)地面塌陷的主要因素，黃土是地面塌陷發(fā)生的主要巖土體類型。

由于時(shí)間久遠(yuǎn)，對(duì)村中地道和地洞分布范圍、深度、走向及地道的洞徑情況均不太清楚。通過現(xiàn)場勘察，地道頂部距地面4～6 m。為了查明孝義村、鐵門村、汝林村、曹管村4個(gè)地面塌陷影響嚴(yán)重的場地中的坑、洞、地道等的分布范圍，進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)生塌陷的原因進(jìn)行分析論證，收集了部分地質(zhì)雷達(dá)剖面資料（見圖3），得到地下空洞的寬度3～6 m，深度為3～7 m，地下存在大量松散區(qū)。

2.2? 地面塌陷的時(shí)空分布特征

將研究區(qū)已知的10個(gè)塌陷點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間按照月份統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)主要集中在7、8、9月份，即發(fā)生在夏季，初步分析塌陷災(zāi)害事故呈現(xiàn)季節(jié)化的特點(diǎn)（見圖4）。研究區(qū)夏季降雨充沛，降雨量為80～100 mm，約為其他季節(jié)的2倍，大部分雨水入滲到淺埋地層中，使土體發(fā)生軟化，加之該區(qū)域存在抗戰(zhàn)時(shí)遺留人防工程、地下水位抬升、抽水引起地下水位下降的影響，最終造成地面塌陷。

結(jié)合塌陷事故的時(shí)間分布特征，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)塌陷事故的發(fā)生區(qū)域。圖5為10個(gè)地面塌陷災(zāi)害點(diǎn)的分布圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，塌陷事故主要發(fā)生在黃土塬區(qū)和洪積扇區(qū)的平原地帶，約占90％。該區(qū)域海拔較低，地表水和地下水易于匯聚，巖性為厚約80～100 m的黃土，且平原地區(qū)居民建筑區(qū)、耕地區(qū)均高于山地丘陵區(qū)。由于灌溉導(dǎo)致的地下水位上升誘發(fā)該區(qū)域內(nèi)地面塌陷的發(fā)生。

2.3? 地面塌陷的誘因及形成條件

以研究區(qū)發(fā)生的10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地面塌陷為基礎(chǔ)，從致災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)介質(zhì)組成及塌陷規(guī)模等方面分析了研究區(qū)地面塌陷的誘因。將研究區(qū)地面塌陷類型分為抽水引起的地面塌陷、水管破裂引起的地面塌陷和地下水位抬升引起地面塌陷。其中，地下水位抬升引起地面塌陷約占75％，是研究區(qū)地面塌陷的主要類型。值得注意的是，87.5％的地面塌陷事故發(fā)生都是因?yàn)榈叵麓嬖诳箲?zhàn)時(shí)遺留的古地道。

2.3.1? 抽水引起的地面塌陷

在研究區(qū)抽水引起地面塌陷事故中，上覆土層為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，大量抽汲地下水是該類型地面塌陷的形成條件。大量抽汲地下水，大幅度降低地下水位，引起塌陷。

2.3.2? 水管破裂引起的地面塌陷

在研究區(qū)水管破裂引起的地面塌陷事故中，水管破裂、抗戰(zhàn)時(shí)修建土洞型地道為該類型地面塌陷的形成條件。

2.3.3? 地下水位抬升引起地面塌陷

研究區(qū)地下水位抬升引起的地面塌陷上的基本形成條件一般有5個(gè)。

1） 上覆土層為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，自身具有濕陷性，易受地下水的影響，同時(shí)黏粒含量降低，抗剪強(qiáng)度較低。

2） 抗戰(zhàn)時(shí)遺留的古地道，為巖土體的塌落提供一定空間。

3） 地下水位抬升為巖土體的塌落提供動(dòng)力，地下水位上升導(dǎo)致黃土發(fā)生濕陷，使原來相對(duì)穩(wěn)定的地道的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并產(chǎn)生細(xì)小的微裂隙貫通地面。

4） 下伏土體為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（粉質(zhì)黏土），為地下水的潛蝕和弱化提供可能。

5） 降雨較多，地表水入滲。

地面以下土體由于抗戰(zhàn)時(shí)開挖形成內(nèi)部空洞，而引黃灌溉工程導(dǎo)致地下水位抬升，影響地下洞室上覆土層的穩(wěn)定性，造成地下洞室失穩(wěn)從而引發(fā)地面塌陷。

2.4? 地面塌陷形成機(jī)制及災(zāi)變模式

在認(rèn)識(shí)與分析了地面塌陷災(zāi)害的特征與形成條件后，需進(jìn)一步分析其災(zāi)變模式才能為后續(xù)的災(zāi)變機(jī)理研究提供良好的基礎(chǔ)。由于前期的災(zāi)害誘因分析，發(fā)現(xiàn)古地道遺留是造成研究區(qū)地面塌陷的最直接因素。根據(jù)地面塌陷發(fā)生時(shí)的致災(zāi)環(huán)境，得到研究區(qū)災(zāi)變模式為地下水位抬升結(jié)合季節(jié)性強(qiáng)降雨誘發(fā)地面塌陷。地下水位抬升導(dǎo)致地下空洞上覆土層和下方土體弱化，使土體強(qiáng)度降低，地下空洞擴(kuò)大。當(dāng)空洞擴(kuò)展到一定程度就會(huì)達(dá)到臨界狀態(tài)，季節(jié)性強(qiáng)降雨使土體發(fā)生擾動(dòng)，造成地面塌陷。

3? 數(shù)值模擬

3.1? 計(jì)算模型的建立

根據(jù)研究區(qū)的野外調(diào)查及資料收集，發(fā)現(xiàn)該區(qū)房屋建筑密集、人口居住較多，選取較為典型的鐵門村地面塌陷的基礎(chǔ)資料，用FLAC3D進(jìn)行建模并計(jì)算分析。FLAC3D使用有限差分法可以解決一般的巖土工程問題和流體力學(xué)問題，豐富的滲流模型能解決地下水變化及飽和狀態(tài)的滲流問題。同時(shí)，考慮滲流場和應(yīng)力場的相互作用也能進(jìn)行流固耦合分析。

鐵門村位于黃土殘塬區(qū)，微地貌類型屬于平原，地勢較為平坦，因此假定地表面為水平地面。首先，建立該區(qū)域的數(shù)值計(jì)算模型〔見圖6（a）〕。選用各向同性模型，模型的尺寸為20 m×20 m×15 m。該區(qū)域?yàn)槎Y(jié)構(gòu)覆蓋層，地層巖性為第四系夯填土和上更新統(tǒng)馬蘭黃土。夯填土位于地表以下0～0.5 m，馬蘭黃土位于地表以下0.5～15 m?？箲?zhàn)時(shí)修建的地道剖面為馬蹄形，埋深為5 m，地道圍巖未支護(hù)，基本尺寸如圖6（b）所示。

本文在數(shù)值模擬計(jì)算過程中將巖土體視為彈塑性體，選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，巖土體的基本物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。模型的邊界條件定義為：

①限制模型前后左右面的x、y方向的位移;

②限制模型底部z方向上的位移;

③模型表面設(shè)定為自邊界;

④模型所受自重加速度設(shè)定為9.8 m／s2。

3.2? 數(shù)值模擬試驗(yàn)方案

根據(jù)研究區(qū)地面塌陷影響因素分析，發(fā)現(xiàn)地下水抬升、抗戰(zhàn)時(shí)遺留地道、強(qiáng)降雨為研究區(qū)地 面塌陷最主要因素。因此，本次數(shù)值模擬選取以下3種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

1）地道開挖數(shù)值模擬研究。模擬開挖出的地道，設(shè)置模型初始的地下水位為z=0 m，考慮自重應(yīng)力作用下對(duì)地道周圍土體最大剪應(yīng)力、最大剪應(yīng)變?cè)隽考柏Q向位移進(jìn)行分析。

2）地下水位抬升數(shù)值模擬研究。當(dāng)研究區(qū)地下水位抬升至z=2、4、6、8 m時(shí)，地下水使地道周圍土體及地表位移發(fā)生變化，對(duì)地道及周圍土體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。

3）強(qiáng)降雨工況數(shù)值模擬研究。降雨強(qiáng)度參考研究區(qū)最大降雨量，為50 mm／d。因此，模型設(shè)置降雨速率為5.79×10-7m/s，設(shè)置模型的地道底部尺寸分別為2、2.2、2.4、2.6、2.8 m，選擇單滲流模式對(duì)模型進(jìn)行分析。首先設(shè)置計(jì)算模式為滲流模式，設(shè)置流體參數(shù)、流體邊界條件（前、后、左、右、底部設(shè)置為 0 流量邊界，頂面為自由面，用來模擬強(qiáng)降雨作用）;其次，打開力學(xué)進(jìn)程，進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，獲取結(jié)果云圖，分析不同洞室尺寸下地表中心的沉降情況。

3.3? 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

3.3.1? 初始應(yīng)力場

從圖7可以看出，豎向應(yīng)力在模型底部最大，達(dá)到233 kPa，符合自重應(yīng)力分布規(guī)律。在自重作用下，模型最大不平衡力逐漸趨于平衡，整個(gè)上覆土層逐漸趨于穩(wěn)定，初始應(yīng)力場生成。

3.3.2? 地道開挖數(shù)值模擬研究

1） 地道開挖前后最大剪應(yīng)力分析。圖8為開挖前后模型最大剪應(yīng)力分布云圖。開挖前后均在模型的最底部出現(xiàn)最大剪應(yīng)力，開挖前最大剪應(yīng)力為58.4 kPa，開挖后最大剪應(yīng)力值為62.7 kPa。地道的開挖引起周圍土體的移動(dòng)和地面初始應(yīng)力狀態(tài)的擾動(dòng)，開挖后的土體應(yīng)力發(fā)生重分布，使地道周圍土體應(yīng)力發(fā)生較為明顯的變化，離地道越近變化越大，地道洞壁左右兩側(cè)剪應(yīng)力高于同一深度的其他土體，洞頂處最大剪應(yīng)力低于同一深度的其他土體，證明洞頂發(fā)生“土拱效應(yīng)”，出現(xiàn)剪應(yīng)力低值區(qū)，洞頂上方出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力曲線下凹現(xiàn)象。

2） 地道開挖后豎向位移和最大剪應(yīng)變?cè)隽糠治觥D9為開挖后模型的豎向位移與最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。由圖9（a）可以得到，模型開挖后，豎向變形主要表現(xiàn)為拱頂沉降，洞底隆起，最大沉降位移為3.27 cm，最大隆起位移為5.18 cm。地表沉降位移主要發(fā)生在洞室上方土體，離洞室中軸線越近，沉降越大，地表最大沉降位移為1.05 cm，證明由地道開挖引起的地表沉降量為1.05 cm。如圖9（b）所示，最大剪切應(yīng)變?cè)隽砍霈F(xiàn)在土洞洞趾處。

3.3.3? 地下水抬升數(shù)值模擬研究

圖10為地下水位抬升工況下洞室周圍包括洞底、洞趾、洞頂、洞肩、洞壁及地表中心的豎向位移變化圖。由圖10可以看出，仍然呈現(xiàn)洞頂沉降，洞底隆起的現(xiàn)象，洞頂和洞底位移變形量最大，洞壁處位移變形量最小。當(dāng)?shù)叵滤恢鸩教?、4、6 m時(shí)，洞頂、洞肩、洞壁及地表中心的沉降量逐漸增大，位移變形增量在6～17 mm，洞底及洞趾處隆起量逐漸減小，位移變形量在5～10 mm。當(dāng)?shù)叵滤粡? m抬升至8 m時(shí)，洞底、洞趾、洞頂、洞肩、洞壁及地表中心的豎向位移均發(fā)生較大的變化。其中，洞底處豎向位移發(fā)生較大的隆起，變化增量為93 mm，洞趾處豎向變形由隆起變?yōu)槌两担兓隽繛?8 mm，洞壁、洞肩、洞頂處發(fā)生了較大沉降，增量在49～57 mm，地表中心沉降增量為52 mm。證明當(dāng)?shù)叵滤痪嚯x洞室較遠(yuǎn)時(shí)，地下水位抬升對(duì)洞室周圍土體和地表變形影響較小，當(dāng)?shù)叵滤痪嚯x洞室較近時(shí)，地下水位抬升對(duì)洞室周圍土體和地表變形影響較大。

3.3.4? 強(qiáng)降雨工況數(shù)值模擬研究

在強(qiáng)降雨工況下，降雨入滲土體，對(duì)巖土體產(chǎn)生軟化作用。圖11為強(qiáng)降雨工況下模型的豎向位移云圖。從圖11可知，隨著洞室尺寸的增大，洞頂位移逐漸增大，位移增量依次為17、15、21、20 mm;洞底位移逐漸增大，位移增量依次為56、46、52、40 mm。在強(qiáng)降雨工況下，隨著洞室尺寸的增大，洞室上方土體位移量逐漸增大。

圖12為強(qiáng)降雨工況下地表中心的沉降量。從圖中可以看出，在強(qiáng)降雨工況下，隨著洞室的不斷擴(kuò)大，地表中心豎向位移逐漸增大，位移增長量為20 mm左右，證明在強(qiáng)降雨工況下洞室尺寸的增大對(duì)地表沉降影響較大。

4? 機(jī)理研究

由于研究區(qū)多數(shù)地面塌陷均為抗戰(zhàn)時(shí)遺留地道、 修建居民住宅、 地下水位抬升加之季節(jié)性強(qiáng)降雨引起， 因此， 本文重點(diǎn)分析此類地面塌陷的機(jī)理。 該類型地面塌陷的形成是以抗戰(zhàn)時(shí)遺留地道為基礎(chǔ)條件， 地下水位抬升、 強(qiáng)降雨、 上覆荷載與振動(dòng)共同作用下形成的。 地下水位抬升和抗戰(zhàn)時(shí)遺留地道引起的地面塌陷的過程主要是（見圖13）。

當(dāng)?shù)叵滤仙龝r(shí)，在勢能差的作用下土體發(fā)生滲流，引起土顆粒或土骨架的移動(dòng)。同時(shí)，地下水作用下的動(dòng)水壓力，降低土體之間的黏結(jié)力，地下水浸泡土體，降低土體強(qiáng)度，使土體發(fā)生崩解。另外，地道本身的存在，給更大范圍內(nèi)的滲流破壞提供了滲流通道，使地道不斷擴(kuò)大，在土拱效應(yīng)下，地面能維持一個(gè)臨界坍塌狀況，在夏季強(qiáng)降雨的情況下，發(fā)生急劇變化，導(dǎo)致地面塌陷的發(fā)生。

1）上覆荷載與振動(dòng)作用。研究區(qū)在地道上方修建房屋，增加了上覆層的荷載，加之汽車等交通工具的振動(dòng)作用，改變了土體結(jié)構(gòu)。

2）地下水潛蝕作用。研究區(qū)發(fā)生地面塌陷的幾處區(qū)域，初始地下水位均在地面以下15～20 m左右，在灌溉工程的實(shí)施加之近幾年強(qiáng)降雨，地下水位抬升了6～8 m，產(chǎn)生水頭差，在土體中發(fā)生滲流，地道的存在給地下水的運(yùn)移提供了通道，帶走土體中的松散細(xì)顆粒，只剩粗顆粒維持骨架，在持續(xù)作用下，地道逐漸擴(kuò)大，上覆土層在重力作用下，產(chǎn)生拉張裂縫。

3）降雨入滲作用。地表水在下滲過程中增加地道上覆土體的自重，并對(duì)土體進(jìn)行沖蝕［16］，形成沖蝕裂縫，隨著降雨量的增加，逐漸向下入滲。

5? 結(jié)論

本文基于研究區(qū)的10個(gè)地面塌陷點(diǎn)，分析了不同地面塌陷類型的誘因、時(shí)空分布特征及塌陷形成機(jī)制，采用有限差分軟件FLAC3D模擬了開挖地道、地下水位抬升、強(qiáng)降雨工況下的地面塌陷的發(fā)展過程，得出如下主要結(jié)論。

1） 研究區(qū)塌陷災(zāi)害點(diǎn)呈現(xiàn)季節(jié)化、區(qū)域性的特點(diǎn)，塌陷事故發(fā)生在夏季的概率明顯優(yōu)于其他季節(jié)，塌陷地點(diǎn)主要發(fā)生在海拔較低的平原地帶。

2） 洞室周圍及地表沉降或隆起變形主要由地道開挖和建房導(dǎo)致，隨著地下水位的不斷抬升，洞室周圍土體變形量逐漸增大，在強(qiáng)降雨工況下，地道的不斷擴(kuò)大，加速了塌陷的發(fā)生。

3） 研究區(qū)地面塌陷形成機(jī)理為：居民建房增加上覆荷載，地下水抬升降低土體強(qiáng)度，地道本身的存在為地下水滲流提供了通道，季節(jié)性強(qiáng)降雨進(jìn)一步誘發(fā)地面塌陷。

參考文獻(xiàn)

［1］宋二祥， 徐明， 吳志軒，? 等. 某盾構(gòu)施工巖溶場地地面塌陷機(jī)理和數(shù)值分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2019， 15（6）： 1874-1880.

SONG E X， XU M， WU Z X， et al. Mechanism and numerical analysis of ground collapse in a shield tunneling karst site ［J］.Journal of Underground Space and Engineering， 2019， 15（6）： 1874-1880.

［2］張成平， 張頂立， 王夢恕，? 等. 城市隧道施工誘發(fā)的地面塌陷災(zāi)變機(jī)理及其控制［C］∥第2屆全國工程安全與防護(hù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 北京：中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)工程安全與防護(hù)分會(huì)， 2010.

［3］于賀艷. 武廣客運(yùn)專線英德段巖溶塌陷模式及致塌因素的研究［D］. 成都： 成都理工大學(xué)， 2006.

［4］GOLPASAND M R B， DO N A， DIAS D. Impact of pre-existent Qanats on ground settlements due to mechanized tunneling［J］.Transportation Geotechnics， 2019， 21： 100262.

［5］劉賢紅， 寧進(jìn)錫， 劉顯麗. 邵東市城區(qū)地面塌陷發(fā)育特征及成災(zāi)機(jī)理研究［J］.價(jià)值工程，2022，41（24）：78-80.

LIU X H， NING J X， LIU X L. Research on the development characteristics and disaster mechanism of ground subsidence in the urban area of Shaodong City ［J］. Value Engineering， 2022， 41 （24）： 78-80.

［6］周正， 李大華， 廖云平， 等. 重慶中梁山巖溶地面塌陷特征及形成機(jī)理［J］.中國巖溶， 2022， 41（1）： 67-78.

ZHOU Z， LI D H， LIAO Y P， et al. Characteristics and formation mechanism of karst ground collapse in Zhongliang Mountain， Chongqing ［J］. Karst China， 2022， 41 （1）： 67-78.

［7］李濤， 張子真， 宗露丹. 地下空洞引起土質(zhì)地層地陷的形成機(jī)制與預(yù)測研究［J］.巖土力學(xué)， 2015， 36（7）： 1995-2002.

LI T， ZHANG Z Z， ZONG L D. Research on the formation mechanism and prediction of soil subsidence caused by underground cavities［J］. Geotechnical Mechanics， 2015， 36 （7）： 1995-2002.

［8］張成平， 張頂立， 王夢恕， 等. 城市隧道施工誘發(fā)的地面塌陷災(zāi)變機(jī)制及其控制［J］.巖土力學(xué)， 2010， 31（S1）： 303-309.

ZHANG C P， ZHANG D L， WANG M S， et al.Mechanism and control of ground collapse induced by urban tunnel construction［J］. Geotechnical Mechanics， 2010， 31 （S1）：? 303-309.

［9］蘇添金， 洪儒寶， 簡文彬. 覆蓋型巖溶土洞致災(zāi)過程的數(shù)值模擬與預(yù)測［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)， 2018， 27（5）： 179-187.

SU T J， HONG R B， JIAN W B. Numerical simulation and prediction of disaster process caused by covered karst soil caves［J］. Journal of Natural Disasters， 2018， 27（5）： 179-187.

［10］馮永， 趙辰， 山傲巖. 基于FlAC3D的抽水致塌動(dòng)態(tài)過程模擬分析［J］.工程勘察， 2015， 43（6）： 33-36.

FENG Y， ZHAO C， SHAN A Y. Simulation analysis of dynamic process of pumping induced collapse based on FlAC3D［J］. Engineering Survey， 2015， 43（6）： 33-36.

［11］胡亞波， 劉廣潤， 肖尚德， 等. 一種復(fù)合型巖溶地面塌陷的形成機(jī)理： 以武漢市烽火村塌陷為例［J］.地質(zhì)科技情報(bào)， 2007， 26（1）： 96-100.

HU Y B， LIU G R， XIAO S D， et al. The formation mechanism of a composite karst ground collapse： A case study of Fenghuo Village collapse in Wuhan City［J］. Geological Science and Technology Information， 2007， 26（1）： 96-100.

［12］聶玉朋， 王慶雷， 曹光明， 等. 章丘區(qū)地面塌陷災(zāi)害形成機(jī)理及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究［J］.綠色科技， 2022， 24（6）： 11-13.

NIE Y P， WANG Q L， CAO G M， et al. Research on the formation mechanism and risk assessment of ground collapse disasters in Zhangqiu District［J］. Green Science and Technology， 2022， 24 （6）： 11-13.

［13］XIA K Z， CHEN C X， ZHENG Y， et al. Engineering geology and ground collapse mechanism in the Chengchao Iron-ore Mine in China［J］. Engineering Geology， 2019， 249： 129-147.

［14］賀桂成，劉永，張志軍， 等.衡山石膏礦地面塌陷機(jī)理的FLAC3D模擬［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)， 2013， 33（1）：73-76.

HE G C， LIU Y， ZHANG Z J， et al. FLAC3D simulation of ground subsidence mechanism in Hengshan gypsum mine［J］. Mining Research and Development， 2013， 33（1）： 73-76.

［15］羅小杰. 也論覆蓋型巖溶地面塌陷機(jī)理［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2015， 23（5）： 886-895.

LUO X J. Also on the mechanism of covered karst ground collapse［J］. Journal of Engineering Geology， 2015， 23（5）： 886-895.

［16］孫金輝. 覆蓋型巖溶塌陷臨界參數(shù)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究［D］. 成都： 西南交通大學(xué)， 2011.

（編? 輯? 張? 歡）