模糊數學方法下對巖溶地面塌陷的定量分析

摘 要: 為了對巖溶發育區的場地穩定性進行評價, 以京杭大運河徐州段某碼頭場地為例, 從場地工程地質特性出發, 對場地地基穩定性影響因素進行分類, 并劃分為巖溶地面塌陷、飽和砂 (粉) 土液化及軟土沉陷三種影響因素, 在此基礎上結合模糊數學方法對場地巖溶發育程度進
閱讀技巧Ctrl+D 收藏本篇文章

  摘 要: 為了對巖溶發育區的場地穩定性進行評價, 以京杭大運河徐州段某碼頭場地為例, 從場地工程地質特性出發, 對場地地基穩定性影響因素進行分類, 并劃分為巖溶地面塌陷、飽和砂 (粉) 土液化及軟土沉陷三種影響因素, 在此基礎上結合模糊數學方法對場地巖溶發育程度進行定量分析。研究結果表明:研究區巖溶地面塌陷模糊判別指數W值介于0.25~0.75之間, 屬相對穩定亞區;飽和砂 (粉) 土場地液化指數小于6, 場地液化分區屬輕微液化區;軟土分布不均, 且厚度變化大, 可采用提前加載壓固處理消除影響。研究成果為類似巖溶發育地區的穩定性評價提供可行的參考經驗。

  關鍵詞: 地基; 穩定性; 巖溶; 塌陷; 模糊數學;

  Abstract: In order to evaluate the site stability of the karst development area, taking a dock site in the Xuzhou section of the Beijing-Hangzhou Grand Canal as an example, the factors affecting the stability of the site foundation are classified according to the site engineering geological characteristics, and are classified into three influencing factors such as karst ground collapse, saturated sand or soil liquefaction and soft soil subsidence. On this basis, the karst development degree of this site is quantitatively analyzed by combining fuzzy mathematics method. The results show that the W-value of karst ground collapse in the study area is between 0.25~0.75, which is a relatively stable sub-area; the liquefaction index of saturated sand or soil is less than 6, which is a light liquefaction area; soft soil is unevenly distributed and its thickness varies greatly, and the influence can be eliminated by using the pre-loading and pressing treatment. This research results provide a feasible reference experience for the stability evaluation of similar karst development areas.

  Keyword: foundation stability; Karst collapse; fuzzy mathematics; liquefaction index;

  0 、引言

  巖溶作為一直廣泛發育于碳酸鹽類巖石中的一種地質現象, 存在于我國近340萬平方公里的國土上, 在受到地下水擾動影響下也會促進巖溶的進一步發育。在工程建設中, 如果不能準確地評價巖溶區的地基土穩定性, 當地面建筑建設后, 地基土承受過大的荷載, 易造成地面塌陷, 從而引起嚴重的破壞后果[1,2,3,4]。

  我國作為巖溶發育廣泛的大國, 在工程建設中, 對巖溶地基的評價與處理作了很多了研究工作, 也形成了很多有益的經驗。例如:鄭智等[5]對龍巖市巖溶塌陷地質結構進行分析并揭示了其致塌機理;吳亞楠等[6]對泰安市城區的巖溶塌陷演化過程進行了研究;賀懷振等[7]采用模糊綜合評判模型對徐州地鐵沿線巖溶塌陷穩定性進行了研究;武鑫等[8,9]結合徐州城市地質調查結果對當地巖溶地質災害易發情況進行了研究;賀偉等[10,11,12]針對工程實際中遇到的巖溶地質問題進行了理論研究及治理研究。

  本文結合研究區實際工程地質條件, 根據實際勘探結果, 對影響場地穩定性的三種影響因素進行分析, 在此基礎上運用模糊數學方法對巖溶地面塌陷模糊判別指數W值進行定量計算, 在計算結果上進行穩定性分區, 并劃分為不穩定區、基本穩定區、穩定區, 最后根據分區結果提出建議。

模糊數學方法下對巖溶地面塌陷的定量分析

  1、 研究區概況

  1.1、 地形地貌

  研究區位于徐州市著名的九里山余脈東北側, 地貌單元為黃泛沖積平原, 地形平坦, 地勢開闊。自然地面廢黃河高程33.50~35.50 m, 研究區地貌見圖1。

  圖1 徐州地區地貌略圖
圖1 徐州地區地貌略圖

  1.2、 區域地質及構造

  1.2.1、 區域地質

  研究區地層分區屬華北地層區、徐宿地層小區, 下伏基巖為奧陶系下統碳酸鹽巖;場地上覆土層為上更新統粉土、淤質土及黏性土, 各組地層特征分述如下:

  第四系全新統 (Q4) :上部為棕黃色、棕灰色粉土, 中部為灰色粉土、淤質土互層, 下部為灰色黏性土, 土層厚度10~12 m。

  第四系上更新統 (Q3) :以棕黃色、灰黃色、褐黃色、棕紅色黏性土為主, 含少量鐵錳結核及鈣質結核, 核徑1~3 cm, 土層厚度25~35 m。

  奧陶系下統馬家溝組 (O1m) :上部為紫灰色厚層豹皮狀白云質灰巖夾薄層灰巖, 下部為灰色厚層灰巖, 底部含燧石結核, 巖層厚度159~202 m。

  奧陶系下統肖縣組 (O1x) :上部為灰~紫灰色薄~中厚層灰巖、白云質灰巖, 微層理發育, 具角礫狀構造, 賦存鐵礦;下部為灰、土黃、紫色薄~厚層角礫狀灰巖、泥質白云巖, 含燧石, 巖層厚度121~363 m。

  1.2.2 、區域構造

  研究區位于華北地臺、魯西臺背斜、徐淮斷陷褶束北端徐州復式背斜核部位置, 區域上構造形跡主要為NE向次級褶皺和與之同生的NE、NW向斷裂, 這些斷裂構造的延伸長度及延展深度均較小, 對區域地殼的穩定性不構成影響。

  研究區內北部分布有一條近NE向正斷層, 該斷層傾向北, 傾角較陡, 區域上長度約24 km, 為壓扭性斷層。該斷層隱伏于第四系之下, 地表未見出露。研究區外圍規模較大的斷裂構造主要有場地南側約5 km的NW向廢黃河斷裂帶和東側約100 km的郯廬斷裂帶。根據歷史記載, 評估區及外圍附近未曾發生過5級以上的地震, 震害皆來自鄰區影響。根據《建筑抗震設計規范》[13], 評估區抗震設防烈度為Ⅶ度, 設計基本地震加速度值0.10g, 地震烈度分組為第一組。綜合評定評估區區域地殼穩定性較好。區域上構造形跡主要有東西向構造、徐州弧形構造及新華夏系構造。區域地質構造詳見圖2。

  圖2 評估區區域構造綱要圖
圖2 評估區區域構造綱要圖

  1.3 、巖土體特征

  1.3.1 、土體工程地質特征

  研究區土層結構為粉土、一般黏性土間層–老黏性土雙層結構, 總厚度約30~45 m, 共分7個地質層組。

  ①1全新統沖積相粉土:棕黃色、土黃色, 很濕, 中密, 無光澤, 搖振反應迅速, 干強度低, 韌性低, 厚度3~4 m。

  ①2全新統淤積相淤質黏土:灰色、灰黑色, 軟塑~流塑, 中~高壓縮性, 光滑, 干強度中等, 韌性中等, 厚度1.5~2.0 m。

  ①3全新統沖積相粉土:棕黃色、棕灰色, 很濕, 中密, 無光澤, 搖振反應迅速, 干強度低, 韌性低, 厚度3~4 m。

  ①4全新統淤積相淤質黏土:灰色、灰黑色, 軟塑~流塑, 中~高壓縮性, 光滑, 干強度中等, 韌性中等, 厚度1 ~2 m。

  ①5全新統沖積相粉土:灰褐色、棕灰色, 很濕, 中密, 無光澤, 搖振反應迅速, 干強度低, 韌性低, 厚度1~2 m。

  ①6全新統沖淤積相粉質黏土:灰褐色, 軟塑~可塑, 中壓縮性, 光滑, 干強度中等, 韌性中等, 厚度4~6 m。

  ②1上更新統沖洪積相黏土:褐黃色, 局部磚紅色, 可塑~硬塑, 中~低壓縮性, 光滑, 干強度高, 韌性高, 含砂礓及鐵錳結核, 厚度大于30 m。

  1.3.2 、巖體工程地質特征

  評估區巖體主要為碳酸鹽巖, 隱伏于第四系土體之下。巖體主要呈中~厚層狀構造, 結構面主要有層面、節理及裂隙, 淺部巖石破碎程度為較完整~較破碎, 風化程度為中等風化~微風化, 巖溶發育程度為中等~強烈, 屬硬質巖石, 巖石基本質量等級Ⅲ~Ⅳ級。

  2、 影響因素分析

  2.1、 巖溶地面塌陷

  巖溶地面塌陷是指可溶巖分布區巖、土體因地下水活動形成溶洞、土洞, 洞體逐步坍塌、上移, 最終移動到地表附近導致地面塌陷、地面建筑塌落到地面以下的一種地質災害。

  徐州地區巖溶地面塌陷地質災害分布比較普遍, 僅以徐州市區為例, 自1986年始, 電業局宿舍、溶劑廠、新生街、東隴海線等地先后發生了巖溶地面塌陷, 造成地面塌陷、房屋倒塌、交通中斷, 人民生命財產受到嚴重威脅。統計發現徐州市區已發生的塌陷點均位于故黃河高漫灘及附近地段。鉆探資料表明, 塌陷點土層結構多為砂性土單層結構, 其次為砂性土~老黏性土雙層結構, 且砂性土厚度很大, 多大于20 m, 而老黏性土厚度很小, 多小于5 m;塌陷點下伏基巖為奧陶系肖縣組灰巖、賈汪組泥質白云巖;塌陷發生的時間多為市區巖溶水超量開采、水位在基巖面附近作頻繁升降運動的時段。

  巖溶地面塌陷發生的機理是塌陷區巖溶水超采導致水位在基巖面附近作頻繁升降運動, 在潛蝕、真空負壓作用下形成土洞并逐漸擴大、上移, 最終形成地面塌陷, 是巖溶地面塌陷三要素共同作用的結果, 巖溶地面塌陷形成過程如圖3所示。

  圖3 巖溶地面塌陷形成過程示意圖
圖3 巖溶地面塌陷形成過程示意圖

  a原地下水位;b水位下降;c洞穴的頂部逐漸坍塌;d拱頂塌陷, 形成落水洞

  2.2 、飽和砂 (粉) 土液化

  飽和砂 (粉) 土在地震作用或強烈的人類活動 (振動) 影響下, 由于不能及時排水而形成超孔隙水壓力, 當超孔隙水壓力達到與圍壓相等時, 土的有效應力為零, 此時砂土顆粒處于懸浮狀態, 土體變成流體, 在短時間內失去強度和承載能力, 這種地質現象即為飽和砂 (粉) 土液化。

  飽和砂 (粉) 土液化常引起地面沉降變形、滑塌、地裂或噴砂, 造成建筑物、道路及農田等工程設施的損壞、失效, 是一種嚴重的地質災害。飽和砂 (粉) 土只有在一定條件下才會發生液化, 其一是要有特定的場地環境和土體特征 (內因) , 其二是要有足夠強烈的誘發因素 (外因) , 二者缺一不可。

  2.3 、軟土沉陷

  軟土是指天然孔隙比≥1, 且天然含水量大于液限的細粒土。評估區軟土主要為淤泥質黏土, 其厚度2.0~6.0 m, 分布不均一, 具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性、低強度、低滲透性特征, 靈敏度大, 均勻性差, 具流變性、觸變性等不良地質特征, 工程地質條件差。該類土體受到外界擾動、較大的振動或地震影響時, 原生結構易遭受破壞, 從而使其喪失或降低原生結構強度, 變成不能承載的流體狀態, 從而產生側向滑移、震陷、沉降、地基失穩或沿基底面向兩側擠出等現象, 形成災害。

  3 、模糊數學判別

  3.1 、判別原則

  本文中研究區地質災害危險性綜合評估原則為:依據地質災害危險性現狀評估和預測評估的結果, 充分考慮評估區的地質環境條件的差異和潛在的地質災害隱患點的分布、危險程度, 確定判別區段危險性的量化指標;根據“區內相似、區際相異”的原則, 采用定性、半定量分析方法, 預測評估對象遭遇地質災害后產生的危害程度及損失大小, 按大、中、小三級對評估區進行地質災害危險性等級分區, 并依據地質災害危險性、防治難度和防治效益, 對建設場地的適宜性作出評估, 提出防治地質災害的措施和建議。

  3.2 、量化指標確定

  3.2.1 、巖溶地面塌陷

  關于巖溶地面塌陷穩定性的定量評價方法, 本文中是選定與巖溶地面塌陷關系密切的巖溶發育程度D、老黏性土厚度M、孔隙水與巖溶水水力聯系J、巖溶地下水位在土層底板上下的升降波動時間T等四項因素建立如下模糊數學判別模型:

  式 (1) 中W為巖溶地面塌陷模糊判別指數, 根據各評價因素及其隸屬函數的分析, 按歸一化要求確定各評價因素的權數為a1=a2=a3=a4=0.25, 由此將模糊數學判別模型轉換為下式:

  此時隸屬度及W的取值范圍均為[0, 1], W值越大, 塌陷的可能性亦越大。

  根據式 (2) 進行計算發現, 已塌陷及隱伏土洞發育地段的W值在0.75~1.00之間, 目前情況下還不可能發生塌陷地段的W值在0~0.25之間, 據此確定各級別區模糊判別指數區間值如下:

  Ⅰ區, 易塌陷區 (W=0.75~1.00) ;Ⅱ區, 相對穩定區 (W=0.25~0.75) ;Ⅲ區, 穩定區 (W=0~0.25) 。

  3.2.2、 飽和砂 (粉) 土液化

  本報告根據《建筑抗震設計規范》 (GB50007-2002) 有關規定選用場地液化指數ILE作為飽和砂 (粉) 土液化分區的定量指標。

  嚴重液化區 (ILE>18) , 中等液化區 (ILE=6~18) , 輕微液化區 (ILE≤6) 。

  3.2.3、 軟土沉陷

  本文對軟土沉陷不作定量評價, 僅作定性分析。

  3.3、 量化結果分析

  3.3.1、 巖溶地面塌陷

  根據《江蘇省徐州市巖溶地面塌陷災害地質勘查報告》, 評估區全部范圍巖溶地面塌陷模糊判別指數W值介于0.25~0.75之間, 屬相對穩定亞區 (Ⅱ區) 。

  3.3.2、 飽和砂 (粉) 土液化

  根據收集資料分析, 評估區全部范圍飽和砂 (粉) 土場地液化指數<6, 場地液化分區屬輕微液化區。

  3.3.3、 軟土沉陷

  評估區軟土厚薄不均, 局部地段厚達6 m, 但總體厚度較小, 且僅分布于評估區內局部地段, 產狀較為平緩且穩定, 埋深較淺, 層間夾相對透水層粉土, 滲透固結速度較快, 沉陷量小, 易于加固處理, 屬沉陷危險性小的區域。

  3.3.4、 結果分析

  綜上所述, 評估區目前尚未發生地質災害, 人類工程活動不強烈, 地質環境條件沒有大的變化, 工程建設雖然因大面積地面堆載會誘發軟土沉陷等地質災害, 但預計沉陷量較小, 采取適當的預防措施后, 工程建設本身不會遭受地質災害的危害, 評估區地質災害危險性等級劃分為地質災害危險性小。

  3.4、 災害處理措施

  3.4.1、 巖溶地面塌陷

  巖溶地面塌陷防治措施的要點在于保證場地地質環境的穩定, 控制在評估區及外圍附近鑿井開采地下水。就工程本身而言, 可首先查明地下是否存在巖洞、土洞, 存在時查明其位置和規模, 對建 (構) 筑物安全構成影響的洞體可采用注漿法進行加固處理, 同時加強基礎的整體性和剛度, 并結合上部結構、構造措施預防巖溶地面塌陷的危害, 必要時主要建 (構) 筑物基礎可采用嵌巖樁。對比評估區和徐州市已發生的巖溶地面塌陷點地質條件, 差異較大, 評估區屬巖溶地面塌陷相對穩定亞區 (Ⅱ區) , 本次評估認為擬建工程不需采取專門措施進行巖溶地面塌陷防治。

  3.4.2、 飽和砂 (粉) 土液化

  有關飽和砂 (粉) 土液化的防治, 工程界已積累了大量豐富、成熟的經驗。根據地方經驗, 擬建工程主要建筑物可采用樁基礎;一般建筑物可采用碎石樁、粉噴樁等復合地基方案消除或降低飽和砂 (粉) 土的液化影響, 或采取上部結構處理措施。

  3.4.3、 軟土沉陷

  目前軟土沉陷的工程處理措施主要是加固土體、提高強度。場地內軟土與粉土在剖面上呈互層產出, 軟土沉陷的預防和處理措施可與飽和砂 (粉) 土的液化處理結合進行, 或進行超載預壓處理。鑒于目前研究區局部地段已有軟土沉陷現象發生, 為防止改造工程建成后軟土沉陷現象進一步加劇, 建議在工程建設前對堆場進行預堆載處理。

  4、 結論

  結合本次研究區域的飽和粉土、淤質土及黏性土地層沉積特征, 對可能引起地質災害的三種地質條件進行定性分析, 最后通過模糊數學方法對巖溶地面塌陷進行定量分析, 可得出以下結論:

  (1) 評估區內全部范圍可劃分為巖溶地面塌陷、飽和砂 (粉) 土液化及軟土沉陷三種影響因素, 評估區地質災害危險性等級劃分為地質災害危險性小。

  (2) 根據模糊數學定量判別結果, 巖溶地面塌陷模糊判別指數W值介于0.25~0.75之間, 屬相對穩定亞區 (Ⅱ區) , 可不采取專項措施進行治理。

  (3) 可采用碎石樁、粉噴樁等復合地基方案消除或降低飽和砂 (粉) 土的液化影響, 或采取上部結構處理措施提升擬建建筑的整體剛度;建議在飽和砂 (粉) 土的液化治理過程中采用超載預壓消除軟土沉陷。

  參考文獻

  [1] 羅小杰, 沈建.我國巖溶地面塌陷研究進展與展望[J].中國巖溶, 2018 (1) :101-111.
  [2] 段先前, 褚學偉, 李博.基于集對分析的巖溶塌陷危險性預測評價[J].安全與環境學報, 2016, 16 (4) :72-76.
  [3] 李建朋, 聶慶科, 劉泉聲, 等.基于權重反分析的巖溶地面塌陷危險性評價方法研究[J].巖土力學, 2018, 39 (4) :1395-1400.
  [4] 王恒恒, 張發旺, 郭純青, 等.基于層次分析法的城市巖溶塌陷危險性評價-以武漢市南部為例[J].中國巖溶, 2016, 35 (6) :667-673.
  [5] 鄭智, 簡文彬.龍巖市巖溶塌陷地質結構及其致塌機理[J].地質災害與環境保護, 2017 (4) :38-43.
  [6] 吳亞楠.泰安市城區—舊縣水源地巖溶塌陷演化過程分析[J].中國巖溶, 2017, 36 (1) :94-100.
  [7] 賀懷振, 魏永耀, 黃敬軍.基于模糊綜合評判模型的徐州地鐵沿線巖溶塌陷穩定性評價[J].中國地質災害與防治學報, 2017, 28 (3) :66-72.
  [8] 鄭智杰, 敖文龍, 曾潔, 等.綜合物探法在柳州泗角村巖溶塌陷區調查中的應用[J].水文地質工程地質, 2017, 44 (5) :143-149.
  [9] 武鑫, 黃敬軍, 繆世賢.基于層次分析-模糊綜合評價法的徐州市巖溶塌陷易發性評價[J].中國巖溶, 2017 (6) .
  [10] 繆世賢, 黃敬軍, 武鑫, 等.徐州巖溶地質調查及其發育特征分析[J].水文地質工程地質, 2017, 44 (2) :172-177.
  [11] 賀煒, 李昆, 王芳洪.防巖溶塌陷加筋墊層大比例模型試驗及設計理論研究[J].巖石力學與工程學報, 2016, 35 (5) :980-988.
  [12] 鄒長文, 鄭明新.昌栗高速公路K48+040-K53+582段巖溶塌陷穩定性評價[J].華東交通大學學報, 2016, 33 (2) .
  [13] 徐海清, 陳亮, 周少東, 等.城市地鐵巖溶穿越區塌陷機理及處治技術[J].科學技術與工程, 2017, 17 (08) :287-292.
  [14] 建筑抗震設計規范[S].中國建筑工業出版社.北京.

    劉彬,徐坤.基于模糊數學的巖溶塌陷區穩定性評價[J].地質裝備,2019,20(04):29-33. 轉載請注明來源。原文地址:http://www.lg690.com/html/shuxue/20190918/8197680.html   

    模糊數學方法下對巖溶地面塌陷的定量分析相關推薦


    聯系方式
    微信號 Lw54_com
    熱點論文
    14705193098 工作日:8:00-24:00
    周 日:9:00-24:00
    天堂a