一種空洞型巖溶地面穩定性評估方法與流程
2023-09-24 00:08:00 3
本發明涉及地質領域的一種地面穩定性研究技術，尤其是涉及一種空洞型巖溶地面穩定性評估方法。
背景技術：
巖溶又稱喀斯特，其最早因南斯拉夫西北部伊斯特拉半島上的石灰巖高原而得名，為地表水或地下水與可溶性巖石相互溶蝕形成的獨特的大量地下空洞間隙的地貌形態。其在世界範圍內分布廣泛，中國也是主要的分布區域之一。據不完全統計，可溶性的石灰巖在我國的分布面積達到3.43×106km2，佔據了國土總面積的1/3。不過，在這廣泛分布的石灰巖之中，僅有1.25×106km2裸露在外，其餘均處於隱伏狀態。近年來，隨著人口的快速增長和城市化進程的推進，大量的巖溶地區為人類開發利用。巖溶地區巖土體原有的狀態和環境發生改變，由此帶來了一系列突發性的災害，對於人們的生命和財產安全帶來了極大的威脅。
巖溶塌陷是在巖溶發育地區上覆土層或隱伏巖溶頂板在人為活動或天然因素作用下，特別是水動力條件改變引起的環境效應作用下，發生突然坍塌的現象。近些年，隨著資源利用的日益加強，由此觸發地面塌陷頻繁發生，成為主要環境地質災害，引起了研究人員的廣泛關注。大量塌陷實例的總結表明促使地面塌陷發生的因素是多種多樣的，包括例如巖溶發育條件、地下水條件、覆蓋層條件、地形地貌和人工活動等在內。由於巖溶塌陷誘發因素的多樣性，使得每個地面塌陷的形成都存在著差異，於是大量有關地面塌陷形成機理的研究工作展開。在研究的基礎上提出了包括重力致塌模式、淺蝕致塌模式、真空吸蝕致塌模式、衝爆致塌模式、振動致塌模式、荷載致塌模式、溶蝕致塌模式和根蝕致塌模式等八種形成機制。之後，對於同樣的土-巖體，又提出了巖溶塌陷的蓋層地質概化模型，並對不同耦合模式下的耦合規律及數學模型表達進行了探討。隨著新技術的推廣，層次分析法、神經網絡和gis技術等先進的方法也先後被引入進行巖溶地區的區劃研究。國外有關巖溶塌陷的研究工作比較注重實用性，主要包括坍塌災害保險方法、巖溶塌陷資料庫和地理信息系統(gis)應用、潛在坍塌的探測、檢測、預防以及塌陷坑的工程處理。
綜上所述，地面塌陷的研究大多集中於定性的研究，定量研究較少。定性的研究結果，難以直接應用到建築工程施工中以規避塌方災害。故怎樣提供適合應用於建築工程施工以規避塌陷風險的定量研究評估方法，以及怎樣提高評估結果的準確性和系統性，均稱為本領域技術人員有待考慮的問題。
技術實現要素：
針對上述現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是：怎樣提供一種適合應用於建築工程施工以規避塌陷風險的，評估系統性好，評估結果準確性和可靠性高的空洞型巖溶地面穩定性評估方法。
為了解決上述技術問題，本發明採用了如下的技術方案：
一種空洞型巖溶地面穩定性評估方法，其特徵在於，包括以下步驟：
步驟1：經歷了長期地質時期形成的巖土體通常情況下是成層分布的，為了對於空洞型巖溶地面的穩定性做出有效地評價。首先，通過勘測和試驗的手段獲取空洞本身和相關影響因素的量化數據；具體數據包括待評估地面區域內的空洞地面投影的直徑(當投影為圓面時選取投影的直徑，當投影為非圓形時選取等效直徑計算)的平均值d，待評估地面區域內空洞頂板以上的巖土體不同形成層的天然重度的平均值γi、厚度的平均值hi、粘聚力的平均值ci、內摩擦角的平均值孔隙率的平均值ni以及泊松比的平均值μi(其中i為不同形成層的編號)。另外，考慮到地下水和地表水變化帶來的影響，還需要對於待評估地面區域內地表積水的深度的平均值hw、在地表水滲流過程中通過上覆土體的每一個巖土層形成的水力梯度的平均值ji以及當地下水位下降到頂板以下形成的水頭差的平均值△h。這裡需要說明的是在進行數據獲取過程中，需要取得m組平均值(m為大於或等於6的自然數)，並且每組平均值的確定需要包含不少於3個樣本數據。
步驟2：將步驟1中獲取的m組參數數值，分別代入到公式1完成單次安全係數ksv的計算；
公式1：
公式中，
d—待評估地面區域內的空洞地面投影的直徑的平均值，單位m；
γi—待評估地面區域內空洞頂板以上的巖土體不同形成層的天然重度的平均值，單位n/m3；
hi—待評估地面區域內空洞頂板以上的巖土體不同形成層的厚度的平均值，單位m；
ni—待評估地面區域內空洞頂板以上的巖土體不同形成層的孔隙率的平均值；
ji—在評估地面區域內地表水滲流過程中通過上覆土體的每一個巖土層形成的水力梯度的平均值；
—待評估地面區域內空洞頂板以上的巖土體不同形成層的內摩擦角的平均值，單位°；
μi—待評估地面區域內空洞頂板以上的巖土體不同形成層的泊松比的平均值；
ci—待評估地面區域內空洞頂板以上的巖土體不同形成層的粘聚力的平均值，單位mpa；
i—待評估地面區域內空洞頂板以上的巖土體不同形成層的編號；
γw—待評估地面區域內地面水的天然重度(為公知的確定值)，單位n/m3；
hw—待評估地面區域內地面積水深度的平均值，單位m；
△h—在評估地面區域內當地下水位下降到頂板以下形成的水頭差的平均值，單位m；
ah—水平向設計地震加速度代表值；
ξ—地震作用效應的折減係數，除特別規定外，取0.25；
g—重力加速度(為公知的確定值)，n/m3；
α—地震加速度分布係數對於地基，可取α＝1.0；
u—為測量得到的待評估地面區域內空洞頂板以上的巖土體形成層的總層數；
利用通過公式1求得的m個(m為等於或大於6的自然數)單次安全係數ksv計算安全係數計算平均值ks
當計算結果為ks>1時，判定研究地面處於穩定狀態；當計算結果為ks＝1時，判定研究地面處於臨界狀態；當計算結果為ks1時，判定研究地面處於穩定狀態；當計算結果為ks＝1時，判定研究地面處於臨界狀態；當計算結果為ks<1時，判定研究地面處於不穩定狀態。當判定研究地面處於臨界及不穩定狀態時，此時需要進一步繼續執行下述步驟；
步驟3：定義功能函數z(公式2)；
公式2：
公式中，各字符意義和公式1相同；
步驟4：對於步驟1中獲取的d、hi、γi、ji、△h、ni、μi、hw參數數值進行統計分析，得到各參數的分布函數。將上述確定的各參數的分布函數代入公式2確定功能函數的分布函數f(x)和模擬次數n，具體過程如下：
首先，對於步驟1中獲取的d、hi、γi、ji、△h、ni、μi、hw參數數值，在假定分布下，統計量由式(11)求出
然後，在給定置信度α的情況下，可由表2查得值，以同值作比較
表2a-d法檢驗臨界值
結果：當時，不拒絕接收原假設；
當時，拒絕接收原假設。
將上述確定的分布函數代入到公式2(功能函數的表達式)確定功能函數的分布函數f(x)
最後，確定模擬次數n。模擬次數可以根據經驗值得到，或者採
用公式(12)計算
其中—pf′為預先設定的失效概率由參考表3確定
以建築結構安全等級為二級時延性破壞的β值3.2為基準，其他情況下增減0.5，參考可靠度指標和失效概率。
表3可靠度指標β與失效概率運算值pf′
步驟5：運用隨機函數在0-1範圍內進行抽樣，得到隨機數x。將得到隨機數x代入由步驟4確定的功能函數的分布函數，即可得到功能函數的分布函數f(x)對應的數值；
步驟6：重複步驟5的計算，直至達到模擬次數n，計算失穩概率pf；失穩概率計算方式為，重複步驟5計算結果等於和小於零的次數l除以模擬次數n的比例；然後即可得出非穩定的空洞型地面失穩的量化指標。
具體實例，重慶市南岸區精神衛生中心建設工程，場地局部有隱伏溶洞存在。施工前採用了本方法進行了場地穩定性評估，評估結果表明施工場地安全。施工過程中未出現地面不穩的各種危害，施工結束後也順利通過了質量驗收。