循环动荷载与地下水动力条件耦合作用下岩溶塌陷动力响应及灾变机理

Karst collapse is the most typical secondary geological disasters along the railway because of the train vibration. With the rapid development of railway construction in our country, more and more lines crossing in karst area, study on collapse mechanism induced by high speed train perennial cyclic mechanical loading of dynamic load and water (gas) pressure change caused by variation of ground water, has become the core problem of prevention and control subgrade collapse along the railway in karst area. The project takes the Zhejiang-Jiangxi railway which in Zhejiang Jiangshan segment as a typical study area, based on the construction of typical covered karst geological model from survey data; the field monitoring of train induced vibration parameters of the underlying soil, and online monitoring of underground water level under embankment has to be carried out; the soil physical and mechanical parameters and dynamic correlation strength parameters under load by laboratory experiments has to be gotten; then based on the theory of "non-continuum mechanics", from the microscopic point view of system evolution, by using the numerical simulation method, research on procedure of covered karst from continuum to the power of non-continuum, disaster mode and collapse critical conditions, under the condition of "sustained cyclic train dynamic load" coupling with "abnormal change of groundwater ”. This study can provide scientific basis for the disaster prevention and mitigation of linear engineering in covered karst area, at the same time also can greatly enrich the theory system of covered karst collapse.

铁路沿线由于列车振动产生的次生地质灾害以岩溶塌陷最为典型。随着我国铁路建设的高速发展，越来越多的线路穿越了岩溶地区，高速列车常年循环动荷载的振动与地下水位变动引起水（气）压力变化的耦合致塌机理研究，已成为防治岩溶区铁路沿线路基塌陷的核心问题。本项目以浙赣铁路浙江江山段为典型研究区，根据即有勘察资料构建典型覆盖型岩溶地质概化模型；开展列车动荷载引起下伏土层振动参数的现场监测，以及路基周边地下水位在线监测；结合室内实验获取盖层土体物理力学参数及动荷载作用下相关强度参数；在此基础上，基于“非连续介质力学”理论，利用离散元数值模拟方法从系统演化的微观角度，研究“列车循环动荷载持续作用”与“地下水动力条件异常变化”耦合作用下，覆盖型岩溶由连续体到非连续体的动力响应过程、孕灾模式及致塌临界条件。本研究可为覆盖型岩溶区线性工程防灾减灾提供科学依据，同时也可以极大地丰富覆盖型岩溶区塌陷机理的理论研究体系。

相比于我国西南岩溶地区，浙江省的岩溶问题有其特殊性，其岩溶塌陷规模相对较小且以覆盖型岩溶为主，具有很强的隐蔽性、突发性。浙江省已建或在建的多条高速公路，在建设施工中都遇到了地表突然下沉，或在运营中出现路基塌陷等问题。本项目以浙西北线性交通工程下伏覆盖型岩溶为研究对象，综合采用物理模型试验、数值模拟及理论研究等方法开展塌陷机理相关研究，取得了以下成果：（1）基于对浙西北覆盖型岩溶区的野外调查及勘探资料统计，在系统梳理研究区岩土赋存特征、水文地质条件、土洞发育规律的前提下，提出了覆盖型岩溶典型形态规律统计的代表性指标及分析方法，建立了研究区覆盖型岩溶的地质概化模型，从而为整个项目的研究奠定了可靠及统一的地质模型基础；（2）对重塑土的制备工艺进行了研究，提出了重塑土制备过程中的关键技术及控制性相似指标；（3）自主设计并研制了覆盖层土体的崩解试验装置及渗透破坏试验装置，通过试验获取了覆盖型岩溶土洞在塌陷过程中，不同含水率、不同干密度、不同干湿交替及不同水位波动条件下盖层土体的崩解特征及效应，以及不同土体性状与水动力条件下盖层土体的渗透破坏特征及效应；（4）自主设计并研制了覆盖型岩溶塌陷物理模型装置，最大程度的还原及刻画了浙西北典型覆盖型岩溶系统的地质结构特征，并完成了覆盖型岩溶塌陷演化过程的重现及灾变机理分析；（5）基于“非连续介质力学理论”，利用离散单元数值模拟方法进行了塌陷演化过程的模拟，分析了覆盖型岩溶土洞在塌陷过程中的力学响应特征、结构劣化过程，并提出了覆盖型岩溶土洞形成的临界地下水流速度以及岩溶塌陷的临界土洞高度。研究成果为覆盖型岩溶区线性工程防灾减灾提供了科学依据与技术支持，并对丰富覆盖型岩溶区塌陷机理理论研究体系进行了有益的探索。