模糊数学方法下对岩溶地面塌陷的定量分析

摘 要: 为了对岩溶发育区的场地稳定性进行评价, 以京杭大运河徐州段某码头场地为例, 从场地工程地质特性出发, 对场地地基稳定性影响因素进行分类, 并划分为岩溶地面塌陷、饱和砂 (粉) 土液化及软土沉陷三种影响因素, 在此基础上结合模糊数学方法对场地岩溶发育程度进
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  摘 要: 为了对岩溶发育区的场地稳定性进行评价, 以京杭大运河徐州段某码头场地为例, 从场地工程地质特性出发, 对场地地基稳定性影响因素进行分类, 并划分为岩溶地面塌陷、饱和砂 (粉) 土液化及软土沉陷三种影响因素, 在此基础上结合模糊数学方法对场地岩溶发育程度进行定量分析。研究结果表明:研究区岩溶地面塌陷模糊判别指数W值介于0.25~0.75之间, 属相对稳定亚区;饱和砂 (粉) 土场地液化指数小于6, 场地液化分区属轻微液化区;软土分布不均, 且厚度变化大, 可采用提前加载压固处理消除影响。研究成果为类似岩溶发育地区的稳定性评价提供可行的参考经验。

  关键词: 地基; 稳定性; 岩溶; 塌陷; 模糊数学;

  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

  岩溶作为一直广泛发育于碳酸盐类岩石中的一种地质现象, 存在于我国近340万平方公里的国土上, 在受到地下水扰动影响下也会促进岩溶的进一步发育。在工程建设中, 如果不能准确地评价岩溶区的地基土稳定性, 当地面建筑建设后, 地基土承受过大的荷载, 易造成地面塌陷, 从而引起严重的破坏后果[1,2,3,4]。

  我国作为岩溶发育广泛的大国, 在工程建设中, 对岩溶地基的评价与处理作了很多了研究工作, 也形成了很多有益的经验。例如:郑智等[5]对龙岩市岩溶塌陷地质结构进行分析并揭示了其致塌机理;吴亚楠等[6]对泰安市城区的岩溶塌陷演化过程进行了研究;贺怀振等[7]采用模糊综合评判模型对徐州地铁沿线岩溶塌陷稳定性进行了研究;武鑫等[8,9]结合徐州城市地质调查结果对当地岩溶地质灾害易发情况进行了研究;贺伟等[10,11,12]针对工程实际中遇到的岩溶地质问题进行了理论研究及治理研究。

  本文结合研究区实际工程地质条件, 根据实际勘探结果, 对影响场地稳定性的三种影响因素进行分析, 在此基础上运用模糊数学方法对岩溶地面塌陷模糊判别指数W值进行定量计算, 在计算结果上进行稳定性分区, 并划分为不稳定区、基本稳定区、稳定区, 最后根据分区结果提出建议。

模糊数学方法下对岩溶地面塌陷的定量分析

  1、 研究区概况

  1.1、 地形地貌

  研究区位于徐州市着名的九里山余脉东北侧, 地貌单元为黄泛冲积平原, 地形平坦, 地势开阔。自然地面废黄河高程33.50~35.50 m, 研究区地貌见图1。

  图1 徐州地区地貌略图
图1 徐州地区地貌略图

  1.2、 区域地质及构造

  1.2.1、 区域地质

  研究区地层分区属华北地层区、徐宿地层小区, 下伏基岩为奥陶系下统碳酸盐岩;场地上覆土层为上更新统粉土、淤质土及黏性土, 各组地层特征分述如下:

  第四系全新统 (Q4) :上部为棕黄色、棕灰色粉土, 中部为灰色粉土、淤质土互层, 下部为灰色黏性土, 土层厚度10~12 m。

  第四系上更新统 (Q3) :以棕黄色、灰黄色、褐黄色、棕红色黏性土为主, 含少量铁锰结核及钙质结核, 核径1~3 cm, 土层厚度25~35 m。

  奥陶系下统马家沟组 (O1m) :上部为紫灰色厚层豹皮状白云质灰岩夹薄层灰岩, 下部为灰色厚层灰岩, 底部含燧石结核, 岩层厚度159~202 m。

  奥陶系下统肖县组 (O1x) :上部为灰~紫灰色薄~中厚层灰岩、白云质灰岩, 微层理发育, 具角砾状构造, 赋存铁矿;下部为灰、土黄、紫色薄~厚层角砾状灰岩、泥质白云岩, 含燧石, 岩层厚度121~363 m。

  1.2.2 、区域构造

  研究区位于华北地台、鲁西台背斜、徐淮断陷褶束北端徐州复式背斜核部位置, 区域上构造形迹主要为NE向次级褶皱和与之同生的NE、NW向断裂, 这些断裂构造的延伸长度及延展深度均较小, 对区域地壳的稳定性不构成影响。

  研究区内北部分布有一条近NE向正断层, 该断层倾向北, 倾角较陡, 区域上长度约24 km, 为压扭性断层。该断层隐伏于第四系之下, 地表未见出露。研究区外围规模较大的断裂构造主要有场地南侧约5 km的NW向废黄河断裂带和东侧约100 km的郯庐断裂带。根据历史记载, 评估区及外围附近未曾发生过5级以上的地震, 震害皆来自邻区影响。根据《建筑抗震设计规范》[13], 评估区抗震设防烈度为Ⅶ度, 设计基本地震加速度值0.10g, 地震烈度分组为第一组。综合评定评估区区域地壳稳定性较好。区域上构造形迹主要有东西向构造、徐州弧形构造及新华夏系构造。区域地质构造详见图2。

  图2 评估区区域构造纲要图
图2 评估区区域构造纲要图

  1.3 、岩土体特征

  1.3.1 、土体工程地质特征

  研究区土层结构为粉土、一般黏性土间层–老黏性土双层结构, 总厚度约30~45 m, 共分7个地质层组。

  ①1全新统冲积相粉土:棕黄色、土黄色, 很湿, 中密, 无光泽, 摇振反应迅速, 干强度低, 韧性低, 厚度3~4 m。

  ①2全新统淤积相淤质黏土:灰色、灰黑色, 软塑~流塑, 中~高压缩性, 光滑, 干强度中等, 韧性中等, 厚度1.5~2.0 m。

  ①3全新统冲积相粉土:棕黄色、棕灰色, 很湿, 中密, 无光泽, 摇振反应迅速, 干强度低, 韧性低, 厚度3~4 m。

  ①4全新统淤积相淤质黏土:灰色、灰黑色, 软塑~流塑, 中~高压缩性, 光滑, 干强度中等, 韧性中等, 厚度1 ~2 m。

  ①5全新统冲积相粉土:灰褐色、棕灰色, 很湿, 中密, 无光泽, 摇振反应迅速, 干强度低, 韧性低, 厚度1~2 m。

  ①6全新统冲淤积相粉质黏土:灰褐色, 软塑~可塑, 中压缩性, 光滑, 干强度中等, 韧性中等, 厚度4~6 m。

  ②1上更新统冲洪积相黏土:褐黄色, 局部砖红色, 可塑~硬塑, 中~低压缩性, 光滑, 干强度高, 韧性高, 含砂礓及铁锰结核, 厚度大于30 m。

  1.3.2 、岩体工程地质特征

  评估区岩体主要为碳酸盐岩, 隐伏于第四系土体之下。岩体主要呈中~厚层状构造, 结构面主要有层面、节理及裂隙, 浅部岩石破碎程度为较完整~较破碎, 风化程度为中等风化~微风化, 岩溶发育程度为中等~强烈, 属硬质岩石, 岩石基本质量等级Ⅲ~Ⅳ级。

  2、 影响因素分析

  2.1、 岩溶地面塌陷

  岩溶地面塌陷是指可溶岩分布区岩、土体因地下水活动形成溶洞、土洞, 洞体逐步坍塌、上移, 最终移动到地表附近导致地面塌陷、地面建筑塌落到地面以下的一种地质灾害。

  徐州地区岩溶地面塌陷地质灾害分布比较普遍, 仅以徐州市区为例, 自1986年始, 电业局宿舍、溶剂厂、新生街、东陇海线等地先后发生了岩溶地面塌陷, 造成地面塌陷、房屋倒塌、交通中断, 人民生命财产受到严重威胁。统计发现徐州市区已发生的塌陷点均位于故黄河高漫滩及附近地段。钻探资料表明, 塌陷点土层结构多为砂性土单层结构, 其次为砂性土~老黏性土双层结构, 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;塌陷点下伏基岩为奥陶系肖县组灰岩、贾汪组泥质白云岩;塌陷发生的时间多为市区岩溶水超量开采、水位在基岩面附近作频繁升降运动的时段。

  岩溶地面塌陷发生的机理是塌陷区岩溶水超采导致水位在基岩面附近作频繁升降运动, 在潜蚀、真空负压作用下形成土洞并逐渐扩大、上移, 最终形成地面塌陷, 是岩溶地面塌陷三要素共同作用的结果, 岩溶地面塌陷形成过程如图3所示。

  图3 岩溶地面塌陷形成过程示意图
图3 岩溶地面塌陷形成过程示意图

  a原地下水位;b水位下降;c洞穴的顶部逐渐坍塌;d拱顶塌陷, 形成落水洞

  2.2 、饱和砂 (粉) 土液化

  饱和砂 (粉) 土在地震作用或强烈的人类活动 (振动) 影响下, 由于不能及时排水而形成超孔隙水压力, 当超孔隙水压力达到与围压相等时, 土的有效应力为零, 此时砂土颗粒处于悬浮状态, 土体变成流体, 在短时间内失去强度和承载能力, 这种地质现象即为饱和砂 (粉) 土液化。

  饱和砂 (粉) 土液化常引起地面沉降变形、滑塌、地裂或喷砂, 造成建筑物、道路及农田等工程设施的损坏、失效, 是一种严重的地质灾害。饱和砂 (粉) 土只有在一定条件下才会发生液化, 其一是要有特定的场地环境和土体特征 (内因) , 其二是要有足够强烈的诱发因素 (外因) , 二者缺一不可。

  2.3 、软土沉陷

  软土是指天然孔隙比≥1, 且天然含水量大于液限的细粒土。评估区软土主要为淤泥质黏土, 其厚度2.0~6.0 m, 分布不均一, 具有高含水量、高孔隙比、高压缩性、低强度、低渗透性特征, 灵敏度大, 均匀性差, 具流变性、触变性等不良地质特征, 工程地质条件差。该类土体受到外界扰动、较大的振动或地震影响时, 原生结构易遭受破坏, 从而使其丧失或降低原生结构强度, 变成不能承载的流体状态, 从而产生侧向滑移、震陷、沉降、地基失稳或沿基底面向两侧挤出等现象, 形成灾害。

  3 、模糊数学判别

  3.1 、判别原则

  本文中研究区地质灾害危险性综合评估原则为:依据地质灾害危险性现状评估和预测评估的结果, 充分考虑评估区的地质环境条件的差异和潜在的地质灾害隐患点的分布、危险程度, 确定判别区段危险性的量化指标;根据“区内相似、区际相异”的原则, 采用定性、半定量分析方法, 预测评估对象遭遇地质灾害后产生的危害程度及损失大小, 按大、中、小三级对评估区进行地质灾害危险性等级分区, 并依据地质灾害危险性、防治难度和防治效益, 对建设场地的适宜性作出评估, 提出防治地质灾害的措施和建议。

  3.2 、量化指标确定

  3.2.1 、岩溶地面塌陷

  关于岩溶地面塌陷稳定性的定量评价方法, 本文中是选定与岩溶地面塌陷关系密切的岩溶发育程度D、老黏性土厚度M、孔隙水与岩溶水水力联系J、岩溶地下水位在土层底板上下的升降波动时间T等四项因素建立如下模糊数学判别模型:

  式 (1) 中W为岩溶地面塌陷模糊判别指数, 根据各评价因素及其隶属函数的分析, 按归一化要求确定各评价因素的权数为a1=a2=a3=a4=0.25, 由此将模糊数学判别模型转换为下式:

  此时隶属度及W的取值范围均为[0, 1], W值越大, 塌陷的可能性亦越大。

  根据式 (2) 进行计算发现, 已塌陷及隐伏土洞发育地段的W值在0.75~1.00之间, 目前情况下还不可能发生塌陷地段的W值在0~0.25之间, 据此确定各级别区模糊判别指数区间值如下:

  Ⅰ区, 易塌陷区 (W=0.75~1.00) ;Ⅱ区, 相对稳定区 (W=0.25~0.75) ;Ⅲ区, 稳定区 (W=0~0.25) 。

  3.2.2、 饱和砂 (粉) 土液化

  本报告根据《建筑抗震设计规范》 (GB50007-2002) 有关规定选用场地液化指数ILE作为饱和砂 (粉) 土液化分区的定量指标。

  严重液化区 (ILE>18) , 中等液化区 (ILE=6~18) , 轻微液化区 (ILE≤6) 。

  3.2.3、 软土沉陷

  本文对软土沉陷不作定量评价, 仅作定性分析。

  3.3、 量化结果分析

  3.3.1、 岩溶地面塌陷

  根据《江苏省徐州市岩溶地面塌陷灾害地质勘查报告》, 评估区全部范围岩溶地面塌陷模糊判别指数W值介于0.25~0.75之间, 属相对稳定亚区 (Ⅱ区) 。

  3.3.2、 饱和砂 (粉) 土液化

  根据收集资料分析, 评估区全部范围饱和砂 (粉) 土场地液化指数<6, 场地液化分区属轻微液化区。

  3.3.3、 软土沉陷

  评估区软土厚薄不均, 局部地段厚达6 m, 但总体厚度较小, 且仅分布于评估区内局部地段, 产状较为平缓且稳定, 埋深较浅, 层间夹相对透水层粉土, 渗透固结速度较快, 沉陷量小, 易于加固处理, 属沉陷危险性小的区域。

  3.3.4、 结果分析

  综上所述, 评估区目前尚未发生地质灾害, 人类工程活动不强烈, 地质环境条件没有大的变化, 工程建设虽然因大面积地面堆载会诱发软土沉陷等地质灾害, 但预计沉陷量较小, 采取适当的预防措施后, 工程建设本身不会遭受地质灾害的危害, 评估区地质灾害危险性等级划分为地质灾害危险性小。

  3.4、 灾害处理措施

  3.4.1、 岩溶地面塌陷

  岩溶地面塌陷防治措施的要点在于保证场地地质环境的稳定, 控制在评估区及外围附近凿井开采地下水。就工程本身而言, 可首先查明地下是否存在岩洞、土洞, 存在时查明其位置和规模, 对建 (构) 筑物安全构成影响的洞体可采用注浆法进行加固处理, 同时加强基础的整体性和刚度, 并结合上部结构、构造措施预防岩溶地面塌陷的危害, 必要时主要建 (构) 筑物基础可采用嵌岩桩。对比评估区和徐州市已发生的岩溶地面塌陷点地质条件, 差异较大, 评估区属岩溶地面塌陷相对稳定亚区 (Ⅱ区) , 本次评估认为拟建工程不需采取专门措施进行岩溶地面塌陷防治。

  3.4.2、 饱和砂 (粉) 土液化

  有关饱和砂 (粉) 土液化的防治, 工程界已积累了大量丰富、成熟的经验。根据地方经验, 拟建工程主要建筑物可采用桩基础;一般建筑物可采用碎石桩、粉喷桩等复合地基方案消除或降低饱和砂 (粉) 土的液化影响, 或采取上部结构处理措施。

  3.4.3、 软土沉陷

  目前软土沉陷的工程处理措施主要是加固土体、提高强度。场地内软土与粉土在剖面上呈互层产出, 软土沉陷的预防和处理措施可与饱和砂 (粉) 土的液化处理结合进行, 或进行超载预压处理。鉴于目前研究区局部地段已有软土沉陷现象发生, 为防止改造工程建成后软土沉陷现象进一步加剧, 建议在工程建设前对堆场进行预堆载处理。

  4、 结论

  结合本次研究区域的饱和粉土、淤质土及黏性土地层沉积特征, 对可能引起地质灾害的三种地质条件进行定性分析, 最后通过模糊数学方法对岩溶地面塌陷进行定量分析, 可得出以下结论:

  (1) 评估区内全部范围可划分为岩溶地面塌陷、饱和砂 (粉) 土液化及软土沉陷三种影响因素, 评估区地质灾害危险性等级划分为地质灾害危险性小。

  (2) 根据模糊数学定量判别结果, 岩溶地面塌陷模糊判别指数W值介于0.25~0.75之间, 属相对稳定亚区 (Ⅱ区) , 可不采取专项措施进行治理。

  (3) 可采用碎石桩、粉喷桩等复合地基方案消除或降低饱和砂 (粉) 土的液化影响, 或采取上部结构处理措施提升拟建建筑的整体刚度;建议在饱和砂 (粉) 土的液化治理过程中采用超载预压消除软土沉陷。

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    刘彬,徐坤.基于模糊数学的岩溶塌陷区稳定性评价[J].地质装备,2019,20(04):29-33. 转载请注明来源。原文地址:http://www.lw54.com/html/shuxue/20190918/8197680.html   

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