指盖层由单一的透水物质组成[图2-1(2)],我国北方及其他许多地区发生的塌陷属于此种类型。其盖层多为粉砂质粘土、粉砂、细砂及砂、砾。一些研究者曾对此种类型进行过专门研究(王建秀等,2000)。在这种情况下,当地下水位位于盖层中时,盖层中分布着孔隙水,孔隙水与其下的岩溶水有水力联系。在工程中主要对此种类型的物质特征较为重视,特别是对“流土”现象的研究,强调土层物质的不均匀性。土力学中认为,当土层颗粒中细料含量>35%时为非管涌土,细料含量<25%时为管涌土(何宁,1996)。
由渗流产生的渗透力可表达为:
j=γwI
其大小与水力坡降呈正比。当水位急剧下降时,渗透力加大,可使土颗粒发生浮起而破坏。根据工程地质分析原理(张倬元等,1994),其临界水力坡降为:
岩溶塌陷机理及其预测与评价研究
其中,Gs,e分别为土粒的密度及土的孔隙比。
为了分析此时的土体受力情况,我们设土层中一受力微元Δ,长dx,宽dy,高dz,设水位在地表处,则该微元的受力为:
G+dg+ƒ渗-γwh-τ=γsath+dxdydzγt-γwh+γwdI-τ=γ′h+γwdH/ds-τ
式中:γsath——微元上受到的土重力;dxdydzγt——微元的自重;γwh——微元受到的浮力;γwdI——地下水流过微元时的渗透力。省略其中高次项,将渗透力分解在x,y,z以后,土体所受力为:
岩溶塌陷机理及其预测与评价研究
式中:γ′——浮容重;h——土粒距地表的距离;I——水力坡降;τ——向上的抗力;γw——水的容重;γt——土容重。
从上式中可以看出土体颗粒在z方向上的受力比其他方向上大,上式大于零可使土层遭受破坏。在这类地质条件下,当上层孔隙水水位比岩溶水水位高时,存在压差场,可称为水压差场。由于该压差的存在可形成向岩溶空洞流动的渗流。当压差很大时,将超过临界水力坡降从而在盖层底部与岩溶空洞的接触处产生破坏渗透力,使土体发生流失和破坏。南京栖霞山明镜湖塌陷,孔隙水位距地表1~2m,岩溶水位一般在地面以下>10m的深度,最深时可达34m(朱锦旗等,1999),很显然有水头差ΔH存在。盖层为粉砂质粘土及碎石粉砂质粘土就是一典型实例。1982年以来,明镜湖附近的矿山开采更导致了区域地下水水位逐年下降,使该区孔隙水与岩溶水的压差加大,最后导致塌陷。
孔隙水的渗流方程按布西涅斯克方程表达为:
岩溶塌陷机理及其预测与评价研究
考虑到压差ΔH,盖层为均匀含水层时,则:
岩溶塌陷机理及其预测与评价研究
对于稳定流:
岩溶塌陷机理及其预测与评价研究
山东十里庄也是这类模型的典型实例,不同的是其覆盖层上为砂质粘土,下为砂砾层。孔隙水与岩溶水联系密切(吴春寅,1998),由于砂、砂质粘土比砾的直径小得多,很容易使之流失,可在砾的上部迅速形成土洞。随着水位的波动,使固体土粒来回受剪而强度降低,土层剥落,土洞扩大,直至地表而塌陷。由于内聚力小,使塌坑多表现为漏斗状。当顶层粘土含量较多时,顶层可具较大的内聚力,所以可以归为阻-透型概化模型[图2-1(4)]。此时,由于砂的内聚力与砂质粘土相差较大,砂流失的速度将比粘土大,所以表层以下的砂可以很快流失,在其下形成较大的土洞,造成塌坑规模较大,实际塌坑直径可达3~10m。当空洞发展到一定规模时,上层砂粘土可因重力剪切而致塌。
在十里庄抽水塌陷区,松散层厚度为5~10m,其塌坑深度在1.5~8m,若土洞发育在砾石层以上,经过简单的估算,砾石层厚度应在1m左右。另外,上部渗流水下渗过程中也可使砂土流失。
徐州矿务局青山泉-权台煤矿专用铁路K4+315m、K4+495m地段发育的岩溶塌陷,其地质结构也属此类模型,其盖层厚1~5m,地下水位在盖层与基岩附近,盖层为砂质土,透水性好,由于地下水位的波动在地下空洞与盖层的接触处产生潜蚀作用,在土层内首先形成土洞,其物质被地下空洞带走。由于河水(人工开挖河道)灌入引起地下水位扰动,以及铁路动荷载对土层的振动,使土洞扩大。当顶板盖层自重大于其抗剪强度时,引起塌陷。
从以上实例可知,对于这类模型,由于水位位置的不一致,也可形成不同的致塌机制,当地下水位在盖层中时对,于透水性较差、有地表补给及岩溶水与孔隙水有压差场存在时,可总结为“失托增荷-水压差潜蚀重力致塌”机制;当盖层与岩溶水具较好的水力联系时,由于抽水时地下水面降低,可总结为“超临界坡降潜蚀致塌”机制。