文摘
人类作为一个大型的聚会场所,直接造成巨大的财产损失和人员伤亡每年由于地面坍塌事故。为了探索城市地面塌陷的原因和破坏特征,在西宁城市,青海省,为例,分析了偶然因素导致地面塌陷通过现场地质勘探,然后阐述了城市地面塌陷变形特性用流利的数值模拟方法和曼宁使用可折叠的平衡方法,获得的是厚度不足的顶板塌陷坑地区黄土路基土壤是导致最终崩溃不可避免的因素。结果显示:(1)供水管道的失败是一个偶然因素导致地下空腔的形成,和地面坍塌事故是隐藏的,突然,高风险,及其变形和破坏发展过程是缓慢的。(2)上方的屋顶防空洞的临界厚度约22米,和实际厚度约为11.6 m,容易变形和不均匀沉降,也是一个不可避免的因素造成地面塌陷。(3)数值模拟研究表明,最终形成变形范围约16米。在这个时候,形成空腔的高度约为9米。塑性区倾向于开发,最大沉降位置出现在防空洞。(4)崩溃过程包括四个阶段:供水管道泄漏、地下空泡形成,破裂临界状态,和地面崩溃。这项研究和分析提供了理论指导和科学依据调查、测量、检测和监测各种地下管道网络的城市道路。
1。介绍
地面塌陷是指一种现象或过程向下坍塌造成的表面的岩石和土壤的影响下自然因素或人类工程活动,以及形成塌陷坑(洞)在地上。一般来说,有四种类型:岩溶坍塌(1- - - - - -4],采空区坍塌[5- - - - - -7],黄土崩塌[8- - - - - -11崩溃),工程(12]。与中国现代化建设的蓬勃发展,城市主要特点是人口集中和密集的建筑物。不同于大范围和小变形的地面沉降,路面崩溃有巨大的破坏性的特点,高隐蔽,突然出现。在城市道路的过程中崩溃,人类活动发挥重要作用,,同时,它的出现通常对人类社会带来了很大的影响(13]。一旦道路崩溃发生在城市地区,它常常会导致道路损坏,这可能会导致交通拥堵至少或重大财产损失和人员伤亡。例如,2018年2月7日,隧道段受损和地面坍塌的建筑工地的直线Lvdaohu-Huyong佛山地铁2号线盾构隧道的部分由于洪水。塌陷坑长约30米,导致10人死亡和1失去联系。同时,地面坍塌在城市地区将增加周边建筑基础不均匀沉降的倒塌的地区,甚至导致崩溃的建筑14]。2011 - 2020年全国地面沉降防治计划,由国土资源部共同编制,水利部、发展和改革委员会、财政部、和其他十部委,指出目前在全国50多个城市地面沉降灾害,分布在北京、天津和上海。江苏、河北、山西、内蒙古、和其他20个省、自治区、直辖市,全国累计超过200毫米地面沉降达到79000平方公里,有进一步扩大的趋势,长江三角洲,华北平原,Fenwei盆地是最突出的。据的统计数据“中国统计年鉴”,在过去的五年里,我们国家经历了966个地面塌陷灾害,平均每年约有300人死于这场灾难。严格来说,地面坍塌和崩溃,泥石流,山体滑坡等等都是典型的地质灾害。有许多因素导致路面坍塌在城市地区,地下水和水通常是主要因素,包括行动和地表水的渗透。其次,黄土,当它遇到水,折叠效果和形式崩溃15]。水主要原因折叠、侵蚀、压差,等等16,17]。渗透的作用下,土壤容易两个失效模式,即管道泄漏和土壤流(18]。水渗流的作用下,土壤中的细粒度的土壤被水冲走了,剩下的大颗粒形成一个土骨架稳定性差,容易失稳,形成最初的地下毛孔(19]。Yechieli et al。15]研究了超过4000采煤沉陷区治理以色列和发现他们的形成与死海周围的地下系统萎缩。Selleri et al。20.]研究实验的岩溶地貌半岛和发现,地下水和地表水的主要因素导致多个突然下沉。欧阳(21认为地面坍塌过程分为四个阶段:地下水位下降,形成洞穴,洞穴扩张,和地面塌陷的形成。其中,地下水下渗漏所产生的渗透力是地面的电源崩溃。曹,彭et al .,高,胡等通过研究发现地面坍塌主要是地下水和地表水相关活动(22- - - - - -25]。岩石完整性也削弱了重复润湿条件下长时间(26]。同时,循环降雨还将影响岩体变形的物理和力学性能(27]。
城市地下工程活动破坏了原有的稳定状态的土壤,和一个小粗心会导致地面崩溃。例如,在Kurtkulag灌溉隧道建设,许多地面坍塌事故发生主要是在隧道的出口和入口和隧道穿过断层的位置(28];侯et al。29日)指出,地下洞的存在极大地减少地面的强度和抗沉降的能力和北京地铁事故分为五类。马等。30.)三个连续的地面坍塌的原因分析地铁隧道后半个月内开始盾构机,发现地面坍塌的原因的过程中盾构施工主要包括四个方面:工程地质条件、辅助工程质量问题,挖掘管理和盾构机故障。
西宁有大陆高原半干旱气候,年平均降水量380毫米。摘要湟水及其支流,Nanchuan河和北川河,收敛在市区的西部,南部,北部和流经东部城市。西宁城市,政治、经济、科学、教育、文化、交通、青海省和交流中心,自2014年以来经历了至少14道路坍塌事故,严重威胁到城市居民的生命和财产。通过详细的调查和研究道路坍塌事故在城市地区,相应措施不仅可以对道路坍塌事故,但也具有长期意义在全国防止此类事件再次发生。
在这项研究中,通过调查的地质和水文条件和路面崩溃的崩溃情况在西宁城市区域1月13日,屋顶临界厚度的黄土质土路基塌陷坑面积计算和分析通过使用流利的和PFC联合计算的数值模拟方法。最后,崩溃的原因和失效机理分析结合现场情况。此外,本文还提出了合理的建议和措施来减少此类灾难的发生,做好塌陷坑之间的变形监测和周围的建筑,防止二次伤害(31日]。塌陷坑的形成降低了坑内的稳定性,因此崩溃的内壁坑应该及时监控和加强(32]。
2。工程地质条件
2.1。研究区域
道路坍塌事故发生1月13日,2020年,当时红十字会公交车站入口处的长城医院,南大街,Chengzhong区,西宁城市(图1)。空腔形成后几乎是椭圆锥形,直径约9米,可见深度约8 - 10米,面积约80平方米(图2)。东墙,有埋供水管道、电缆、天然气和其他管道网络。供水管网、通信电缆、和天然气管道网络传播在南北方向埋深1.5 - 2米,和电力供应管道网络传播在东西方向是2 - 4米深。事故导致了公共汽车和火车平台崩溃在坑里,最终造成10人死亡,17人受伤。
2.2。地貌特征
西宁城市的中心区域主要由现代河床和梯田摘要湟水干流的河流,山前冲积平原,冲积平原。地形相对平坦的和开放的,分布在沿河皮带。造成的地貌主要是积累和侵蚀。摘要湟水河的南岸是由》梯田和主要集中城市的建筑面积。从摘要湟水北河以南的第一级阶地,斜率是从1到2°,二级阶地从3到5°,它逐渐将趋于陡峭的第三级阶地的南部,与4 - 6°的坡度,以及南部低山。该地区的前沿的斜率是25 - 30°。
摘要湟水河谷南部是丘陵地区的栋梁,山脊,沟壑和强烈侵蚀的地形非常分散。黄土和碎屑岩构成的主要岩性丘陵地区。黄土丘陵地区的主要覆盖在上面,和当地部分沿着山坡的坡度分布。
倒塌的地区的地貌单元属于第三级阶地摘要湟水河的南岸,约150远离第三级阶地的前沿。由于建设南大街,最初的陡峭的山脊是变成了一条道路,斜率为5 - 6°和近东西方向。整体地形高在西部和东部低,高,低在北方。网站的海拔是2271.72 - -2254.52米,地面高差17.2米,地形平坦和开放;没有发现故障后通过现场调查。通过地下载人防空洞。
2.3。地质特征
西宁盆地位于祁连地层区。由于强烈的地壳垂直运动的影响和强大的转换的河流和山前冲积层,四元系统创造了当前流域景观。主要暴露出盆地是古元古代地层,三叠纪、侏罗纪、白垩纪、早第三纪、晚第三纪和第四纪。第四纪地层可分为冲积存款,冲积洪积物存款,存款坡洪积物,风成沉积根据他们的基因类型。
根据现场地质调查,详细研究岩石和土壤的倒塌面积(图进行3)。表层是第四纪人工填满,这主要由泥土黄色和gray-black淤泥组合成的斑叶,砾石,建筑垃圾、少量的建筑垃圾。范围是0.5 - -3.8米。较低的层是高等冲积和冲积黄土质土壤,主要由黄色的淤泥,针状的毛孔,开发了垂直关节和裂缝,钙质胶结,可怜的韧性,从容软化和腐蚀接触水。易坍塌性分为湿陷性黄土(埋深约1.5 - -10.3 m)和固定型黄土(埋深约10.3 - -11.4米)。地下防空洞的屋顶被发掘的埋深11.6米。第三层是主要的卵石层三级湖泊层和冲积层,由蓝灰色、灰白色砂岩,石灰岩,石英岩,少量的浅色的变质岩。卵石层也和粉质粘土层。
2.4。水文地质特征
崩溃区位于前沿的第三阶地摘要湟水河的南岸。第四系孔隙水存在于这个网站。稳定地下水位是20.8 - -29.0 m和地下水高度2233.72 - -2342.72米。地下水主要受摘要湟水流域和南方的互补。地下径流的补给站在下游地区的排放以种子的形式,和地下水流动从西南到东北,终于出院摘要湟水河。动态变化是季节性明显,每年水位变化范围约为1.0 - -1.5米。
3所示。崩溃的原因和机制
根据公共气象数据,没有明显的降水过程从2019年12月到1月13日下午,2020年。路面表面的面积是由沥青混凝土,渗透率是贫穷。因此,塌陷坑的形成可以排除地表水和地下水的影响。根据现场渗透和解体检查,错误的供水管道断裂东侧的坑壁有一个埋深约1.5米,直径50厘米,壁厚0.6厘米。材料是铸铁。一个水滴孔直径约0.8米,深约7米在下部形成。
3.1。工程地质结构模型
事故发生后,通过详细调查的空间结构崩溃的位置,它是确定有一个防空洞的宽1.5米,高2.5米的深度11.6米从地面碎石预制拱结构,面积崩溃的位置大致相似。结合水利工程环境地质调查的结果,基于地貌单元为主要业务的基础上,考虑岩土工程地质力学的特点,基于利用MAPGIS的空间分析功能,三维工程地质结构模型的主要城市建立了西宁城市区域,这实立体镜地显示了地层情况和事故的地下空间分布区域图4。
3.2。崩溃的原因分析
3.2.1之上。分析黄土路基的关键屋顶厚度
下面的主要地层地区湿陷性黄土土壤和崩溃的防空洞,所以有必要计算临界屋顶塌陷坑地区黄土路基土壤的厚度。
崩溃平衡方法不仅考虑了岩石和土壤的力学性能的影响也考虑围岩的应力状态的崩溃,尤其是侧压力的影响。该方法适用于形状是圆的或拱形的塌陷坑。根据平衡条件的崩溃的身体,当岩石的剪切力和土体的顶部塌陷坑等于自重的岩石和土壤质量和外部附加载荷,屋顶塌陷坑的厚度是临界厚度。计算模型如图5。
根据计算模型图5,一个圆形的薄层元素与厚度选择在松散的岩石和土壤。摩擦作用于元素的边缘。摩擦可以确定元素的根据库仑定律:
在上面的方程中,在岩石和土壤质量是正常的压力;和有凝聚力和内摩擦角的岩石和土壤质量,分别;侧压力系数, 。
通过整合上述公式在区间[0,H),我们得到
表土土壤质量和附加载荷如下:
当岩石和土壤处于极限平衡状态,屋顶的临界厚度可以获得:
在哪里崩溃半径,米;是重力的岩石和土壤质量,kN / m3;上均布荷载,kPa。
根据测试结果几何尺寸的“1.13”路面塌陷坑和黄土的物理力学性质土壤在西宁城市,青海省, ; ; ; ; ;和 。
根据计算结果,屋顶的临界厚度高于防空洞约22米。
数据显示,上方的屋顶的实际厚度防空洞约为11.6 m,远小于临界厚度的屋顶,这将导致路基的变形和不均匀沉降以上长期交变载荷下的面积。屋顶的厚度逐渐变薄。然后,当上负载超过地基的极限承载力,可能发生瞬时崩溃。
3.2.2。基本地质条件
岩土实验是进行土壤样品从网站获得,如图6。可折叠的黄土质土的物理力学性质和固定型黄土质土壤主要是研究。主要的物理和力学性能如表所示1和2。
由于不同厚度和压实度填充下沥青混凝土保护层,存在一定程度的不均匀沉降。湿陷性黄土土壤的主要地层坍塌区域,与松散的结构,垂直关节,大孔隙,冲水的敏感性。黄土土壤是可折叠的,介质易坍塌性强、易坍塌性等级是二级三级。很容易溶解可溶性盐与水湿,可吸入颗粒物是容易失去,强度降低。这种地层的基本地质条件,道路坍塌。
3.2.3。空间条件
根据现场调查,大约有400立方米的水注入后的塌陷坑地下供水管道切断,阀门关闭。此外,根据几何和塌陷坑的大小,估计损失的黄土质土壤
总数是972立方米。此外,水的总量和土壤混合输了前泄漏超过1000立方米。
洞穴的身体充满了黄土质土壤和碎石,崩溃和洞穴的底部是淤塞。底层的地下防空洞与毛石墙预制拱结构。图7显示整个崩溃后的防空洞。水深约1.3米和淤泥厚度约为0.5 m。
顶板的渗流的防空洞减少路基的承载力和迁移提供了通道和存储空间的水土流失路面之前和之后的崩溃。空间条件提供的防空洞路崩溃。
3.2.4。主要的因素
由于地下供水管道的泄漏,可折叠的黄土质土壤侵蚀和溶解,地下土壤结构遭到破坏,土壤颗粒是输给了防空洞,逐渐发展成地下空腔体和表面扩张,导致基本暂停路面和沥青混凝土桥”的形成导致路基承载能力的缺乏。人行道上逐渐破坏长期反复作用下过去的车辆荷载,特别是突然失败冲击载荷下的大型车辆刹车,最终导致公共汽车陷入崩溃坑。水的主要因素,形成空洞,导致路面崩溃。
结合上述因素的分析,可以看出,在西宁城市地面塌陷事故的原因是路基下的土壤侵蚀,解散,和洗地下供水管道的泄漏,以及土壤与水,失去了进入地下防空洞导致大规模的空腔的形成根据路面坍塌,和地基承载力不足公交车站时,导致公共汽车和人落入坑崩溃。
3.3。崩溃的形成过程和机理分析
结合上面的数据分析,可以看出,在崩溃事故之前,地下隐藏腔应该是形成。公共汽车停在车站后,由于表面沥青混凝土的承载力不足薄层路基,车辆和人员被困在倒塌的坑中。为了探索可折叠的变形和破坏规律和固定型黄土在管道泄漏的影响下,颗粒流(PFC)被用于模型层。ANASYS流利的模块是用来计算地下水管道泄漏后流场,流场是导入PFC联合计算。
3.3.1。模型的建立
根据网站的实际情况,模式“路基和路面+固定型黄土湿陷性黄土+ + +卵石”地下防空洞被采用,如图8。模型的尺寸是30 m×1米×20米(长×宽×高)。根据线性接触模型从上到下,路基和路面的高度1.5米,湿陷性黄土层高度为8.8米,固定型黄土层高度为3.6米,生成和卵石层高度为4.8米,分别。结合统计表的物理和机械性能,不同的力学参数给模型中的所有粒子施加重力和达到平衡状态。如果生成的模型是根据土壤的实际直径粒子,它们的数量远远超过1亿人。在这种情况下,由计算机计算是不可能的。因此,土壤颗粒的直径扩大到0.1米。
模拟供水管道的直径是0.5米,和上边缘管1.5米以下。防空洞和管需要模拟与犀牛6.0和导入PFC墙单元。防空洞的穹窿深度为11.6米,高2.5米,宽1.5米。渗透裂纹的防空洞被假定为一个方孔,位于地下室的防空洞。
流利是用来计算流场和多孔介质模型被用来模拟流场。土的粘滞阻力系数设置为6.8×109。因为泄漏位置的不确定性的供水管道、供水管道的表面被选中作为进口流场的速度设置为4米/秒,防空洞的表面设置出口边界,和其他边界设置为不透水边界。获得的流场图所示9。供水管道之间的流速和防空洞大于在其他领域,这是符合水动力特性。
3.3.2。分析计算结果
流场引入土壤模型和PFC用于联合计算。防空洞模型上的裂纹大小颗粒大小的0.75倍。图10显示了地下空泡形成的整个过程。在泄漏的早期阶段,土壤和水的混合物主要流经防空洞进入防空洞,较大的扰动区域的土壤是集中拱顶附近的防空洞。随着计算的进步,土壤扰动区域持续发展水平和垂直最后延伸到地面,形成“沥青混凝土桥。“在这种情况下,如果路面多次受到外部负载的影响,也没有及时发现和补救措施,这将导致路面的变形,直到突然崩溃,这构成了威胁人类生命和财产的安全。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
为了描述泄漏造成的地面沉降,在不同地层变形的计算步骤,如图。计算结果表明,塑性区往往发展的进步计算(图11)。当100000年计算步骤,地层的变形范围大约是16米,和空腔的高度约为9米。最大沉降发生在防空洞,和一个更明显的地下空腔形成。
(一)
(b)
3.3.3。孔隙形成机理分析
城市道路是突然崩溃,但地下空腔的形成经历了供水管道泄漏的开发过程,地下土壤渗透和空泡形成,崩溃的临界状态区域,道路坍塌,等等,如图12。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.3.4。供水管道泄漏
因为这个地区黄土弱腐蚀性混凝土结构和钢结构,当供水管道埋在地下很长一段时间,缺乏有效的维护很长一段时间,管壁的腐蚀会导致泄漏,使水流入土壤层次越低,随着时间的推移和漏水加速。在水的作用下,下面的土壤逐渐达到饱和状态和变形在一定程度上。在这个阶段,隐藏的水高,和水的流出管道小在很短的时间内,不容易引起有关部门的注意。
3.3.5。渗透地下土壤和蛀牙的形成
一方面,长期漏水将加速供水管道的腐蚀,从而加快供水管道漏水。另一方面,土壤中的微粒带走,流进防空洞在水的作用下,形成“地下通道”在初始阶段,相互连接和扩展,最终导致地下蛀牙的形成。在同一时间,因为在这个地区黄土的湿陷,开会时折叠效应会发生与水,也会导致土壤的不均匀沉陷的泄漏,加快地下蛀牙的形成。
3.3.6。崩溃的临界状态
贯穿,形成地下空腔和扩张,粗颗粒土骨架的形式存在,和土壤结构也在某种程度上变化。然而,土壤仍然可以保持临界稳定状态通过其骨架效应和压力调整。当这种稳定状态由外部因素干扰,很容易失去稳定性。
3.3.7。路崩溃
崩溃区处于临界状态,形成“沥青路面桥。“当总线和其他外部负载在人行道上,外部负载达到和超过地基的极限承载力,以及路面突然崩溃。
4所示。结论和建议
(1)偶然因素造成地面坍塌事故水供水管和再次证实,城市地面塌陷灾害的特点是高隐蔽和突然的和高的风险。(2)数值模拟分析表明,最后地层变形范围约16米,和空腔形成的高度约为9米。最大沉降发生在防空洞,和一个更明显的地下空腔形成。(3)地面塌陷的过程包括四个阶段:供水管道泄漏、地下空泡形成,临界状态的崩溃,崩溃和地面。(4)建议尽快西宁城市应采取各种方式进行探索和安全风险评估各种地下管道网络和城市道路的防空洞和搞好日常操作、维护、管理、监控和预警的地下管道网络,以避免类似事件在西宁地区。与此同时,它还应该发出警报到全国,加强规划、开发、利用、综合管理和地下疾病预防和控制整个国家的城市地下空间。数据可用性
本文中的数据和解释;读者可以访问数据支持本研究的结论。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者欣然承认中国国家重点研发项目提供的资金(2019 yfc1509600)。