岩溶塌陷中的振波所产生的附加应力大小,可以在前述现场试验的结果上,通过压力标定的办法来解决。野外实测的振波压力为水柱高,为了将其变为实际的压力值,我们采用室内模拟标定的办法,即制作一个压力盒(10cm×10cm×20cm),压力盒边留有加压用的预留孔,为模拟野外情形,将野外用的测压盒放入其中,用粘土将其四周压实,再将样盒放在测压仪上。测压仪为YYW-2 型应变控制式无测限压力仪(南京土壤仪器厂制)。测压仪通过压力轴,再通过预留孔,通过均压板向测压盒施压,由于有均压板,所以施加压力是均匀的。施压过程为单轴,但其他几个方向受约束,与野外情形基本相同。电机带动的压力轴可以较灵活地作往复运动,施压后同野外一样形成水柱,读下水柱高,记下相应的测压仪读数,反复进行多次,最后将所得数据绘成曲线,得到最后的水柱高与压力的关系,如图6-6所示。该关系与预料相同为明显的直线。通过该直线可反查任意水柱高所对应的压力值。从图中可以看出,压力的范围在0.1~0.3N/cm2。在振动数值模拟中,将静力扣除后,振波所产生的附加应力在0.005~0.5N/cm2(参见6.6节),所以可以认为标定线是有效的。
显然,与土层破坏时的应力相比,该应力值偏小,不足以直接对土层产生破坏。但在与自重应力相叠加耦合后作用于土体,可使土层中的应力分布发生改变,当土层中局部应力因此而增高时,可以造成塌陷;另一方面,由于振波及其反射波周期性累加,微小的破坏经过一定时间的累积,可使土层发生累积破坏。
在铁路沿线的塌陷实例中,也反映出这种破坏累积现象。贵昆线于海子,两次塌陷造成列车颠覆都发生在列车尾部三节车厢;盘西线车转弯站头有两次塌陷均在列车过后发生。
如果再考虑自然界中水的散解、软化及波动效应,土层将表现为更加脆弱的特征。实际上,振动对土层产生的附加力一方面可对土洞周围的临空部位产生直接的破坏;另一方面,在土洞中的临空面处,很小的力可使土层产生位移,从而使土洞扩大,最后发生失稳现象。
图6-6 压力标定结果图
当有地下水位处于土洞以下时,对土洞的稳定更是不利。因为振动条件下岩溶水的动荡带来的“水动效应”可使土的内聚力降低。当振波到来时,微小的力可使土粒运动,从而使土洞扩大导致塌陷的发生。
通过以上的分析,可知这类振动致塌过程主要有动荷载的耦合效应及土破坏累积而引起,因此可总结为“动荷载叠加耦合—破坏累积—重力致塌”机制。在特殊的情况下(如动力加载前土洞处于极限稳定状态),可为“动荷载叠加耦合—重力致塌”机制。
铁道部第四设计院曾经对日本某高速列车在轨道附近产生的振动加速度作过研究,主要目的是为了研究列车在高速度运行时的路堤设计问题,可作为参考和比较。在其研究中实测的加速度值在5~20m/s2之间,加速度过程曲线也有类似的脉冲特点,表现为脉冲波的特征。这说明造成这种脉冲特征的原因未必在土层内部,有可能是车轮分布特点所决定的,即车轮与伸缩缝相撞的瞬间,加速度被加到了路基上,钢轨的弹性特征决定了在车轮过后作相应的反方向运动;但车轮的间距致使第二次碰撞与第一次碰撞的时间间隔非常短,钢轨来不及做反向的运动,或来不及完成反向运动,第二次碰撞又来到。如此类推,就可能形成脉冲波的特征。这方面的深入研究涉及多方面的知识,有待进一步的探讨。