岩溶地面塌陷是全球范围分布的一种复杂的地质灾害，随着经济建设不断发展，人类对环境的影响力日益增加。在岩溶地区，人类工程活动导致的岩溶塌陷灾害日趋频繁，造成的经济损失也越来越严重，并且这种灾害还严重制约着国土规划、城市建设和社会经济发展。在这一领域还有诸多有待进一步深入研究和探讨的问题，因此，加强对这类灾害的研究不仅具有重要的现实意义，而且具有重要的学术价值。　　 武汉市作为我国一个特大中心城市，自上个世纪30年代以来，在主城区频繁发生地面塌陷，且随着地下水的开采等人类经济工程活动的日益加剧，岩溶地面塌陷发生的频率和规模以及造成的损失越来越大。目前，武汉市城市建设正在提速，一些重大工程通过岩溶塌陷潜在危险区，岩溶地面塌陷的存在严重威胁人民生命财产安全，同时使工程施工难度增加，工程成本飙升。而原有对武汉市岩溶地面塌陷的认识已大大不能满足武汉市城市建设需要，因此深入研究武汉市岩溶塌陷发生条件、致塌机制以及对其进行危险性研究不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的现实意义，显得十分必要和迫切。　　 本论文依托武汉市科技攻关项目“武汉市覆盖型岩溶地面塌陷形成机理及危险性研究”(20066002059)，在系统分析总结前人研究资料的基础上，通过物理模型试验和数值模拟分析，结合弹塑性力学分析，深入研究了武汉市岩溶地面塌陷的致塌机制；论文基于极限平衡理论，通过力学分析，建立了武汉市岩溶地面塌陷的力学分析模型；在深入分析研究区塌陷影响因素的基础上，建立了武汉市岩溶地面塌陷危险性预测指标体系，采用新型数学方法(PLS Path Model及改进K-M法)，定性和定量相结合对武汉市的岩溶地面塌陷危险性进行了研究。　　 本文的主要研究内容及相关结论分述如下：　　 一、研究区岩溶地质及塌陷特征分析　　 1、从区域地质背景分析可知，武汉市岩溶发育平面上呈条带状分布。溶蚀裂隙之间连通性差异较大，岩溶发育具有垂直分带性，通常以地面以下50m为界分为深部岩溶区和浅部岩溶区。同时，岩溶发育程度受到构造部位、岩性因素的控制。　　 2、岩溶发育程度、上覆盖层性质、孔隙承压水与岩溶水水力联系密切是武汉市岩溶地面塌陷的基本条件。　　 3、武汉市发生岩溶地面塌陷的频率近两年大大增加，大多发生在冬季与夏季，这一方面与雨季降雨有关，另一方面与旱季人类抽水活动加强，使水位大幅下降有关，应该引起足够重视。从空间分布讲，武汉市的塌陷有两大特点：一是塌陷区全部在南部石灰岩条带上，二是所有的塌陷点均局限在两岸滨江的长江一级阶地上，显现出受地貌单元(一级阶地)、地层时代(全新世Q4)和地层组合(二元结构，上部为粘性土，下部为砂性土)的控制规律。　　 4、虽然武汉市岩溶地面塌陷均发生在覆盖型碳酸盐岩分布区，但是由于成因上的细微差别，不同塌陷区上覆盖层的结构，即顶部粘性土和下伏砂性土的厚度比例关系却差异较大，而且砂层的物质组成和微观结构也有细微差别，因此造成了塌陷坑形态之间的差异。　　 5、武汉市岩溶地面塌陷根据其诱发因素可分为两大类：一类为自然塌陷(降雨致塌)，另一类为人为塌陷(抽水致塌)，因此降雨和人为抽取地下水是最重要的两大致塌因素。　　 二、物理模型试验研究　　 论文依据武汉市岩溶地面塌陷发生的地质条件，按照上覆盖层的粘性土和砂性土不同厚度比例概化了两种试验模型。设计制作了物理模型，通过不同水动力条件的物理模型试验，定性研究了降雨、抽取地下水、水位下降速度、粘性土和砂性土厚度比例等对覆盖层土洞发育和形态的影响。通过物理模型的研究，可以得出如下结论：　　 1、降雨对岩溶地面塌陷的形成是有影响的，在土洞形成后，降雨加速了土体的破坏变形，加快了土洞的向上发展；　　 2、第四系地下水的开采是岩溶地面塌陷形成的影响因素之一，而且开采量越大、补给越不充分，土层破坏越严重，土洞越容易形成，发生塌陷的可能性也越大；　　 3、地下水位的波动对塌陷的发生具有明显影响，而且影响程度与地下水位波动的速率成正比；　　 4、砂性土盖层发育阶段，土洞的发育快速且连续，没有明显的阶段性；粘性土盖层发育阶段相对缓慢，而且具有明显的阶段性；　　 5、在一定水力梯度的作用下，塌陷坑的形成具有一定的溯源现象，偏向于地下水补给方向；　　 6、粘性土和砂性土的厚度比例决定了塌陷形成时间的快慢，粘性土较厚(砂性土较薄)的覆盖层形成的时间较长，同时也可以说明降雨和开采第四系地下水对砂性土层的影响程度明显要大于对粘性土层的影响；　　 7、粘性土和砂性土的厚度比例对最终塌坑的边界形态具有明显影响，粘性土较厚(砂性土较薄)的覆盖层中的塌坑剖面形态近似直桶边界，而粘性土较薄(砂性土较厚)的覆盖层中的塌坑剖面形态多呈漏斗和碟形。　　 三、降雨对塌陷影响机制分析　　 研究区多起塌陷的触发因素都是降雨，因此从深层次研究降雨对塌陷的影响机制具有十分重要的理论意义，传统的饱和土渗流及稳定性分析方法无法正确描述降雨过程中塌陷体孔隙水压力场的动态变化规律。本论文基于非饱和土力学微观的角度，分析了降雨入渗对塌陷影响的基本机理。基于渗流场和应力场耦合理论，以研究区降雨致塌的实例为地质原型建立数值分析模型，利用有限元软件geoslope对不同降雨工况下的土洞稳定性进行模拟分析，深层次了揭露降雨对研究区土洞塌陷的影响机制。　　 四、抽水对塌陷影响机制分析　　 就研究区而言，工程实例分析和物理模型试验表明，人工抽水导致的水位下降是主要诱发因素，论文针对抽水致塌的机制进行了研究分析，取得以下结论：　　 1、地下水位下降的致塌机制大体可以分为3种：包括渗透力致塌、负压致塌及失托增荷致塌；　　 2、通过对抽水过程中水力梯度的时空分布规律分析可知：(1)人工抽水对土洞塌陷的影响因素主要有抽水量、距抽水井的距离、抽水时间长短、抽水方式等。(2)抽水量越大，塌陷可能性越大；(3)距离抽水井越远，塌陷可能性越小，抽水井半径对土洞塌陷的影响较小；(4)抽水初期，地下水位下降速度最快，土层崩解的速率也越快，土洞发育乃至塌陷的可能性也就越大。　　 3、基于弹塑性力学理论，改进和完善了谢忠球，万志清等(2007)建立的人工抽水引起土洞扩展的力学分析模型，分承压和负压两种工况分析了抽水对土洞发育的影响，分析表明：(1)离抽水井近的土洞容易扩展，洞项比洞壁容易向外扩展，抽水时间越长土洞越易破坏；(2)对于相同厚度二元结构地层来讲，粘性土与砂性土厚度比例越大，土洞发育越慢；(3)当抽水时间很长时，随着土洞的不断扩大，土洞呈现加速发展趋势；　　 4、以研究区抽水致塌的典型事例—烽火村塌陷为地质原型，建立数值分析模型，采用FLAC3D软件再现了抽水塌陷的过程，验证了抽水致塌的机理。分析结果表明抽水过程中的渗透力、动水压力及真空吸力对土洞的发育及最终塌陷具有重要作用。同时通过分析数值模型中的跟踪点监测数据，验证了抽水早期的位移及孔隙水压力变化较大，同以上分析结论一致。　　 五、武汉市岩溶地面塌陷的力学分析模型研究　　 准确的对塌陷体进行相关力学分析已成为岩溶地面塌陷研究的一个难点问题，而建立定量化的力学分析模犁具有重要的理论和现实意义。论文在总结武汉市土洞塌陷模式的基础上，基于极限平衡理论，在综合其它预测模型的基础上，充分考虑研究区塌陷的动力因素，建立相应的武汉市的岩溶塌陷力学分析模型。　　 六、武汉市岩溶地面塌陷危险性预测　　 岩溶塌陷危险性预测必须以相对科学的评价指标体系为基础，指标的选取要遵循综合性、客观性、重要性、类比性和实用性的原则。在深入分析了武汉市岩溶地面塌陷影响因素的基础上，选择岩性、覆盖型岩溶分布、岩溶发育程度、构造影响、上覆盖层结构、覆盖层厚度、孔隙水和岩溶水联系情况、枯水位、洪水位、地下水波动、距离长江远近、是否受水井影响和是否受水域影响作为武汉市岩溶地面塌陷危险性预测的指标体系；根据各个因素的实际情况，分别建立其量化标准。　　 论文的创新点主要体现在：　　 1、定性分析和定量计算并重，从地质学、工程地质学、水文地质学、数学、土力学、计算机模拟分析等多学科、多角度、综合的方法，研究了武汉市岩溶地面塌陷机制及其危险性预测方法，充分体现了多门学科相互融合、相互交叉解决问题的特点；　　 2、参照武汉市岩溶地面塌陷的致塌模式，设计并制造了物理模型，进行了物理模型试验，定性研究了各致塌冈素对塌陷的影响；　　 3、基于非饱和土力学理论，采用渗流场和应力场耦合模型，以研究区降雨致塌的实例为地质原型建立数值分析模型，利用有限元软件geoslope对不同降雨工况下的土洞稳定性进行模拟分析，深层次了揭露降雨对研究区土洞塌陷的影响机制；　　 4、基于弹塑性力学相关理论，进一步改进和完善了谢忠球，万志清等(2007)建立的人工抽水引起土洞扩展的力学分析模型，探讨了抽水对土洞发育的机理；　　 5、以研究区抽水致塌的典型事例—烽火村塌陷为地质原型，建立数值分析模型，采用FLAC3D软件再现了抽水塌陷的过程，验证了抽水致塌的机理；　　 6、将武汉市岩溶地面塌陷划分为类砂性土塌陷和类粘性土塌陷两种模式，基于极限平衡原理，结合水动力学、土压力理论，建立了武汉市岩溶地面塌陷的力学分析模型；　　 7、应用PLS Path Model及改进K-M法对武汉市岩溶地面塌陷危险性进行了预测，将以上这两种模犁引入到岩溶塌陷危险性预测中，丰富了岩溶塌陷预测模型，为岩溶塌陷的预测提供了新途径。