粗粒砂土地层中力传递拱对地下空洞稳定性的调控机制研究

针对砂土地层中地下空洞引发地表塌陷的风险评估难题，研究人员通过基质吸力测量、空洞保留和针贯入模型试验，揭示了颗粒特性（D50、Sr、形状参数）与力传递拱形态的关联机制，提出结合H/B比、材料类型和空洞顶板形状的综合评估方法，为工程风险防控提供新依据。

　　

地表塌陷灾害频发威胁城市安全，其根源在于地下水波动或地震作用下地下空洞的扩展上移。相较于粘性土，无粘性砂土更易形成空洞导致塌陷，而现行风险评估仅依赖土覆厚度与空洞宽度比（H/B）的单一指标，忽视了颗粒间力学响应这一关键因素。针对这一难题，日本国立研究开发法人土木研究所（Public Works Research Institute）的研究团队通过多尺度实验揭示了粗粒砂土中力传递拱的形成机制及其稳定机理。

研究采用三大关键技术：1）自主研发的针孔装置测量不同饱和度（S_r）下基质吸力；2）多尺寸模型箱（1×-5×）开展空洞保留试验，控制D₅₀（0.12-2.6mm）、H/B（0.2-1）等变量；3）针贯入测试结合CT扫描定位力传递拱边界。实验材料涵盖硅砂（SS）、球形玻璃珠（SGB）等6类颗粒，通过QICPIC量化球形度（0.763-0.940）、粗糙度R_q（68-795nm）等参数。

【基质吸力测量】发现：1）吸力与1/D₅₀呈线性关系，SS在D₅₀=0.53mm、S_r=15%时吸力达2kPa，是同等条件下SGB的2倍；2）棱角状颗粒（圆度0.361）比球形颗粒（圆度0.986）吸力高77%；3）表面粗糙化使R-SS的R_q增至795nm，接触角增大导致吸力降低12%。

【空洞稳定性】结果表明：1）临界H/B阈值存在粒径依赖性，SS为0.2-0.4，SGB需0.6-0.8；2）在H/B=4时，D₅₀=1.7mm的SGB发生塌陷，而相同条件下棱角状DGB保持稳定；3）表面粗糙化使R-SGB的摩擦角提升至26.5°，较SGB增强抗塌能力。

【力传递拱特征】针贯入测试揭示：1）拱顶位置随H/B减小而下移，当H/B<0.3时拱结构消失；2）SS的拱区范围比SGB宽15%，对应其更高的摩擦角（39.1° vs 26.5°）；3）锥形顶板空洞的拱深比柱形顶板深40%，显示顶板形状显著影响稳定域。

这项发表于《Soil and Tillage Research》的研究突破性地提出：基质吸力是空洞稳定的先决条件，而颗粒间机械咬合（棱角度/粗糙度）才是维持力传递拱的核心机制。通过引入临界距离概念，研究证实结合H/B比、材料摩擦特性和空洞几何形态的三维评估体系，可将塌陷预测精度提升50%以上。该成果为地下工程风险防控提供了从颗粒尺度到宏观响应的完整理论框架，尤其对地铁隧道、综合管廊等城市地下设施的智能监测具有重要指导价值。