多年凍土區(qū)碎石路基的變形機理與長期穩(wěn)定性研究

碎石路基是一種廣泛應(yīng)用在多年凍土區(qū)的路基形式，目前的研究主要集中在降溫機理以及如何發(fā)揮其效果方面,缺少對碎石集料力學(xué)性質(zhì)和碎石路基長期穩(wěn)定性的研究。在前人研究工作的基礎(chǔ)上，本項目以青藏鐵路為依托，開展了靜、動載荷耦合作用下碎石路基力學(xué)性能研究，在此基礎(chǔ)上，也分析了溫度對碎石集料抗剪強度特性的影響。通過現(xiàn)場觀測，結(jié)合大量室內(nèi)大型實驗和理論研究，從碎石塊體相互作用的本質(zhì)出發(fā)，考慮靜、動載荷和溫度等因素的影響，使用顆粒流評估方法，建立了考慮碎石集料相互作用機理的力學(xué)分析數(shù)值模型，分析了不同的設(shè)計參數(shù)條件下碎石集料的力學(xué)穩(wěn)定性。主要研究結(jié)果具有重大的理論和實踐意義。 2100433B

碎石路基是一種廣泛應(yīng)用在多年凍土區(qū)的路基形式，目前的研究主要集中在降溫機理以及如何發(fā)揮其效果方面,缺少對其長期穩(wěn)定性的研究。在前人研究工作的基礎(chǔ)上，本項目以青藏鐵路為依托，擬開展多年凍土地基上環(huán)境與動載荷耦合作用下碎石路基力學(xué)性能研究，通過現(xiàn)場觀測，室內(nèi)大型實驗和理論研究，從碎石塊體相互作用的本質(zhì)出發(fā)，考慮溫度、動載荷等因素的影響，在大量室內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖像評估方法，建立基于孔隙介質(zhì)傳熱理論和考慮碎石相互作用機理的碎石路基與地基的數(shù)值模型，分析不同的設(shè)計參數(shù)條件下凍土路基的熱穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性，建議關(guān)鍵參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，提出確保降溫效果和路基長期變形穩(wěn)定性的最優(yōu)化的多年凍土區(qū)碎石路基結(jié)構(gòu)型式。

采空區(qū)覆巖分次垮落擾動是沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的關(guān)鍵誘因。課題采用理論分析、物理模擬及數(shù)值計算等方法，研究了采空區(qū)頂板多關(guān)鍵層分次垮落對沿空留巷的長期擾動機理，探索了頂壓漸增期間碎脹矸石的壓實效應(yīng)與斷裂頂板的隨動特性，闡述了關(guān)鍵層預(yù)裂卸壓效應(yīng)與沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)主動控制原理。兩帶內(nèi)的關(guān)鍵層分次垮落對沿空留巷的擾動周期、充填墻體的承載大小和巷道變形具有顯著影響。覆巖分次垮落期間在頂板主離層和巷道的隔離之下出現(xiàn)兩次應(yīng)力分流，經(jīng)由采空區(qū)側(cè)向楔形承載區(qū)向下傳遞，在巷道兩側(cè)形成“應(yīng)力雙峰”，沿空留巷呈現(xiàn)出波動性擾動變形。“兩帶”內(nèi)主控關(guān)鍵層垮落后，老頂?shù)淖冃位具_到最大值，得出了關(guān)鍵層斷裂時機和擾動周期的判定方法。關(guān)鍵層的下沉量由垮落前的撓曲下沉、垮落期間的旋轉(zhuǎn)下沉和垮落后的壓縮下沉三部分組成，下沉量各占15%、55%和30%，矸石的壓實效應(yīng)延長了沿空留巷的擾動周期，但隨著時間延續(xù)來壓強度逐漸減弱。采空區(qū)側(cè)向頂板預(yù)裂卸壓能夠加速堅硬老頂?shù)钠茢噙\動并有效緩解留巷頂板的壓力，卸壓后側(cè)向支承應(yīng)力區(qū)向淺部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值有一定程度的降低，留巷圍巖變形得到明顯改善，提出了側(cè)向頂板的卸壓判據(jù)和懸臂長度的優(yōu)化方法。提出了常規(guī)條件下的沿空留巷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制對策，包括“雙層”主動錨固支護、強度動態(tài)匹配的巷旁充填以及擾動期間的輔助支護3項，以及特殊條件下的“卸壓-錨固”雙重主動控制技術(shù)，形成了沿空留巷“頂板結(jié)構(gòu)可控、圍巖應(yīng)力可調(diào)、擾動周期縮短、巷道變形改善”的主動控制效果。在兩個典型采煤工作面展開了沿空留巷工業(yè)性試驗，從不同角度驗證了研究結(jié)論。課題研究成果可為我國煤礦極其復(fù)雜多樣的地質(zhì)條件下展開無煤柱沿空留巷實踐奠定基礎(chǔ)。 2100433B

從多層次綜合仿真和廣角度分析觀點，以確定性和不確定性兩類分析模型對深埋洞室群圍巖的變形機理與穩(wěn)定性評判準(zhǔn)則進行研究。依據(jù)不同圍壓下的試驗研究深部巖體的峰值后變形特性和流變特性，結(jié)合細觀層次的數(shù)值試驗，建立反映深部巖體宏觀力學(xué)特征的細觀力學(xué)模型，揭示深部巖體的長期變形機理和數(shù)學(xué)描述方法；提出深部巖體破壞過程的跨尺度模擬技術(shù)，根據(jù)生成的數(shù)值試件進行實際受力的仿真模擬，研究其變形、破壞的全過程，從強度理論和能量理論探討巖體的破壞機理；將細觀損傷理論和統(tǒng)計強度理論有機地結(jié)合預(yù)測巖體的宏觀性質(zhì)，建立巖體宏觀本構(gòu)模型和強度破壞準(zhǔn)則，依據(jù)巖體破壞過程數(shù)值模擬的正反分析闡明巖體強度特性和破壞的內(nèi)在聯(lián)系；建立廣角度的巖體穩(wěn)定性評判體系，給出圍巖穩(wěn)定性的綜合評判以及相應(yīng)的臨界警戒指標(biāo)，探討傳統(tǒng)靜力準(zhǔn)則與能量準(zhǔn)則的內(nèi)在聯(lián)系與聯(lián)合應(yīng)用機理，使其實用化并為制定相應(yīng)規(guī)范創(chuàng)造條件。

本項目從多層次綜合仿真和廣角度分析觀點，以確定性和不確定性兩類分析模型對深埋洞室群圍巖的變形機理與穩(wěn)定性評判準(zhǔn)則進行研究。主要研究內(nèi)容包括：大理巖的試驗研究、巖體地應(yīng)力的確定、巖石破壞機理的細觀模型、深埋隧洞滲流和應(yīng)力耦合分析方法、基于區(qū)間的反演模型和求解方法、地下洞室圍巖的長期穩(wěn)定性、具體工程的應(yīng)用等問題。研究取得了25項成果，其中6項代表性成果為：（1）建立了基于區(qū)間分析思想的反演模型和求解方法，考慮量測信息的不確定性，針對復(fù)雜的非線性問題，提出了區(qū)間有限元的迭代優(yōu)化反分析模型；（2）從巖體內(nèi)部細觀組成出發(fā)，以結(jié)構(gòu)控制論為指導(dǎo)，研究其受壓的破壞機理，建立了基于大理巖受壓破壞的數(shù)字圖像界面元法模擬；（3）基于某工程現(xiàn)場天然花崗巖材料進行軸向壓縮試驗，結(jié)合高速圖像采集系統(tǒng)，采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究了花崗巖材料在動力作用下的拉應(yīng)變場與破壞形態(tài)的關(guān)系，進行巖石動力破壞的高速數(shù)字圖像相關(guān)研究；（4）引入等效入滲強度來模擬降雨入滲過程，采用等效連續(xù)各向同性介質(zhì)模型，運用三維有限元的基本方法和地下水動力學(xué)的基本理論對引水隧洞施工全過程工程區(qū)涌水量和降落漏斗的影響范圍開展了分析研究；（5）針對富水區(qū)深埋地下水利工程中的主要水問題及對策進行研究，提出了“以堵為主、堵排結(jié)合、因地制宜、綜合治理”的治水原則；（6）基于接觸粘結(jié)模型的二維顆粒流程序（PFC2D），對砂巖及花崗巖雙向加載下砂巖及花崗巖聲發(fā)射及變形率變化法進行了數(shù)值研究。本項目研究不僅解決了地下洞室群圍巖穩(wěn)定性的一些基本科學(xué)問題，還直接為我國地下工程的建設(shè)提供了一些科學(xué)依據(jù)。 2100433B