多年凍土區(qū)碎石路基的變形機(jī)理與長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究項(xiàng)目摘要

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(jī)理以及如何發(fā)揮其效果方面,缺少對(duì)其長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究。在前人研究工作的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目以青藏鐵路為依托，擬開(kāi)展多年凍土地基上環(huán)境與動(dòng)載荷耦合作用下碎石路基力學(xué)性能研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，室內(nèi)大型實(shí)驗(yàn)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(dòng)載荷等因素的影響，在大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖像評(píng)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(jī)理的碎石路基與地基的數(shù)值模型，分析不同的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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。

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(jī)理以及如何發(fā)揮其效果方面,缺少對(duì)碎石集料力學(xué)性質(zhì)和碎石路基長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究。在前人研究工作的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目以青藏鐵路為依托，開(kāi)展了靜、動(dòng)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(duì)碎石集料抗剪強(qiáng)度特性的影響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，結(jié)合大量室內(nèi)大型實(shí)驗(yàn)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(dòng)載荷和溫度等因素的影響，使用顆粒流評(píng)估方法，建立了考慮碎石集料相互作用機(jī)理的力學(xué)分析數(shù)值模型，分析了不同的設(shè)計(jì)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(shí)踐意義。 2100433B

采空區(qū)覆巖分次垮落擾動(dòng)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(jì)算等方法，研究了采空區(qū)頂板多關(guān)鍵層分次垮落對(duì)沿空留巷的長(zhǎng)期擾動(dòng)機(jī)理，探索了頂壓漸增期間碎脹矸石的壓實(shí)效應(yīng)與斷裂頂板的隨動(dòng)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(dòng)控制原理。兩帶內(nèi)的關(guān)鍵層分次垮落對(duì)沿空留巷的擾動(dòng)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(dòng)性擾動(dòng)變形?！皟蓭А眱?nèi)主控關(guān)鍵層垮落后，老頂?shù)淖冃位具_(dá)到最大值，得出了關(guān)鍵層斷裂時(shí)機(jī)和擾動(dòng)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(shí)效應(yīng)延長(zhǎng)了沿空留巷的擾動(dòng)周期，但隨著時(shí)間延續(xù)來(lái)壓強(qiáng)度逐漸減弱。采空區(qū)側(cè)向頂板預(yù)裂卸壓能夠加速堅(jiān)硬老頂?shù)钠茢噙\(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(duì)策，包括“雙層”主動(dòng)錨固支護(hù)、強(qiáng)度動(dòng)態(tài)匹配的巷旁充填以及擾動(dòng)期間的輔助支護(hù)3項(xiàng)，以及特殊條件下的“卸壓-錨固”雙重主動(dòng)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(dòng)周期縮短、巷道變形改善”的主動(dòng)控制效果。在兩個(gè)典型采煤工作面展開(kāi)了沿空留巷工業(yè)性試驗(yàn)，從不同角度驗(yàn)證了研究結(jié)論。課題研究成果可為我國(guó)煤礦極其復(fù)雜多樣的地質(zhì)條件下展開(kāi)無(wú)煤柱沿空留巷實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。 2100433B

從多層次綜合仿真和廣角度分析觀點(diǎn)，以確定性和不確定性兩類分析模型對(duì)深埋洞室群圍巖的變形機(jī)理與穩(wěn)定性評(píng)判準(zhǔn)則進(jìn)行研究。依據(jù)不同圍壓下的試驗(yàn)研究深部巖體的峰值后變形特性和流變特性，結(jié)合細(xì)觀層次的數(shù)值試驗(yàn)，建立反映深部巖體宏觀力學(xué)特征的細(xì)觀力學(xué)模型，揭示深部巖體的長(zhǎng)期變形機(jī)理和數(shù)學(xué)描述方法；提出深部巖體破壞過(guò)程的跨尺度模擬技術(shù)，根據(jù)生成的數(shù)值試件進(jìn)行實(shí)際受力的仿真模擬，研究其變形、破壞的全過(guò)程，從強(qiáng)度理論和能量理論探討巖體的破壞機(jī)理；將細(xì)觀損傷理論和統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度理論有機(jī)地結(jié)合預(yù)測(cè)巖體的宏觀性質(zhì)，建立巖體宏觀本構(gòu)模型和強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，依據(jù)巖體破壞過(guò)程數(shù)值模擬的正反分析闡明巖體強(qiáng)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(píng)判體系，給出圍巖穩(wěn)定性的綜合評(píng)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(jī)理，使其實(shí)用化并為制定相應(yīng)規(guī)范創(chuàng)造條件。

本項(xiàng)目從多層次綜合仿真和廣角度分析觀點(diǎn)，以確定性和不確定性兩類分析模型對(duì)深埋洞室群圍巖的變形機(jī)理與穩(wěn)定性評(píng)判準(zhǔn)則進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：大理巖的試驗(yàn)研究、巖體地應(yīng)力的確定、巖石破壞機(jī)理的細(xì)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(zhǎng)期穩(wěn)定性、具體工程的應(yīng)用等問(wèn)題。研究取得了25項(xiàng)成果，其中6項(xiàng)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(cè)信息的不確定性，針對(duì)復(fù)雜的非線性問(wèn)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(xì)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(jī)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(chǎng)天然花崗巖材料進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)，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(dòng)力作用下的拉應(yīng)變場(chǎng)與破壞形態(tài)的關(guān)系，進(jìn)行巖石動(dòng)力破壞的高速數(shù)字圖像相關(guān)研究；（4）引入等效入滲強(qiáng)度來(lái)模擬降雨入滲過(guò)程，采用等效連續(xù)各向同性介質(zhì)模型，運(yùn)用三維有限元的基本方法和地下水動(dòng)力學(xué)的基本理論對(duì)引水隧洞施工全過(guò)程工程區(qū)涌水量和降落漏斗的影響范圍開(kāi)展了分析研究；（5）針對(duì)富水區(qū)深埋地下水利工程中的主要水問(wèn)題及對(duì)策進(jìn)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(duì)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(jìn)行了數(shù)值研究。本項(xiàng)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(wèn)題，還直接為我國(guó)地下工程的建設(shè)提供了一些科學(xué)依據(jù)。 2100433B