地下采礦對地基穩(wěn)定性的微細觀擾動機理研究

地下采礦造成地表沉陷和水平變形，并引起土體中孔隙水壓變化，改變土體的微細觀結構，進而影響地基土體的工程特性以及地基穩(wěn)定性。在國家自然科學基金小額項目煤礦采動區(qū)大變形條件下橋梁及地基的加固方式研究（No.50574088）成果的基礎上，本課題以室內試驗和現(xiàn)場試驗為手段，從土的微細觀角度研究地下采礦對天然土體和經加固后的水泥土體的擾動機理，采用掃描電鏡、超聲探測等現(xiàn)代測試手段，研究開采擾動對土體孔隙度、孔隙比水平和垂直方向上顆粒粒徑、扁圓度、顆粒定向度等微細觀結構的影響特點；采用有限差分－離散元耦合數(shù)值分析方法，再現(xiàn)開采擾動影響下土體微細觀結構變形和破壞的全過程；研究開采擾動影響下土體微細觀結構與宏觀力學性質的關系，從本質上揭示開采擾動對土體宏觀力學性質的影響規(guī)律；用彈塑性理論建立地基土體發(fā)生彈性、塑性變形和軟化破壞的數(shù)學模型，研究考慮開采擾動影響的采動區(qū)建（構）筑物地基穩(wěn)定性計算方法。 2100433B

運用統(tǒng)計相關和奇異值分解方法，系統(tǒng)地考察了非絕熱加熱對大氣局地擾動位能的響特征和機理問題。分析結果表明，熱帶地區(qū)海表溫度異常和擾動位能的耦合相關特征與厄爾尼諾和南方濤動變率的關系密切，擾動位能在熱帶外地區(qū)的耦合模態(tài)空間型呈現(xiàn)出與北太平洋—北美大氣遙相關型極為相似的分布特征。

位能表面溫度與擾動位能的相關關系

海表溫度異常對于大氣系統(tǒng)熱力動力過程的影響是知道的，同樣作為下墊面邊界條件，陸面溫度的異常變化也必然會對大氣局部能量有效性造成影響。因此，在對SST場異常以及特征指數(shù)與大氣擾動位能相關關系進行分析基礎上，這里簡要考察表面溫度（SurfaceAirTemperature，SAT）與擾動位能的局地單點相關關系。

擾動位能和表面溫度的點對點局地相關系數(shù)分布情況?？梢钥闯?，全球各個格點在四個季節(jié)PPE和SAT的相關系數(shù)均大于0，呈現(xiàn)正相關特征，相關不顯著區(qū)域主要集中于夏半球，1月份分布在澳洲和南大洋以及熱帶地區(qū)，而月份則分布在北太平洋和北大西洋海區(qū)以及熱帶和南極附近；春秋過渡季節(jié)陰影區(qū)顯著減小，主要集中于熱帶，但春季4月份南極大陸幾乎都未通過嚴格的顯著性檢驗?？傮w來看，陸面溫度和擾動位能的相關要好于海面。

擾動位能反映的是局地能量的有效性，它與局地溫度相對于全球平均的偏差有關，因而，表面溫度與局地擾動位能的顯著相關是容易理解的，這也反映出兩者變化具有一致性。當然，在不同季節(jié)也會出現(xiàn)相關相對較弱的個別區(qū)域，這些情況可能與其它未知因素有關。

位能熱帶地區(qū)Q1和擾動位能的SVD分析

在單點相關分析基礎上，進一步以Q₁為左場，以大氣擾動位能為右場進行了SVD場相關分析，并按照熱帶地區(qū)Q₁和擾動位能之間，以及北半球熱帶外Q₁和擾動位能之間兩種情況來分別開展研究。

首先，以冬季熱帶地區(qū)的視熱源Q₁為左場，以該地區(qū)整層積分的擾動位能為右場進行SVD分析，其目的是考察低緯以潛熱為主的非絕熱加熱率與局地能量有效性的相關關系。第一模態(tài)解釋兩個場之間的總協(xié)方差平方和的62.18%，能夠代表兩個場耦合變化型的主要特征，解釋Q₁方差的27.02%，解釋整層擾動位能方差的7.03%，兩個場的耦合變化型顯然在Q₁場中占較大的方差比例。第二耦合模態(tài)的方差貢獻則遠不及第一模態(tài)，其仍在Q₁場中的貢獻很大。大部分耦合模態(tài)左右場展開時間系數(shù)之間的相關可達0.7以上，通過了99.9%的信度檢驗。

通過地下水滲流的室內模型試驗，利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術和數(shù)字圖像變形量測技術觀察和攝錄地下水位面變化過程中土顆粒的移動軌跡，為地下水滲流引起無粘性土層沉降的細觀機理分析和顆粒流數(shù)值模擬提供試驗數(shù)據(jù)；并從土體內部流固耦合機制的細觀層面上分析地下水滲流與土顆粒介質之間的相互作用，深入研究地下水滲流引起無粘性土層沉降的細觀力學機理?；陬w粒流理論，建立地下水位面變化過程中無粘性土層沉降發(fā)展變化規(guī)律的細觀理論模型，并在PFC計算軟件的基礎上進行二次開發(fā)，對地下水滲流過程中土顆粒的移動規(guī)律進行細觀模擬，進一步從細觀角度深入理解和認識地下水滲流引起無粘性土層沉降的機理；結合上海等地區(qū)無粘性土層沉降的觀測資料，利用研究取得的滲流引起無粘性土層沉降機理的細觀力學分析理論和相應方法，把理論預測的土層沉降結果與實際的觀測資料進行對比，為地面沉降災害的預測和治理提供參考意見。

隨著人類活動的發(fā)展，地面沉降問題越來越突出，嚴重時會成為一種地質災害。其中地下水的過度開采造成地面沉降已經得到普遍證實，成為制約很多城市發(fā)展的原因之一，對此很多學者提出了地下水回灌的措施來減小沉降，實際工程中也得到了應用。因此，地下水的開采和回灌問題成為了巖土工程領域研究的一個熱點。 該課題在前人研究的基礎之上，用室內模型試驗來研究沉降機理，設計了可行的試驗設備，對不同密實度的砂土進行反復的排水和回灌試驗，測量試樣的豎向變形，并記錄水位的高度變化。在砂土的細觀分析上，利用數(shù)字顯微鏡、數(shù)碼相機和數(shù)字處理技術研究砂土顆粒的變化規(guī)律，分析細觀特征參數(shù)的變化。在不同的密實度條件下，通過記錄的孔隙水壓力和土壓力，分析砂土的應力變化規(guī)律，在排水和回灌的初期變形以彈性變形為主，隨著排灌的次數(shù)的增加，砂土結構發(fā)生重組，變形較大，產生了不可恢復的塑性和粘性變形，最后砂土試樣逐漸穩(wěn)定，變形明顯減小。通過對CCD系統(tǒng)攝錄圖片的分析，每次排水和回灌后砂土顆粒的上下位移較為明顯，轉動角度相對較小；通過對數(shù)碼圖片處理后清楚地呈現(xiàn)出排水和回灌過程中顆粒的移動過程。在試驗研究的基礎上，運用PFC顆粒流模擬密砂的排水和回灌過程，通過邊界條件的設置來模擬水量控制，主要分析顆粒的下降和回彈量，同時分析顆粒的孔隙率、位移場和流體單元速度場變化。 基于洋山深水港區(qū)地基沉降觀測數(shù)據(jù)，采用不同的回歸模型對不同地質條件下的地基沉降進行非線性回歸分析。研究結果表明，除了在地基沉降的初期階段有一些差異外，所有模型的回歸曲線與實測沉降吻合的很好。通過回歸分析得到的模型參數(shù)可作為其他類似地質條件下重要工程地基沉降預測的參考。 該研究工作有助于我們進一步認識地面沉降機理、合理地開采地下水和科學地回灌，對于水資源的管理可以提供重要的參考。 2100433B