地下采礦對(duì)地基穩(wěn)定性的微細(xì)觀擾動(dòng)機(jī)理研究項(xiàng)目摘要

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(xì)觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響地基土體的工程特性以及地基穩(wěn)定性。在國(guó)家自然科學(xué)基金小額項(xiàng)目煤礦采動(dòng)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(chǔ)上，本課題以室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為手段，從土的微細(xì)觀角度研究地下采礦對(duì)天然土體和經(jīng)加固后的水泥土體的擾動(dòng)機(jī)理，采用掃描電鏡、超聲探測(cè)等現(xiàn)代測(cè)試手段，研究開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)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(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響特點(diǎn)；采用有限差分－離散元耦合數(shù)值分析方法，再現(xiàn)開(kāi)采擾動(dòng)影響下土體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變形和破壞的全過(guò)程；研究開(kāi)采擾動(dòng)影響下土體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，從本質(zhì)上揭示開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)土體宏觀力學(xué)性質(zhì)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(xué)模型，研究考慮開(kāi)采擾動(dòng)影響的采動(dòng)區(qū)建（構(gòu)）筑物地基穩(wěn)定性計(jì)算方法。 2100433B

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)相關(guān)和奇異值分解方法，系統(tǒng)地考察了非絕熱加熱對(duì)大氣局地?cái)_動(dòng)位能的響特征和機(jī)理問(wèn)題。分析結(jié)果表明，熱帶地區(qū)海表溫度異常和擾動(dòng)位能的耦合相關(guān)特征與厄爾尼諾和南方濤動(dòng)變率的關(guān)系密切，擾動(dòng)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(guān)型極為相似的分布特征。

位能表面溫度與擾動(dòng)位能的相關(guān)關(guān)系

海表溫度異常對(duì)于大氣系統(tǒng)熱力動(dòng)力過(guò)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(huì)對(duì)大氣局部能量有效性造成影響。因此，在對(duì)SST場(chǎng)異常以及特征指數(shù)與大氣擾動(dòng)位能相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，這里簡(jiǎn)要考察表面溫度（SurfaceAirTemperature，SAT）與擾動(dòng)位能的局地單點(diǎn)相關(guān)關(guān)系。

擾動(dòng)位能和表面溫度的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)局地相關(guān)系數(shù)分布情況?？梢钥闯?，全球各個(gè)格點(diǎn)在四個(gè)季節(jié)PPE和SAT的相關(guān)系數(shù)均大于0，呈現(xiàn)正相關(guān)特征，相關(guān)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(guò)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(guò)嚴(yán)格的顯著性檢驗(yàn)。總體來(lái)看，陸面溫度和擾動(dòng)位能的相關(guān)要好于海面。

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

位能熱帶地區(qū)Q1和擾動(dòng)位能的SVD分析

在單點(diǎn)相關(guān)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以Q₁為左場(chǎng)，以大氣擾動(dòng)位能為右場(chǎng)進(jìn)行了SVD場(chǎng)相關(guān)分析，并按照熱帶地區(qū)Q₁和擾動(dòng)位能之間，以及北半球熱帶外Q₁和擾動(dòng)位能之間兩種情況來(lái)分別開(kāi)展研究。

首先，以冬季熱帶地區(qū)的視熱源Q₁為左場(chǎng)，以該地區(qū)整層積分的擾動(dòng)位能為右場(chǎng)進(jìn)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(guān)關(guān)系。第一模態(tài)解釋兩個(gè)場(chǎng)之間的總協(xié)方差平方和的62.18%，能夠代表兩個(gè)場(chǎng)耦合變化型的主要特征，解釋Q₁方差的27.02%，解釋整層擾動(dòng)位能方差的7.03%，兩個(gè)場(chǎng)的耦合變化型顯然在Q₁場(chǎng)中占較大的方差比例。第二耦合模態(tài)的方差貢獻(xiàn)則遠(yuǎn)不及第一模態(tài)，其仍在Q₁場(chǎng)中的貢獻(xiàn)很大。大部分耦合模態(tài)左右場(chǎng)展開(kāi)時(shí)間系數(shù)之間的相關(guān)可達(dá)0.7以上，通過(guò)了99.9%的信度檢驗(yàn)。

通過(guò)地下水滲流的室內(nèi)模型試驗(yàn)，利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像變形量測(cè)技術(shù)觀察和攝錄地下水位面變化過(guò)程中土顆粒的移動(dòng)軌跡，為地下水滲流引起無(wú)粘性土層沉降的細(xì)觀機(jī)理分析和顆粒流數(shù)值模擬提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)；并從土體內(nèi)部流固耦合機(jī)制的細(xì)觀層面上分析地下水滲流與土顆粒介質(zhì)之間的相互作用，深入研究地下水滲流引起無(wú)粘性土層沉降的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理?；陬w粒流理論，建立地下水位面變化過(guò)程中無(wú)粘性土層沉降發(fā)展變化規(guī)律的細(xì)觀理論模型，并在PFC計(jì)算軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，對(duì)地下水滲流過(guò)程中土顆粒的移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行細(xì)觀模擬，進(jìn)一步從細(xì)觀角度深入理解和認(rèn)識(shí)地下水滲流引起無(wú)粘性土層沉降的機(jī)理；結(jié)合上海等地區(qū)無(wú)粘性土層沉降的觀測(cè)資料，利用研究取得的滲流引起無(wú)粘性土層沉降機(jī)理的細(xì)觀力學(xué)分析理論和相應(yīng)方法，把理論預(yù)測(cè)的土層沉降結(jié)果與實(shí)際的觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，為地面沉降災(zāi)害的預(yù)測(cè)和治理提供參考意見(jiàn)。

隨著人類(lèi)活動(dòng)的發(fā)展，地面沉降問(wèn)題越來(lái)越突出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)成為一種地質(zhì)災(zāi)害。其中地下水的過(guò)度開(kāi)采造成地面沉降已經(jīng)得到普遍證實(shí)，成為制約很多城市發(fā)展的原因之一，對(duì)此很多學(xué)者提出了地下水回灌的措施來(lái)減小沉降，實(shí)際工程中也得到了應(yīng)用。因此，地下水的開(kāi)采和回灌問(wèn)題成為了巖土工程領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 該課題在前人研究的基礎(chǔ)之上，用室內(nèi)模型試驗(yàn)來(lái)研究沉降機(jī)理，設(shè)計(jì)了可行的試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)不同密實(shí)度的砂土進(jìn)行反復(fù)的排水和回灌試驗(yàn)，測(cè)量試樣的豎向變形，并記錄水位的高度變化。在砂土的細(xì)觀分析上，利用數(shù)字顯微鏡、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)字處理技術(shù)研究砂土顆粒的變化規(guī)律，分析細(xì)觀特征參數(shù)的變化。在不同的密實(shí)度條件下，通過(guò)記錄的孔隙水壓力和土壓力，分析砂土的應(yīng)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(jié)構(gòu)發(fā)生重組，變形較大，產(chǎn)生了不可恢復(fù)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(guò)對(duì)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(zhuǎn)動(dòng)角度相對(duì)較??；通過(guò)對(duì)數(shù)碼圖片處理后清楚地呈現(xiàn)出排水和回灌過(guò)程中顆粒的移動(dòng)過(guò)程。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用PFC顆粒流模擬密砂的排水和回灌過(guò)程，通過(guò)邊界條件的設(shè)置來(lái)模擬水量控制，主要分析顆粒的下降和回彈量，同時(shí)分析顆粒的孔隙率、位移場(chǎng)和流體單元速度場(chǎng)變化。 基于洋山深水港區(qū)地基沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用不同的回歸模型對(duì)不同地質(zhì)條件下的地基沉降進(jìn)行非線性回歸分析。研究結(jié)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(shí)測(cè)沉降吻合的很好。通過(guò)回歸分析得到的模型參數(shù)可作為其他類(lèi)似地質(zhì)條件下重要工程地基沉降預(yù)測(cè)的參考。 該研究工作有助于我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地面沉降機(jī)理、合理地開(kāi)采地下水和科學(xué)地回灌，對(duì)于水資源的管理可以提供重要的參考。 2100433B