高速公路與下伏采空區(qū)相互作用分析理論與處理技術(shù)研究.pdf

1、高速公路路基下伏煤礦采空區(qū)是一種特殊的巖土工程問題,高速公路與下伏采空區(qū)的相互影響給采空區(qū)高速公路建設(shè)帶來了特殊的困難與特殊的要求.一般在工程建設(shè)中盡量避開,但礦區(qū)采空區(qū)往往星羅棋布,高速公路建設(shè)不可避免地要穿越采空區(qū),必須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處治.中國采空區(qū)高速公路建設(shè)技術(shù)尚處于摸索階段,雖積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn),但尚未形成成熟的治理技術(shù),由此導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)技術(shù)等方面的一系列問題,特別是對(duì)于多層復(fù)雜采空區(qū)的處理問題尚處于空白.該文針對(duì)高速公路與下伏

2、采空區(qū)相互作用分析理論及其采空區(qū)處理技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究.(1)全面回顧總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于采空區(qū)問題的研究現(xiàn)狀,對(duì)采空區(qū)特殊地基高速公路建設(shè)存在的五個(gè)技術(shù)難題進(jìn)行了綜合分析,包括:高速公路與采空區(qū)相互作用分析理論、采空區(qū)的勘察評(píng)價(jià)、變形穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、采空區(qū)治理理論及其質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù).(2)對(duì)公路下采空區(qū)三維空間發(fā)育特征現(xiàn)場探測技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并總結(jié)相關(guān)資料,提出了采空區(qū)探測技術(shù)方法組合體系,推薦了各種地質(zhì)條件下宜選擇的探測方法.(3)結(jié)合

3、高速公路路基工程的特點(diǎn),在研究采空區(qū)地表剩余移動(dòng)與變形規(guī)律基礎(chǔ)上,提出了多層傾斜復(fù)雜地質(zhì)條件下采空區(qū)的變形與穩(wěn)定性實(shí)用評(píng)價(jià)方法,以地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)法定性評(píng)估,以預(yù)計(jì)評(píng)價(jià)方法、二維及三維有限單元法定量計(jì)算.提出了采空區(qū)對(duì)公路工程影響程度初步評(píng)估方法及公路建設(shè)適宜性定性評(píng)價(jià)方法,并根據(jù)地表剩余下沉、傾斜、水平變形與曲率四個(gè)指標(biāo),提出了采空區(qū)特殊路基穩(wěn)定分區(qū)標(biāo)準(zhǔn).(4)以巖體結(jié)構(gòu)控制論為基礎(chǔ),深入分析采空區(qū)三帶發(fā)育的特點(diǎn),融合信息技術(shù),建立了采空區(qū)二

4、維及三維工程地質(zhì)模型,直觀形象地反映了采空區(qū)地層組成及其三維空間的展布形態(tài),為采空區(qū)變形與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作提出了可靠工程地質(zhì)模型.在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了多層傾斜復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性的定量數(shù)值模擬方法-三維及二維彈塑性有限單元法,分析了采空區(qū)數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)處理方法.并根據(jù)實(shí)際工程三維數(shù)值模擬結(jié)果,分析了多層傾斜采空區(qū)地基移動(dòng)與變形、圍巖與煤柱應(yīng)力分布規(guī)律,提出采空區(qū)地基承載力及圍巖穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn),對(duì)處治方案進(jìn)行了驗(yàn)證模擬.(5)采用理論分析與有

5、限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)高速公路-采空區(qū)相互作用理論進(jìn)行了分析,提出了采動(dòng)對(duì)高速公路路基路面的損害計(jì)算與評(píng)價(jià)方法.并通過有限元數(shù)值模擬得到采空區(qū)與公路相互作用的若干規(guī)律,為公路下采空區(qū)處治提供了理論依據(jù).(6)應(yīng)用巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)及滲流力學(xué)等理論,探討了采空區(qū)巖體注漿理論模型.分區(qū)建立了采空區(qū)不同注漿結(jié)構(gòu)部位的理論模型,包括采空區(qū)空洞或巷道的一維"管道"模型、離層與接觸風(fēng)化帶等結(jié)構(gòu)面二維模型、導(dǎo)水裂隙帶三維模型.并推導(dǎo)了三種不同

6、擴(kuò)散模型下漿液有效擴(kuò)散距離計(jì)算公式,計(jì)算并分析了有效擴(kuò)散半徑與注漿壓力、注漿時(shí)間、地層裂隙性質(zhì)及漿液性質(zhì)之間的相互關(guān)系.計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場及室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果相吻合,說明了模型的合理性.(7)通過室內(nèi)單因素試驗(yàn)、二次回歸正交試驗(yàn)及現(xiàn)場可注性試驗(yàn),系統(tǒng)研究了采空區(qū)注漿材料-大摻量(>40％)粉煤灰水泥漿材、水泥粘土漿材、水泥粉煤灰粘土漿材、無或摻少量水泥漿材的工程特性.得到了漿材特性與水灰比、固相比及添加劑等變化因子之間的相關(guān)關(guān)系,并提出了各種技