采動區(qū)框架結(jié)構(gòu)建筑物整體穩(wěn)定機理研究

開發(fā)利用地下開采引起的地表變形區(qū)作為建筑用地，可有效緩解土地資源緊張、避免村莊遷移等社會問題，實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)與環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展，具有重要的社會意義。為保證采動區(qū)不穩(wěn)定地基上建筑物安全穩(wěn)定，需要解決以下理論問題：采動區(qū)地表變形對上部結(jié)構(gòu)的作用機理；地表變形引起建筑物整體失穩(wěn)的破壞機理；建筑物承受地表變形的極限能力等。因此，本課題以采動地表移動最新研究成果為基礎(chǔ)，揭示采動區(qū)動態(tài)地表變形對框架結(jié)構(gòu)建筑物的 2100433B

《采動區(qū)框架結(jié)構(gòu)建筑物穩(wěn)定機理研究》圍繞采動區(qū)鋼框架結(jié)構(gòu)建筑物穩(wěn)定的問題，建立了地基、基礎(chǔ)、鋼框架結(jié)構(gòu)共同作用的力學(xué)模型，并應(yīng)用該模型研究分析，得到了地下采煤工作面采動過程中鋼框架結(jié)構(gòu)建筑物的變形規(guī)律、內(nèi)力變化規(guī)律及主要因素的影響規(guī)律。為研究采動區(qū)上方合理的鋼框架結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)形式及建筑物抗變形能力提供了理論依據(jù)。通過擾動地基與基礎(chǔ)界面力學(xué)試驗、平面鋼框架試驗和鋼框架結(jié)構(gòu)三維有限元計算，研究了建筑物位于采動地表下沉盆地的不同位置、地基力學(xué)參數(shù)、基礎(chǔ)形式、上部結(jié)構(gòu)剛度和上部結(jié)構(gòu)形式對鋼框架結(jié)構(gòu)建筑物穩(wěn)定的影響規(guī)律；研究了鋼框架結(jié)構(gòu)建筑物的穩(wěn)定機理，為采動區(qū)上方建筑物的設(shè)計、加固和控制地表變形的地下開采方法提供了理論依據(jù)。

《采動區(qū)框架結(jié)構(gòu)建筑物穩(wěn)定機理研究》可供從事礦山開采沉陷與治理、建筑工程等專業(yè)的科研、設(shè)計、工程技術(shù)人員以及高等院校教師和研究生參考。

我國煤炭開采已造成100多萬公頃地表塌陷、每年還以6萬多公頃的速度增加，在地表塌陷過程中引起地面建筑物、橋梁等地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)破壞、影響正常使用甚至引發(fā)安全事故。本課題針對采動區(qū)橋體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定開展四個方面的研究：（1）采動區(qū)地表變形引起的橋體基礎(chǔ)或地基土壓力的變化規(guī)律，建立采動區(qū)橋體的應(yīng)力邊界；（2）研究采動區(qū)地基與橋體結(jié)構(gòu)之間載荷、變形的傳遞規(guī)律，建立采動區(qū)浸水地基-橋體結(jié)構(gòu)界面力學(xué)模型；（3）建立采動區(qū)地基-橋體結(jié)構(gòu)協(xié)同作用力學(xué)模型，揭示采動區(qū)動態(tài)地表變形引起的橋體結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力和附加變形的演化規(guī)律；（4）研究采動區(qū)橋體結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的關(guān)鍵影響因素，揭示采動區(qū)橋體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位和整體穩(wěn)定的機理。該項目的研究為評價動態(tài)地表變形對橋體結(jié)構(gòu)的影響程度、為保證采動區(qū)新建及改造橋體結(jié)構(gòu)的安全提供理論依據(jù)，具有重要的理論意義和社會效益。

該項目用了四年時間，完成了項目申報時的預(yù)期研究目標，取得了豐碩的研究成果。通過采動區(qū)地基土的實驗室試驗，研究了采動區(qū)地表變形對地基土的孔隙率、含水率、粘聚力、內(nèi)摩擦角、承載力等物理力學(xué)性能的影響規(guī)律；揭示了采動變形引起的土壓力變化規(guī)律；建立了采動區(qū)地基土動態(tài)擾動規(guī)律及土壓力計算理論，推導(dǎo)了采動區(qū)土壓力計算公式。研發(fā)了浸水條件下界面剪切試驗系統(tǒng)，進行了采動區(qū)地基-橋體結(jié)構(gòu)界面性能的實驗室模擬試驗，研究了浸水條件下的地基-橋體結(jié)構(gòu)界面的力學(xué)行為，確立了不同地基擾動程度下地基-橋體結(jié)構(gòu)界面的法向剛度、切向剛度等基本參數(shù)，完成了采動區(qū)地基-橋體結(jié)構(gòu)界面性能的現(xiàn)場實測，研究采動區(qū)地基與橋體結(jié)構(gòu)之間載荷、變形的傳遞規(guī)律，建立采動區(qū)浸水地基-橋體結(jié)構(gòu)界面力學(xué)模型。進行了采動區(qū)地基-橋體結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的理論分析，建立采動區(qū)砂土地基-橋體結(jié)構(gòu)協(xié)同作用力學(xué)模型和采動區(qū)黏土地基-橋體結(jié)構(gòu)協(xié)同作用理論模型，建立了采動區(qū)地基-橋體結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的三維有限元計算模型；通過理論分析和有限元計算，揭示了采動區(qū)動態(tài)地表變形引起的地基土壓力重分布、界面接觸狀態(tài)、橋體結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力及附加變形的演化規(guī)律，明確了影響采動區(qū)地基-橋體結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的關(guān)鍵因素；揭示了動態(tài)協(xié)同作用下采動區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定機理，揭示了影響采動區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，并將研究成果應(yīng)用于工程實踐，成功解決了三座橋梁受采動影響的安全穩(wěn)定問題。 研究成果在國內(nèi)外期刊發(fā)表高水平論文25篇，其中SCI收錄3篇，EI收錄12篇，中文核心10篇；已經(jīng)授權(quán)的國家發(fā)明專利4項，已公開的國家發(fā)明專利4項，授權(quán)實用新型專利8項，培養(yǎng)了博士研究生4人，碩士研究生9人。兩人入選江蘇省“333”高層次人才培養(yǎng)計劃，2人晉升高級職稱，榮獲中國礦業(yè)大學(xué)優(yōu)秀科研創(chuàng)新團隊，獲得中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)二等獎2項。 2100433B