炭質泥巖路堤濕化變形機理及控制研究

本項目根據(jù)炭質泥巖的基本物理力學性質，結合相關試驗、數(shù)值模擬和工程實際情況，分別從以下七個方面對炭質泥巖路堤濕化變形機理及控制技術進行研究。 (1) 從依托項目水文地質條件調查入手，結合室內外試驗從炭質泥巖分布、巖性分析、室內外崩解試驗、崩解過程的分形特征及描述、分形崩解機理、崩解性控制等方面對炭質泥巖的水理特征進行了系統(tǒng)研究。 (2)通過預崩解炭質泥巖的基本物理性質、顆粒級配分布、CBR實驗、室內回彈模量實驗、抗剪強度實驗等一系列實驗，對預崩解炭質泥巖的路用性能進行了系統(tǒng)研究。 (3)通過預崩解炭質泥巖三軸CT同步試驗，對預崩解炭質泥巖在受荷后的宏觀應力-應變特征以及內部細觀結構損傷演化規(guī)律進行了深入分析。 (4)通過復雜應力條件下的炭質泥巖濕化變形實驗，分析了不同壓實度狀態(tài)下炭質泥巖濕化變形規(guī)律，建立了基于鄧肯-張理論的預崩解炭質泥巖路堤的濕化變形力學模型，并進行了數(shù)值實現(xiàn)。 (5)通過室內試驗研究了預崩解炭質泥巖在不同壓實度條件下的滲透性質。采用非飽和滲流理論研究了降雨條件下的路堤滲透特征，并結合飽和-非飽和抗剪強度理論探討了降雨條件下的炭質泥巖路堤穩(wěn)定性。 (6)以實際沉降觀測資料為基礎，分別利用雙曲線模型、指數(shù)曲線模型、泊松曲線模型對炭質泥巖路堤沉降進行預測，建立了沉降預測模型。 (7)提出了炭質泥巖填筑路堤關鍵技術，對如何進行地基處理、填料攤鋪方法、碾壓工藝以及施工流程等進行了系統(tǒng)的試驗與研究，得到炭質泥巖填筑路堤在施工過程中的寶貴資料。 通過系統(tǒng)研究炭質泥巖路堤濕化變形機理及控制技術，項目組成員撰寫和發(fā)表了28篇論文（已出版18篇，已錄用待刊6篇，已投稿4篇），申請并授權獲得了專利3項，培養(yǎng)博士研究生1名，碩士研究生6名。其研究成果對炭質泥巖廣泛分布地區(qū)路堤的設計、施工以及路堤長期穩(wěn)定性的控制具有極大的指導意義。

隨著我國西部高速公路建設，西部土地資源匱乏與路堤填料選材的矛盾日顯突出，在炭質泥巖地區(qū)修筑公路、鐵路不可避免地采用炭質泥巖作為路堤填料，由于炭質泥巖結構與組分復雜，且具有浸水后巖體強度軟化、遇水后易崩解等特點，一旦路堤浸水或路面開裂地表水入滲會產生濕化變形，導致路堤變形和不均勻沉降甚至路堤邊坡失穩(wěn)。為此，本項目通過對炭質泥巖崩解破碎顆粒分布特征與路用性能的研究，分析炭質泥巖崩解特性和水穩(wěn)性；利用CT掃描技術研究炭質泥巖微結構損傷演化規(guī)律；通過現(xiàn)場試驗、室內試驗和數(shù)值模擬和理論分析，系統(tǒng)研究復雜應力下（交通載荷）不同顆粒級配、壓實度炭質泥巖路堤濕化變形機理。構建炭質泥巖高速公路路堤填筑技術、施工工藝和質量檢測體系。其成果將為高速公路軟巖路堤修筑提供相應技術參數(shù)和變形控制方法。

紅土在江西廣泛分布，被大量用作路堤填料，紅土浸水濕化對路基變形影響不可忽視。項目通過GDS非飽和土三軸儀、全自動控制三軸儀及壓力板儀等開展了紅土濕化變形的三軸試驗，研究了不同填筑干密度、粘土礦物含量、濕化應力路徑、部分濕化等條件下濕化變形特性，以及非飽和紅土土-水特性及強度變化規(guī)律，取得了一系列研究成果；通過試驗獲得了部分濕化變形與應力狀態(tài)及飽和度的關系式，建立了非飽和土擴展非線性彈性本構方程；同時從熱力學理論及液橋計算模型角度，提出了不等徑土顆粒組合微觀模型下的土-水特征曲線理論解，并結合突變理論從理論上建立了反映濕化效應的濕化變形本構關系，即建立了含水率、基質吸力、濕化變形這三者之間的關系式；編制了可考慮部分濕化變形、強度隨含水率變化的飽和—非飽和滲流及應力變形有限元程序。數(shù)值模擬了路基浸水下濕化效應對路基沉降變形的影響規(guī)律，并與室內路基模型試驗結果進行對比；分析了填筑干密度、浸水高度、粘土礦物含量、路堤高度等對路基沉降變形規(guī)律。結果表明填筑壓實度（干密度）對濕化變形影響較大；紅土性質對濕化變形影響也大，壓實度相同情況下液限相對較高紅土濕化變形大；相同浸水高度下路堤越高產生的濕化變形越大；浸水高度越高產生的濕化變形也越大；結論對紅土地區(qū)路基設計及施工具有重要的指導意義。 2100433B

基于土體浸水濕化會同時引起其濕化變形及其強度變化的觀點，研究濕化效應對高填方紅土路基變形影響。首先從試驗上開展土體濕化效應試驗研究，包括紅土濕化變形三軸試驗、非飽和紅土強度試驗及降雨或浸水工況下紅土填方路基室內大尺寸模型試驗；研究干密度、初始含水率及級配等物理特性對濕化變形及強度變化影響規(guī)律，研究反復濕化、部分濕化及減荷條件下濕化引起的濕化變形特征，建立非飽和紅土濕化變形以及非飽和紅土強度定量表達式；其次從理論上研究濕化效應影響下飽和-非飽和土體滲透固結規(guī)律，建立能考慮土體濕化變形以及非飽和土強度隨含水率變化的飽和-非飽和滲透固結耦合方程，研究其在巖土工程有限元計算中應用方法，完成相應有限元計算編程；利用開發(fā)程序分析濕化效應作用下路基的變形規(guī)律以及路基干濕狀況、填筑干密度、填筑含水率、顆粒級配及車輛荷載等因素對路基沉降變形影響；根據(jù)數(shù)值分析成果與室內模型試驗結果，提出相應變形控制措施。

前言

第1章 緒論

1.1 引言

1.2 深部巷道圍巖大變形研究

1.3 開采引起巷道圍巖大變形的研究

1.4 膨脹性軟巖巷道圍巖大變形的研究

1.5 工程背景和實際意義

1.6 主要研究思路

第2章 破裂巖礦物晶體化學特性研究

2.1 礦巖成分分析

2.2 破裂巖的微結構和構造

2.3 破裂巖的水理性

2.4 本章小結

第3章 裂隙巖峰后滑移剪膨變形機理研究

3.1 引言

3.2 巖石的三軸壓縮試驗

3.3 不同側壓下巖石變形和破壞特征

3.4 基于三軸壓縮試驗的巖石破壞準則

3.5 基于三軸壓縮試驗的巖石損傷演化方程

3.6 本章小結

第4章 工程巖體神經網絡本構模型及其建立

4.1 引言

4.2 顯式本構模型與隱式本構模型的分析

4.3 人工神經網絡BP算法和程序實現(xiàn)

4.4 神經網絡本構模型的應用

4.5 本章小結

第5章 承壓區(qū)破裂巖采場巷道圍巖變形破壞機理

5.1 無底柱分段崩落采礦法采場支承壓力的形成與動態(tài)顯現(xiàn)

5.2 承壓區(qū)采場巷道圍巖變形破壞機理

5.3 巷道圍巖漸進破壞規(guī)律與主要破壞模式

5.4 影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素

5.5 本章小結

第6章 幾種典型的錨桿支護理論評價

6.2 主次承載區(qū)協(xié)調作用理論的基本假設

6.3 主次承載區(qū)協(xié)調作用支護理論的要點

6.4 主次承載區(qū)協(xié)調作用支護理論的實質

6.5 主次承載區(qū)協(xié)調作用支護理論的基本原則

6.6 本章小結

第7章 主次承載區(qū)支護理論力學分析與穩(wěn)定性評價

7.1 圓形巷道非靜水應力場主承載區(qū)的理論分析

7.2 非圓形巷道非靜水應力場主承載區(qū)的理論分析

7.3 點錨式錨桿支護的次承載區(qū)及力學分析

7.4 全長錨桿支護圍巖次承載區(qū)及力學分析

7.5 主次承載區(qū)的協(xié)調作用

7.6 本章小結

第8章 巷道圍巖變形機理和支護技術的數(shù)值模擬分析

8.1 數(shù)值計算方法的選擇

8.2 數(shù)值計算模型、基本參數(shù)和計算內容

8.3 數(shù)值計算中時間因素的分析

8.4 影響巷道圍巖穩(wěn)定性的因素分析

8.5 實際開采條件下的計算分析與驗證

8.6 本章小結

第9章 主次承載區(qū)協(xié)調作用支護理論關鍵技術和工程實施

9.1 巷道圍巖支護設計基本原則

9.2 小官莊鐵礦采場巷道的圍巖分類

9.3 基于主次承載區(qū)協(xié)調作用理論的“一次強化支護技術”

9.4 典型試驗段巷道支護設計、施工與綜合評價

9.5 本章小結

第10章 露井聯(lián)采邊坡下巷道變形破壞機理分析

10.1 巷道圍巖的工程地質特性分析

10.2 工作面回采對巷道影響分析

10.3 巷道圍巖地質條件對巷道穩(wěn)定性的影響

10.4 邊坡下巷道變形破壞機理分析

10.5 本章小結

第11章 露井聯(lián)采復合采動影響下巷道圍巖控制技術研究

11.1 巷道支護設計參數(shù)及試驗條件

11.2 受B401和B903復合采動影響邊坡下巷道支護對策研究

11.3 受B402和B904復合采動影響巷道變形控制技術研究

11.4 復合采動影響下巷道支護對策

11.5 本章小結

參考文獻2100433B