炭質(zhì)泥巖路堤濕化變形機(jī)理及控制研究項(xiàng)目摘要

隨著我國(guó)西部高速公路建設(shè)，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(zhì)泥巖地區(qū)修筑公路、鐵路不可避免地采用炭質(zhì)泥巖作為路堤填料，由于炭質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)與組分復(fù)雜，且具有浸水后巖體強(qiáng)度軟化、遇水后易崩解等特點(diǎn)，一旦路堤浸水或路面開裂地表水入滲會(huì)產(chǎn)生濕化變形，導(dǎo)致路堤變形和不均勻沉降甚至路堤邊坡失穩(wěn)。為此，本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)炭質(zhì)泥巖崩解破碎顆粒分布特征與路用性能的研究，分析炭質(zhì)泥巖崩解特性和水穩(wěn)性；利用CT掃描技術(shù)研究炭質(zhì)泥巖微結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬和理論分析，系統(tǒng)研究復(fù)雜應(yīng)力下（交通載荷）不同顆粒級(jí)配、壓實(shí)度炭質(zhì)泥巖路堤濕化變形機(jī)理。構(gòu)建炭質(zhì)泥巖高速公路路堤填筑技術(shù)、施工工藝和質(zhì)量檢測(cè)體系。其成果將為高速公路軟巖路堤修筑提供相應(yīng)技術(shù)參數(shù)和變形控制方法。

本項(xiàng)目根據(jù)炭質(zhì)泥巖的基本物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和工程實(shí)際情況，分別從以下七個(gè)方面對(duì)炭質(zhì)泥巖路堤濕化變形機(jī)理及控制技術(shù)進(jìn)行研究。 (1) 從依托項(xiàng)目水文地質(zhì)條件調(diào)查入手，結(jié)合室內(nèi)外試驗(yàn)從炭質(zhì)泥巖分布、巖性分析、室內(nèi)外崩解試驗(yàn)、崩解過(guò)程的分形特征及描述、分形崩解機(jī)理、崩解性控制等方面對(duì)炭質(zhì)泥巖的水理特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 (2)通過(guò)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的基本物理性質(zhì)、顆粒級(jí)配分布、CBR實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)回彈模量實(shí)驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)等一系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的路用性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 (3)通過(guò)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖三軸CT同步試驗(yàn)，對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖在受荷后的宏觀應(yīng)力-應(yīng)變特征以及內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律進(jìn)行了深入分析。 (4)通過(guò)復(fù)雜應(yīng)力條件下的炭質(zhì)泥巖濕化變形實(shí)驗(yàn)，分析了不同壓實(shí)度狀態(tài)下炭質(zhì)泥巖濕化變形規(guī)律，建立了基于鄧肯-張理論的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤的濕化變形力學(xué)模型，并進(jìn)行了數(shù)值實(shí)現(xiàn)。 (5)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖在不同壓實(shí)度條件下的滲透性質(zhì)。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(jié)合飽和-非飽和抗剪強(qiáng)度理論探討了降雨條件下的炭質(zhì)泥巖路堤穩(wěn)定性。 (6)以實(shí)際沉降觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，分別利用雙曲線模型、指數(shù)曲線模型、泊松曲線模型對(duì)炭質(zhì)泥巖路堤沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立了沉降預(yù)測(cè)模型。 (7)提出了炭質(zhì)泥巖填筑路堤關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)如何進(jìn)行地基處理、填料攤鋪方法、碾壓工藝以及施工流程等進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)與研究，得到炭質(zhì)泥巖填筑路堤在施工過(guò)程中的寶貴資料。 通過(guò)系統(tǒng)研究炭質(zhì)泥巖路堤濕化變形機(jī)理及控制技術(shù)，項(xiàng)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(qǐng)并授權(quán)獲得了專利3項(xiàng)，培養(yǎng)博士研究生1名，碩士研究生6名。其研究成果對(duì)炭質(zhì)泥巖廣泛分布地區(qū)路堤的設(shè)計(jì)、施工以及路堤長(zhǎng)期穩(wěn)定性的控制具有極大的指導(dǎo)意義。

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(duì)路基變形影響不可忽視。項(xiàng)目通過(guò)GDS非飽和土三軸儀、全自動(dòng)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(yàn)，研究了不同填筑干密度、粘土礦物含量、濕化應(yīng)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(qiáng)度變化規(guī)律，取得了一系列研究成果；通過(guò)試驗(yàn)獲得了部分濕化變形與應(yīng)力狀態(tài)及飽和度的關(guān)系式，建立了非飽和土擴(kuò)展非線性彈性本構(gòu)方程；同時(shí)從熱力學(xué)理論及液橋計(jì)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(jié)合突變理論從理論上建立了反映濕化效應(yīng)的濕化變形本構(gòu)關(guān)系，即建立了含水率、基質(zhì)吸力、濕化變形這三者之間的關(guān)系式；編制了可考慮部分濕化變形、強(qiáng)度隨含水率變化的飽和—非飽和滲流及應(yīng)力變形有限元程序。數(shù)值模擬了路基浸水下濕化效應(yīng)對(duì)路基沉降變形的影響規(guī)律，并與室內(nèi)路基模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(duì)路基沉降變形規(guī)律。結(jié)果表明填筑壓實(shí)度（干密度）對(duì)濕化變形影響較大；紅土性質(zhì)對(duì)濕化變形影響也大，壓實(shí)度相同情況下液限相對(duì)較高紅土濕化變形大；相同浸水高度下路堤越高產(chǎn)生的濕化變形越大；浸水高度越高產(chǎn)生的濕化變形也越大；結(jié)論對(duì)紅土地區(qū)路基設(shè)計(jì)及施工具有重要的指導(dǎo)意義。 2100433B

基于土體浸水濕化會(huì)同時(shí)引起其濕化變形及其強(qiáng)度變化的觀點(diǎn)，研究濕化效應(yīng)對(duì)高填方紅土路基變形影響。首先從試驗(yàn)上開展土體濕化效應(yīng)試驗(yàn)研究，包括紅土濕化變形三軸試驗(yàn)、非飽和紅土強(qiáng)度試驗(yàn)及降雨或浸水工況下紅土填方路基室內(nèi)大尺寸模型試驗(yàn)；研究干密度、初始含水率及級(jí)配等物理特性對(duì)濕化變形及強(qiáng)度變化影響規(guī)律，研究反復(fù)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(qiáng)度定量表達(dá)式；其次從理論上研究濕化效應(yīng)影響下飽和-非飽和土體滲透固結(jié)規(guī)律，建立能考慮土體濕化變形以及非飽和土強(qiáng)度隨含水率變化的飽和-非飽和滲透固結(jié)耦合方程，研究其在巖土工程有限元計(jì)算中應(yīng)用方法，完成相應(yīng)有限元計(jì)算編程；利用開發(fā)程序分析濕化效應(yīng)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(jí)配及車輛荷載等因素對(duì)路基沉降變形影響；根據(jù)數(shù)值分析成果與室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果，提出相應(yīng)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(shí)際意義

1.6 主要研究思路

第2章 破裂巖礦物晶體化學(xué)特性研究

2.1 礦巖成分分析

2.2 破裂巖的微結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

2.3 破裂巖的水理性

2.4 本章小結(jié)

第3章 裂隙巖峰后滑移剪膨變形機(jī)理研究

3.1 引言

3.2 巖石的三軸壓縮試驗(yàn)

3.3 不同側(cè)壓下巖石變形和破壞特征

3.4 基于三軸壓縮試驗(yàn)的巖石破壞準(zhǔn)則

3.5 基于三軸壓縮試驗(yàn)的巖石損傷演化方程

3.6 本章小結(jié)

第4章 工程巖體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本構(gòu)模型及其建立

4.1 引言

4.2 顯式本構(gòu)模型與隱式本構(gòu)模型的分析

4.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法和程序?qū)崿F(xiàn)

4.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本構(gòu)模型的應(yīng)用

4.5 本章小結(jié)

第5章 承壓區(qū)破裂巖采場(chǎng)巷道圍巖變形破壞機(jī)理

5.1 無(wú)底柱分段崩落采礦法采場(chǎng)支承壓力的形成與動(dòng)態(tài)顯現(xiàn)

5.2 承壓區(qū)采場(chǎng)巷道圍巖變形破壞機(jī)理

5.3 巷道圍巖漸進(jìn)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(jié)

第6章 幾種典型的錨桿支護(hù)理論評(píng)價(jià)

6.2 主次承載區(qū)協(xié)調(diào)作用理論的基本假設(shè)

6.3 主次承載區(qū)協(xié)調(diào)作用支護(hù)理論的要點(diǎn)

6.4 主次承載區(qū)協(xié)調(diào)作用支護(hù)理論的實(shí)質(zhì)

6.5 主次承載區(qū)協(xié)調(diào)作用支護(hù)理論的基本原則

6.6 本章小結(jié)

第7章 主次承載區(qū)支護(hù)理論力學(xué)分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

7.1 圓形巷道非靜水應(yīng)力場(chǎng)主承載區(qū)的理論分析

7.2 非圓形巷道非靜水應(yīng)力場(chǎng)主承載區(qū)的理論分析

7.3 點(diǎn)錨式錨桿支護(hù)的次承載區(qū)及力學(xué)分析

7.4 全長(zhǎng)錨桿支護(hù)圍巖次承載區(qū)及力學(xué)分析

7.5 主次承載區(qū)的協(xié)調(diào)作用

7.6 本章小結(jié)

第8章 巷道圍巖變形機(jī)理和支護(hù)技術(shù)的數(shù)值模擬分析

8.1 數(shù)值計(jì)算方法的選擇

8.2 數(shù)值計(jì)算模型、基本參數(shù)和計(jì)算內(nèi)容

8.3 數(shù)值計(jì)算中時(shí)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(shí)際開采條件下的計(jì)算分析與驗(yàn)證

8.6 本章小結(jié)

第9章 主次承載區(qū)協(xié)調(diào)作用支護(hù)理論關(guān)鍵技術(shù)和工程實(shí)施

9.1 巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)基本原則

9.2 小官莊鐵礦采場(chǎng)巷道的圍巖分類

9.3 基于主次承載區(qū)協(xié)調(diào)作用理論的“一次強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)”

9.4 典型試驗(yàn)段巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、施工與綜合評(píng)價(jià)

9.5 本章小結(jié)

第10章 露井聯(lián)采邊坡下巷道變形破壞機(jī)理分析

10.1 巷道圍巖的工程地質(zhì)特性分析

10.2 工作面回采對(duì)巷道影響分析

10.3 巷道圍巖地質(zhì)條件對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

10.4 邊坡下巷道變形破壞機(jī)理分析

10.5 本章小結(jié)

第11章 露井聯(lián)采復(fù)合采動(dòng)影響下巷道圍巖控制技術(shù)研究

11.1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)及試驗(yàn)條件

11.2 受B401和B903復(fù)合采動(dòng)影響邊坡下巷道支護(hù)對(duì)策研究

11.3 受B402和B904復(fù)合采動(dòng)影響巷道變形控制技術(shù)研究

11.4 復(fù)合采動(dòng)影響下巷道支護(hù)對(duì)策

11.5 本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)2100433B