高速公路與下伏采空區(qū)相互作用分析理論與處理技術研究.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)高速公路建設帶來了特殊的困難與特殊的要求.一般在工程建設中盡量避開,但礦區(qū)采空區(qū)往往星羅棋布,高速公路建設不可避免地要穿越采空區(qū),必須對采空區(qū)進行處治.中國采空區(qū)高速公路建設技術尚處于摸索階段,雖積累了一定的工程經(jīng)驗,但尚未形成成熟的治理技術,由此導致了經(jīng)濟技術等方面的一系列問題,特別是對于多層復雜采空區(qū)的處理問題尚處于空白.該文針對高速公路與下伏

2、采空區(qū)相互作用分析理論及其采空區(qū)處理技術進行了系統(tǒng)的研究.(1)全面回顧總結了國內外關于采空區(qū)問題的研究現(xiàn)狀,對采空區(qū)特殊地基高速公路建設存在的五個技術難題進行了綜合分析,包括:高速公路與采空區(qū)相互作用分析理論、采空區(qū)的勘察評價、變形穩(wěn)定性評價、采空區(qū)治理理論及其質量評價技術.(2)對公路下采空區(qū)三維空間發(fā)育特征現(xiàn)場探測技術進行了試驗研究,并總結相關資料,提出了采空區(qū)探測技術方法組合體系,推薦了各種地質條件下宜選擇的探測方法.(3)結合

3、高速公路路基工程的特點,在研究采空區(qū)地表剩余移動與變形規(guī)律基礎上,提出了多層傾斜復雜地質條件下采空區(qū)的變形與穩(wěn)定性實用評價方法,以地質經(jīng)驗法定性評估,以預計評價方法、二維及三維有限單元法定量計算.提出了采空區(qū)對公路工程影響程度初步評估方法及公路建設適宜性定性評價方法,并根據(jù)地表剩余下沉、傾斜、水平變形與曲率四個指標,提出了采空區(qū)特殊路基穩(wěn)定分區(qū)標準.(4)以巖體結構控制論為基礎,深入分析采空區(qū)三帶發(fā)育的特點,融合信息技術,建立了采空區(qū)二

4、維及三維工程地質模型,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)定性評價工作提出了可靠工程地質模型.在此基礎上,重點研究了多層傾斜復雜采空區(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)值模擬的關鍵技術處理方法.并根據(jù)實際工程三維數(shù)值模擬結果,分析了多層傾斜采空區(qū)地基移動與變形、圍巖與煤柱應力分布規(guī)律,提出采空區(qū)地基承載力及圍巖穩(wěn)定性標準,對處治方案進行了驗證模擬.(5)采用理論分析與有

5、限元數(shù)值模擬相結合的方法對高速公路-采空區(qū)相互作用理論進行了分析,提出了采動對高速公路路基路面的損害計算與評價方法.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)應用巖體結構力學、流體力學及滲流力學等理論,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)不同注漿結構部位的理論模型,包括采空區(qū)空洞或巷道的一維"管道"模型、離層與接觸風化帶等結構面二維模型、導水裂隙帶三維模型.并推導了三種不同

6、擴散模型下漿液有效擴散距離計算公式,計算并分析了有效擴散半徑與注漿壓力、注漿時間、地層裂隙性質及漿液性質之間的相互關系.計算結果與現(xiàn)場及室內試驗的結果相吻合,說明了模型的合理性.(7)通過室內單因素試驗、二次回歸正交試驗及現(xiàn)場可注性試驗,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關系,并提出了各種技