高等级公路采动变形机理与损害评价指标研究

发布时间：2020-10-23 05:38

　　 我国经济的快速发展,促进了公路网的日益完善,不可避免的遇到公路下压煤开采引起的交通安全问题。为科学预测公路下采煤引起的公路损坏程度、优化设计公路下采煤沉陷控制技术方案和保障公路交通运输安全,必须掌握采动影响下公路变形破坏规律和建立可靠的采动区公路变形预测预警系统。本文通过理论分析、相似材料模拟、数值模拟和现场调研与实测相结合的方法,对采动影响下高等级公路的变形破坏机理;地基、路基、路面协同变形规律;高等级公路变形特征及破坏指标;公路沉陷变形监测与预报等进行了系统的研究,目的是揭示高等级公路的采动变形机理和变形规律,制定高等级公路采动变形破坏指标和分级指标,然后通过煤矿开采区动态监测和公路沉陷预测模型建立采动区高等级公路安全监测预报体系,取得主要成果如下:(1)通过相似材料模型试验,模拟研究了采煤过程中公路路基变形破坏的发育过程、形式及变形特征。研究表明,采动影响路基沉陷变形自下而上逐渐发展到路面,变形过程在空间上具有基本连续性、在时间上具有一定的滞后性;变形程度因公路结构层强度抵消了部分变形,致使沉降量逐渐减少,而水平位移逐渐增大。在采动初期路基、路面各分层与地基随地下采煤工作面开采同步连续下沉,路基内部各分层的移动方向具有一致性,随着地基下沉量的增加,路基各层下沉量也明显增加,路基内部没有出现明显离层发育和变形裂缝。(2)通过数值模拟试验研究了采动过程中路面刚度、路面厚度、路面材料、公路与采空区相对位置、路基高度等因素对高等级公路的变形破坏及内部应力演化规律的影响,揭示了高等级公路受地下开采影响引起的路基路面变形破坏规律。研究结果表明:(1)路面刚度是影响采动区公路变形特性的重要因素,路面刚度越大,路面、路基的下沉差异就越大,在交通荷载的作用下路面损坏就越严重;半刚性路面、刚性路面水平移动的范围和数值一般大于地基水平移动值,随着采动程度增大,路面与地基水平移动值增加但二者增加速度不同致绝对差值变大;受采动影响,在路基、路面内部产生的附加水平应力分布规律基本相同,路面的应力值远大于路基值,路面拉伸应力极值随地基变形极值的增加而增大到一定值后不再增加而保持恒定;刚性路面具有较强的抗变形能力,但刚度太大又容易造成路面与路基离层。在车辆荷载的冲击下,一旦超过其最大抗拉强度,很小的变形就造成其破碎。(2)路面厚度增加有助于提高路面结构稳定性,增加其抗变形能力。研究结果表明随着路面厚度的增加,公路与地基下沉、水平移动具有稳定的数学关系。首先路面的下沉值会有一定增加,但幅度有限;而路面水平移动值却随着路面厚度的增加而减小;路面内的拉应力随着路面厚度的增加而减小,而压应力随之产生并增大,有利于保持路面结构稳定。(3)路面材料不同也影响着公路抗变形能力,刚性路面材料水平压缩应力和压应力明显大于半刚性路面材料的指标值,因此刚性路面抗变形能力强。(4)公路与采空区相对位置不同,公路主变形方向和变形过程存在明显差异。随着公路走向与工作面推进方向之间夹角的增加,路面纵向变形极值增加,线路横向水平移动值先增加后减小。(3)结合相似材料模拟和数值模拟结果分析了开采沉陷引起的地基、路基、路面变形破坏过程和发育机理。以邹城-济宁一级公路南屯井田段为研究对象,利用数值模拟成果并结合现场实测数据,分析了采动影响下半刚性基层沥青路面破坏程度与地表(地基)变形的关系,制定了高等级公路采动变形破坏分级指标。(4)构建了基于D-In SAR技术、水准测量、GPS测量数据耦合,并与开采沉陷预计技术相结合的采动区高等级公路监测、预测与预警体系。并通过SBAS时序分析技术手段进行了数据处理,提高了数据利用率和区域监测精度,优化了采动沉陷概率积分法模型预计参数,提高了高等级公路采动损坏预报精度,为公路交通部门制定采煤塌陷区公路治理和安全预警提供了科学依据。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U418;TD325
【部分图文】：

1 绪论1 Introduction1.1 研究的背景及意义(Research Background and Significanc1.1.1 选题背景我国是煤炭资源大国，其开发和利用在经济建设中占有重要的战略地位图 1-1 可以看出，近年来我国煤炭消费量一直呈现增长趋势。图 1-2 则说017 年煤炭在我国一次能源消费结构所占的比例，由此表明随着国民经济发展，对煤炭资源的需求也不断增加，煤炭资源将长期在中国经济发展中导作用。但是由于“三下”压煤原因，致使煤炭资源开采回收率只有 40%-6]，因此 “三下”压煤开采后留下的采空区，打破了围岩的应力平衡状态应力重新分布，实现新的平衡。在此过程中，“开采沉陷”造成的地表移形、破坏地质灾害[7-8]，不仅造成矿区耕地面积减少，影响生态环境，而对地面上的建、构筑物造成严重的损害[9-11]，影响矿区可持续发展。

但是由于“三下”压煤原因，致使煤炭资源开采回收率只有“三下”压煤开采后留下的采空区，打破了围岩的应力平衡分布，实现新的平衡。在此过程中，“开采沉陷”造成的地地质灾害[7-8]，不仅造成矿区耕地面积减少，影响生态环境的建、构筑物造成严重的损害[9-11]，影响矿区可持续发展。图 1-1 我国煤炭产量增长趋势[3]Figure 1-1 Coal Production Growth Trend of China

博士学位论文速增长，不可避免经过煤矿产区，如何保证公路不受开采影响就成重要课题。图 1-3~图 1-4 反映了到 2017 年末，我国公路交通基础的态势和各级公路里程的构成。说明公路交通设施特别是高等级公和谐发展的重要组成部分和载体。高等级公路行车速度快，交通流持公路结构稳定，减少采煤沉陷变形影响，确保车辆安全运行就具意义[14-21]。由于高等级公路为纵向延伸长，横向宽度较小的线性构采动沉陷变形能力较弱，因此在高等级公路下采煤通常是通过一些措施来控制变形，以牺牲压煤开采量为代价使采动影响下公路移动范围内[12,13]。因此既要提高采煤的利用率，又要保证高等级公路路定和不被破坏，迫切需要系统研究煤矿开采沉陷造成的岩层冒落、起的高等级公路路基路面变形规律及破坏机理，对预防高等级公路道路的安全运营和通畅十分重要。
【参考文献】

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本文编号：2852622