我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,促進(jìn)了公路網(wǎng)的日益完善,不可避免的遇到公路下壓煤開采引起的交通安全問題。為科學(xué)預(yù)測公路下采煤引起的公路損壞程度、優(yōu)化設(shè)計(jì)公路下采煤沉陷控制技術(shù)方案和保障公路交通運(yùn)輸安全,必須掌握采動(dòng)影響下公路變形破壞規(guī)律和建立可靠的采動(dòng)區(qū)公路變形預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)。本文通過理論分析、相似材料模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場調(diào)研與實(shí)測相結(jié)合的方法,對采動(dòng)影響下高等級(jí)公路的變形破壞機(jī)理;地基、路基、路面協(xié)同變形規(guī)律;高等級(jí)公路變形特征及破壞指標(biāo);公路沉陷變形監(jiān)測與預(yù)報(bào)等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,目的是揭示高等級(jí)公路的采動(dòng)變形機(jī)理和變形規(guī)律,制定高等級(jí)公路采動(dòng)變形破壞指標(biāo)和分級(jí)指標(biāo),然后通過煤礦開采區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測和公路沉陷預(yù)測模型建立采動(dòng)區(qū)高等級(jí)公路安全監(jiān)測預(yù)報(bào)體系,取得主要成果如下:(1)通過相似材料模型試驗(yàn),模擬研究了采煤過程中公路路基變形破壞的發(fā)育過程、形式及變形特征。研究表明,采動(dòng)影響路基沉陷變形自下而上逐漸發(fā)展到路面,變形過程在空間上具有基本連續(xù)性、在時(shí)間上具有一定的滯后性;變形程度因公路結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度抵消了部分變形,致使沉降量逐漸減少,而水平位移逐漸增大。在采動(dòng)初期路基、路面各分層與地基隨地下采煤工作面開采同步連續(xù)下沉,路基內(nèi)部各分層的移動(dòng)方向具有一致性,隨著地基下沉量的增加,路基各層下沉量也明顯增加,路基內(nèi)部沒有出現(xiàn)明顯離層發(fā)育和變形裂縫。(2)通過數(shù)值模擬試驗(yàn)研究了采動(dòng)過程中路面剛度、路面厚度、路面材料、公路與采空區(qū)相對位置、路基高度等因素對高等級(jí)公路的變形破壞及內(nèi)部應(yīng)力演化規(guī)律的影響,揭示了高等級(jí)公路受地下開采影響引起的路基路面變形破壞規(guī)律。研究結(jié)果表明:(1)路面剛度是影響采動(dòng)區(qū)公路變形特性的重要因素,路面剛度越大,路面、路基的下沉差異就越大,在交通荷載的作用下路面損壞就越嚴(yán)重;半剛性路面、剛性路面水平移動(dòng)的范圍和數(shù)值一般大于地基水平移動(dòng)值,隨著采動(dòng)程度增大,路面與地基水平移動(dòng)值增加但二者增加速度不同致絕對差值變大;受采動(dòng)影響,在路基、路面內(nèi)部產(chǎn)生的附加水平應(yīng)力分布規(guī)律基本相同,路面的應(yīng)力值遠(yuǎn)大于路基值,路面拉伸應(yīng)力極值隨地基變形極值的增加而增大到一定值后不再增加而保持恒定;剛性路面具有較強(qiáng)的抗變形能力,但剛度太大又容易造成路面與路基離層。在車輛荷載的沖擊下,一旦超過其最大抗拉強(qiáng)度,很小的變形就造成其破碎。(2)路面厚度增加有助于提高路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,增加其抗變形能力。研究結(jié)果表明隨著路面厚度的增加,公路與地基下沉、水平移動(dòng)具有穩(wěn)定的數(shù)學(xué)關(guān)系。首先路面的下沉值會(huì)有一定增加,但幅度有限;而路面水平移動(dòng)值卻隨著路面厚度的增加而減小;路面內(nèi)的拉應(yīng)力隨著路面厚度的增加而減小,而壓應(yīng)力隨之產(chǎn)生并增大,有利于保持路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。(3)路面材料不同也影響著公路抗變形能力,剛性路面材料水平壓縮應(yīng)力和壓應(yīng)力明顯大于半剛性路面材料的指標(biāo)值,因此剛性路面抗變形能力強(qiáng)。(4)公路與采空區(qū)相對位置不同,公路主變形方向和變形過程存在明顯差異。隨著公路走向與工作面推進(jìn)方向之間夾角的增加,路面縱向變形極值增加,線路橫向水平移動(dòng)值先增加后減小。(3)結(jié)合相似材料模擬和數(shù)值模擬結(jié)果分析了開采沉陷引起的地基、路基、路面變形破壞過程和發(fā)育機(jī)理。以鄒城-濟(jì)寧一級(jí)公路南屯井田段為研究對象,利用數(shù)值模擬成果并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),分析了采動(dòng)影響下半剛性基層瀝青路面破壞程度與地表(地基)變形的關(guān)系,制定了高等級(jí)公路采動(dòng)變形破壞分級(jí)指標(biāo)。(4)構(gòu)建了基于D-In SAR技術(shù)、水準(zhǔn)測量、GPS測量數(shù)據(jù)耦合,并與開采沉陷預(yù)計(jì)技術(shù)相結(jié)合的采動(dòng)區(qū)高等級(jí)公路監(jiān)測、預(yù)測與預(yù)警體系。并通過SBAS時(shí)序分析技術(shù)手段進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理,提高了數(shù)據(jù)利用率和區(qū)域監(jiān)測精度,優(yōu)化了采動(dòng)沉陷概率積分法模型預(yù)計(jì)參數(shù),提高了高等級(jí)公路采動(dòng)損壞預(yù)報(bào)精度,為公路交通部門制定采煤塌陷區(qū)公路治理和安全預(yù)警提供了科學(xué)依據(jù)。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U418;TD325
【部分圖文】：

1 緒論1 Introduction1.1 研究的背景及意義(Research Background and Significanc1.1.1 選題背景我國是煤炭資源大國，其開發(fā)和利用在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要的戰(zhàn)略地位圖 1-1 可以看出，近年來我國煤炭消費(fèi)量一直呈現(xiàn)增長趨勢。圖 1-2 則說017 年煤炭在我國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)所占的比例，由此表明隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對煤炭資源的需求也不斷增加，煤炭資源將長期在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中導(dǎo)作用。但是由于“三下”壓煤原因，致使煤炭資源開采回收率只有 40%-6]，因此 “三下”壓煤開采后留下的采空區(qū)，打破了圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)應(yīng)力重新分布，實(shí)現(xiàn)新的平衡。在此過程中，“開采沉陷”造成的地表移形、破壞地質(zhì)災(zāi)害[7-8]，不僅造成礦區(qū)耕地面積減少，影響生態(tài)環(huán)境，而對地面上的建、構(gòu)筑物造成嚴(yán)重的損害[9-11]，影響礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

但是由于“三下”壓煤原因，致使煤炭資源開采回收率只有“三下”壓煤開采后留下的采空區(qū)，打破了圍巖的應(yīng)力平衡分布，實(shí)現(xiàn)新的平衡。在此過程中，“開采沉陷”造成的地地質(zhì)災(zāi)害[7-8]，不僅造成礦區(qū)耕地面積減少，影響生態(tài)環(huán)境的建、構(gòu)筑物造成嚴(yán)重的損害[9-11]，影響礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。圖 1-1 我國煤炭產(chǎn)量增長趨勢[3]Figure 1-1 Coal Production Growth Trend of China

博士學(xué)位論文速增長，不可避免經(jīng)過煤礦產(chǎn)區(qū)，如何保證公路不受開采影響就成重要課題。圖 1-3~圖 1-4 反映了到 2017 年末，我國公路交通基礎(chǔ)的態(tài)勢和各級(jí)公路里程的構(gòu)成。說明公路交通設(shè)施特別是高等級(jí)公和諧發(fā)展的重要組成部分和載體。高等級(jí)公路行車速度快，交通流持公路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，減少采煤沉陷變形影響，確保車輛安全運(yùn)行就具意義[14-21]。由于高等級(jí)公路為縱向延伸長，橫向?qū)挾容^小的線性構(gòu)采動(dòng)沉陷變形能力較弱，因此在高等級(jí)公路下采煤通常是通過一些措施來控制變形，以犧牲壓煤開采量為代價(jià)使采動(dòng)影響下公路移動(dòng)范圍內(nèi)[12,13]。因此既要提高采煤的利用率，又要保證高等級(jí)公路路定和不被破壞，迫切需要系統(tǒng)研究煤礦開采沉陷造成的巖層冒落、起的高等級(jí)公路路基路面變形規(guī)律及破壞機(jī)理，對預(yù)防高等級(jí)公路道路的安全運(yùn)營和通暢十分重要。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2852622