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地下煤矿开采对高速公路路基路面变形影响研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.3.3 本文技术路线

第二章 采空区地表和路基变形规律分析

2.1.1 岩层破坏机理

2.1.2 岩层破坏类型

2.1.3 采场围岩应力分析

2.2 地表移动规律及路基破坏类型

2.2.1 采空区地表移动变形的规律

2.2.2 采空区地表移动的时间规律

2.2.3 地表公路路基变形破坏

2.3 影响地表变形因素

2.3.1 煤层倾角对地表变形的影响

2.3.2 采空区规模对地表变形的影响

2.3.3 开采深厚比对地表变形的影响

2.3.4 车辆动荷载对地表路基变形的影响

2.4 路基路面变形规律

2.4.1 路基稳定性分析

2.4.2 路基的水平变化规律

2.4.3 路基的竖直移动规律

2.4.4 路基曲率的变化规律

2.5 本章小结

第三章 路基路面变形计算分析

3.1.路基强度指标

3.1.1 土基回弹模量

3.1.2 地基反应模量

3.2 积分法计算地表变形

3.2.1 二维积分变换方法计算地表变形

3.2.2 概率积分法计算地表变形

3.3 路基受荷载作用变形计算

3.3.1 集中力作用下瞬时沉降

3.3.2 线荷载作用下瞬时沉降

3.3.3 条形荷载作用下瞬时沉降

3.3.4 主固结沉降的计算

3.4 路面受荷载作用变形计算

3.4.1 路面结构层受力变形

3.4.2 弹性层状路面下沉计算

3.5 本章小结

第四章 软件模拟采空区地表路基路面变形

4.1 软件FIAC3D概述

4.2 FLAC3D数值模拟

4.2.1 模型建立

4.2.2 参数条件

4.3 煤层埋深和厚度之比对地表变形分析

4.3.1 竖直方向变形结果分析

4.3.2 水平方向变形结果分析

4.3.3 煤层顶板各岩层应力分析

4.4 不同煤层倾角下的地表变形分析

4.4.1 竖直方向变形分析

4.4.2 水平方向变形分析

4.5 不同载重对路基路面变形分析

4.5.1 加载范围和加载方式

4.5.2 路面结构位移分析

4.6 车辆速度对路基路面变形分析

4.6.1 车辆动荷载频率的施加

4.6.2 路面应力应变响应分析

4.7 路面沉降监测分析

4.7.1 路面监测点布置

4.7.2 路面结构位移分析

4.8 本章小结

第五章 工程实例应用

5.1 矿区及高速公路概况

5.2 地质概况

5.3 含煤性

5.4 矿区地表下沉验算

5.4.1 理论计算地表变形

5.4.2 矿区地表变形监测分析

5.4.3 计算与实测沉降对比分析

5.5 治理措施

5.5.1 压力注浆的治理范围

5.5.2 注浆后位移变化量

5.6 地表稳定等级的划分

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要工作内容

6.2 结论

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

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摘要

我国煤炭资源十分丰富,煤炭为我国的工业以及其他领域的发展提供了重要能源。随之而来问题是,国内下穿公路的采空区现象越来越多,由于煤层被采出,地表发生下沉,使得路基失稳、路面开裂,加上雨水渗入,公路路基破坏加剧,进而影响正常行车安全。针对这些路基路面破坏的现象,本研究以重庆南川至万盛高速公路路段下方采煤活动为依托,利用FLAC3D软件数值模拟,对地表以及路面变形规律进行了分析,主要做了以下几个方面的工作:
  (1)对3种不同深厚比的煤层进行模拟,结果表明:煤层深厚比越小,地表下沉会越大。岩层等值线会以70°的影响变形角沿着上覆岩层延伸至地表,两侧变化曲线呈对称分布,各岩层在地表形成的沉降区域大于实际的采空区面积。位于采空区中心对应的地表位置下沉最大。
  (2)对不同煤层倾角进行模拟分析,结果表明:岩层的移动是一个连续动态的过程,地表变形量和煤层倾角呈线性关系,倾角越大时,地表受煤层开采影响范围越大,竖直方向变形要比水平方向剧烈。
  (3)从不同车速频率对路面变形的分析,结果表明:受煤层开采影响的变形路面,在受到行车荷载作用时,对路面变形影响最大的车速为60km/h,随着作用时间的增加,路面的下沉变形将增大。
  (4)模拟不同载重车辆对采空区路面扰动的二次变形的影响,结果表明:车辆轮压越大,路面下沉越严重,在1.17MPa轮压作用下,路面下沉最大为36.4mm。路面各结构层的应力随着深度的增大逐渐降低,当深度达到0.48m时,在竖直方向的应力已经很小。
  (5)分析沿路线纵向100m范围路面下沉情况,结果表明:当采煤工作面经过路基下方,沿路线纵向的下沉会出现左右对称的不均匀沉降,在采空区中心位置对应的路面沉降最大。确定地下煤层开采对地表影响的等级范围,为以后拟建公路的布线、方案比选提供依据。
  (6)用积分计算法对地表和路面的变形进行验算,建模结果和理论计算结果相一致,得出对路面变形影响最小的变形容许值,即:地表倾斜小于等于3.0mm/m,地表水平变形小于等于2.0mm/m。对于高速公路的路面下沉值应小于等于25mm,如果超过容许值,需要在变形路段范围进行离层注浆加固。

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