地下采矿对地基稳定性的微细观扰动机理研究

地下采矿造成地表沉陷和水平变形，并引起土体中孔隙水压变化，改变土体的微细观结构，进而影响地基土体的工程特性以及地基稳定性。在国家自然科学基金小额项目煤矿采动区大变形条件下桥梁及地基的加固方式研究（No.50574088）成果的基础上，本课题以室内试验和现场试验为手段，从土的微细观角度研究地下采矿对天然土体和经加固后的水泥土体的扰动机理，采用扫描电镜、超声探测等现代测试手段，研究开采扰动对土体孔隙度、孔隙比水平和垂直方向上颗粒粒径、扁圆度、颗粒定向度等微细观结构的影响特点；采用有限差分－离散元耦合数值分析方法，再现开采扰动影响下土体微细观结构变形和破坏的全过程；研究开采扰动影响下土体微细观结构与宏观力学性质的关系，从本质上揭示开采扰动对土体宏观力学性质的影响规律；用弹塑性理论建立地基土体发生弹性、塑性变形和软化破坏的数学模型，研究考虑开采扰动影响的采动区建（构）筑物地基稳定性计算方法。 2100433B

运用统计相关和奇异值分解方法，系统地考察了非绝热加热对大气局地扰动位能的响特征和机理问题。分析结果表明，热带地区海表温度异常和扰动位能的耦合相关特征与厄尔尼诺和南方涛动变率的关系密切，扰动位能在热带外地区的耦合模态空间型呈现出与北太平洋—北美大气遥相关型极为相似的分布特征。

位能表面温度与扰动位能的相关关系

海表温度异常对于大气系统热力动力过程的影响是知道的，同样作为下垫面边界条件，陆面温度的异常变化也必然会对大气局部能量有效性造成影响。因此，在对SST场异常以及特征指数与大气扰动位能相关关系进行分析基础上，这里简要考察表面温度（SurfaceAirTemperature，SAT）与扰动位能的局地单点相关关系。

扰动位能和表面温度的点对点局地相关系数分布情况。可以看出，全球各个格点在四个季节PPE和SAT的相关系数均大于0，呈现正相关特征，相关不显著区域主要集中于夏半球，1月份分布在澳洲和南大洋以及热带地区，而月份则分布在北太平洋和北大西洋海区以及热带和南极附近；春秋过渡季节阴影区显著减小，主要集中于热带，但春季4月份南极大陆几乎都未通过严格的显著性检验。总体来看，陆面温度和扰动位能的相关要好于海面。

扰动位能反映的是局地能量的有效性，它与局地温度相对于全球平均的偏差有关，因而，表面温度与局地扰动位能的显著相关是容易理解的，这也反映出两者变化具有一致性。当然，在不同季节也会出现相关相对较弱的个别区域，这些情况可能与其它未知因素有关。

位能热带地区Q1和扰动位能的SVD分析

在单点相关分析基础上，进一步以Q₁为左场，以大气扰动位能为右场进行了SVD场相关分析，并按照热带地区Q₁和扰动位能之间，以及北半球热带外Q₁和扰动位能之间两种情况来分别开展研究。

首先，以冬季热带地区的视热源Q₁为左场，以该地区整层积分的扰动位能为右场进行SVD分析，其目的是考察低纬以潜热为主的非绝热加热率与局地能量有效性的相关关系。第一模态解释两个场之间的总协方差平方和的62.18%，能够代表两个场耦合变化型的主要特征，解释Q₁方差的27.02%，解释整层扰动位能方差的7.03%，两个场的耦合变化型显然在Q₁场中占较大的方差比例。第二耦合模态的方差贡献则远不及第一模态，其仍在Q₁场中的贡献很大。大部分耦合模态左右场展开时间系数之间的相关可达0.7以上，通过了99.9%的信度检验。

通过地下水渗流的室内模型试验，利用显微数码摄像可视化跟踪技术和数字图像变形量测技术观察和摄录地下水位面变化过程中土颗粒的移动轨迹，为地下水渗流引起无粘性土层沉降的细观机理分析和颗粒流数值模拟提供试验数据；并从土体内部流固耦合机制的细观层面上分析地下水渗流与土颗粒介质之间的相互作用，深入研究地下水渗流引起无粘性土层沉降的细观力学机理。基于颗粒流理论，建立地下水位面变化过程中无粘性土层沉降发展变化规律的细观理论模型，并在PFC计算软件的基础上进行二次开发，对地下水渗流过程中土颗粒的移动规律进行细观模拟，进一步从细观角度深入理解和认识地下水渗流引起无粘性土层沉降的机理；结合上海等地区无粘性土层沉降的观测资料，利用研究取得的渗流引起无粘性土层沉降机理的细观力学分析理论和相应方法，把理论预测的土层沉降结果与实际的观测资料进行对比，为地面沉降灾害的预测和治理提供参考意见。

随着人类活动的发展，地面沉降问题越来越突出，严重时会成为一种地质灾害。其中地下水的过度开采造成地面沉降已经得到普遍证实，成为制约很多城市发展的原因之一，对此很多学者提出了地下水回灌的措施来减小沉降，实际工程中也得到了应用。因此，地下水的开采和回灌问题成为了岩土工程领域研究的一个热点。 该课题在前人研究的基础之上，用室内模型试验来研究沉降机理，设计了可行的试验设备，对不同密实度的砂土进行反复的排水和回灌试验，测量试样的竖向变形，并记录水位的高度变化。在砂土的细观分析上，利用数字显微镜、数码相机和数字处理技术研究砂土颗粒的变化规律，分析细观特征参数的变化。在不同的密实度条件下，通过记录的孔隙水压力和土压力，分析砂土的应力变化规律，在排水和回灌的初期变形以弹性变形为主，随着排灌的次数的增加，砂土结构发生重组，变形较大，产生了不可恢复的塑性和粘性变形，最后砂土试样逐渐稳定，变形明显减小。通过对CCD系统摄录图片的分析，每次排水和回灌后砂土颗粒的上下位移较为明显，转动角度相对较小；通过对数码图片处理后清楚地呈现出排水和回灌过程中颗粒的移动过程。在试验研究的基础上，运用PFC颗粒流模拟密砂的排水和回灌过程，通过边界条件的设置来模拟水量控制，主要分析颗粒的下降和回弹量，同时分析颗粒的孔隙率、位移场和流体单元速度场变化。 基于洋山深水港区地基沉降观测数据，采用不同的回归模型对不同地质条件下的地基沉降进行非线性回归分析。研究结果表明，除了在地基沉降的初期阶段有一些差异外，所有模型的回归曲线与实测沉降吻合的很好。通过回归分析得到的模型参数可作为其他类似地质条件下重要工程地基沉降预测的参考。 该研究工作有助于我们进一步认识地面沉降机理、合理地开采地下水和科学地回灌，对于水资源的管理可以提供重要的参考。 2100433B