采动区桥体结构整体稳定机理研究

The exploiting of underground mine has caused more than 10 billion square meters of ground surface subsidence in China, which increase more than 60 million square meters per year. Foundation and up structure of buildings and bridges damage during the development of surface subsidence, which affect the normal use or even lead to security incidents. This theme focus on the global stability of bridge structures in mining subsidence area: (1) Study the pressure changes of bridge foundation or soil to establish the stress boundary of bridge structures; (2) Analyze the transfer law of load and deformation between the soil and bridge structure, derive the interface mechanical model between immersion soil and bridge structure; (3) Establish the interaction model of soil-bridge structure in mining subsidence area, reveal the evolution rules of the additional internal force and additional deformation of the bridge structure induced by the dynamic ground deformation; (4) Determine the key factors that influence the global stability of the bridge structure in the mining subsidence area, reveal the local and global stability mechanism of the bridge structure. The study of this project provides theoretical evaluation of the influence of dynamic ground deformation on the bridge structures, guarantees the safety and stability of the new-built or reformed bridge structures, which possesses important theoretic significance and social benefits.

我国煤炭开采已造成100多万公顷地表塌陷、每年还以6万多公顷的速度增加，在地表塌陷过程中引起地面建筑物、桥梁等地基基础和上部结构破坏、影响正常使用甚至引发安全事故。本课题针对采动区桥体结构整体稳定开展四个方面的研究：（1）采动区地表变形引起的桥体基础或地基土压力的变化规律，建立采动区桥体的应力边界；（2）研究采动区地基与桥体结构之间载荷、变形的传递规律，建立采动区浸水地基-桥体结构界面力学模型；（3）建立采动区地基-桥体结构协同作用力学模型，揭示采动区动态地表变形引起的桥体结构附加内力和附加变形的演化规律；（4）研究采动区桥体结构整体稳定的关键影响因素，揭示采动区桥体结构关键部位和整体稳定的机理。该项目的研究为评价动态地表变形对桥体结构的影响程度、为保证采动区新建及改造桥体结构的安全提供理论依据，具有重要的理论意义和社会效益。

该项目用了四年时间，完成了项目申报时的预期研究目标，取得了丰硕的研究成果。通过采动区地基土的实验室试验，研究了采动区地表变形对地基土的孔隙率、含水率、粘聚力、内摩擦角、承载力等物理力学性能的影响规律；揭示了采动变形引起的土压力变化规律；建立了采动区地基土动态扰动规律及土压力计算理论，推导了采动区土压力计算公式。研发了浸水条件下界面剪切试验系统，进行了采动区地基-桥体结构界面性能的实验室模拟试验，研究了浸水条件下的地基-桥体结构界面的力学行为，确立了不同地基扰动程度下地基-桥体结构界面的法向刚度、切向刚度等基本参数，完成了采动区地基-桥体结构界面性能的现场实测，研究采动区地基与桥体结构之间载荷、变形的传递规律，建立采动区浸水地基-桥体结构界面力学模型。进行了采动区地基-桥体结构协同作用的理论分析，建立采动区砂土地基-桥体结构协同作用力学模型和采动区黏土地基-桥体结构协同作用理论模型，建立了采动区地基-桥体结构协同作用的三维有限元计算模型；通过理论分析和有限元计算，揭示了采动区动态地表变形引起的地基土压力重分布、界面接触状态、桥体结构附加内力及附加变形的演化规律，明确了影响采动区地基-桥体结构协同作用的关键因素；揭示了动态协同作用下采动区桥梁结构的整体稳定机理，揭示了影响采动区桥梁结构安全稳定的关键因素，并将研究成果应用于工程实践，成功解决了三座桥梁受采动影响的安全稳定问题。. 研究成果在国内外期刊发表高水平论文25篇，其中SCI收录3篇，EI收录12篇，中文核心10篇；已经授权的国家发明专利4项，已公开的国家发明专利4项，授权实用新型专利8项，培养了博士研究生4人，硕士研究生9人。两人入选江苏省“333”高层次人才培养计划，2人晋升高级职称，荣获中国矿业大学优秀科研创新团队，获得中国煤炭工业协会科学技术二等奖2项。