【摘 要】
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随着我国地下工程进入大规模建设时期,地下工程建设过程中的不良地质灾害控制已成为重要研究课题。破碎岩体是地下工程建设中常见的不良地质类型,因其胶结强度低、自稳能力差等特点在施工过程中极易诱发塌方等工程灾害事故,已成为影响地下工程建设安全的重要地质灾害源之一。注浆是改善破碎岩体力学性能保障地下工程开挖稳定的常用技术措施,对于注浆加固后的破碎岩体,其强度特性是岩土工程设计中的重要参数。然而,由于自然界中
【基金项目】
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国家自然科学基金联合基金项目（U1706223）； 国家重点研发计划（2016YFC0801604）；
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随着我国地下工程进入大规模建设时期,地下工程建设过程中的不良地质灾害控制已成为重要研究课题。破碎岩体是地下工程建设中常见的不良地质类型,因其胶结强度低、自稳能力差等特点在施工过程中极易诱发塌方等工程灾害事故,已成为影响地下工程建设安全的重要地质灾害源之一。注浆是改善破碎岩体力学性能保障地下工程开挖稳定的常用技术措施,对于注浆加固后的破碎岩体,其强度特性是岩土工程设计中的重要参数。然而,由于自然界中破碎岩体的复杂性,注浆加固后的破碎岩体强度特性受多种因素影响,导致其强度的定量化研究极其复杂。本文针对破碎岩体注浆加固机理不清和加固体强度难以计算的问题,通过室内试验、数值模拟和理论分析等方法,研究了充填介质因素和注浆因素等对破碎岩体注浆加固模式的影响规律,建立了破碎岩体注浆加固模式预测方法。在此基础上,阐明了不同岩性因素下的破碎岩体特征和注浆因素等对加固体力学特性的影响机制,揭示了破碎岩体注浆加固体的变形破坏规律,建立了加固体强度预测模型,最终形成针对破碎岩体的注浆设计方法,并进行了工程应用。本文主要工作及创新成果如下:（1）研制了室内恒压自动注浆试验系统,以此开展了破碎岩体注浆加固模式室内试验,研究了充填介质粒径级配、密实度、浆液水灰比和注浆压力等因素对破碎岩体注浆加固模式的影响;在此基础上,以试验影响因素作为输入变量,以浆土混合比作为注浆加固模式量化评价指标,基于XGBoost机器学习算法,建立了破碎岩体注浆加固模式预测模型;新模型预测的绝对准确率高达98.73%,预测数据的离散状态得到有效控制。（2）以无充填介质破碎岩体注浆加固体为研究对象,考虑岩性因素,研究了岩块百分含量、岩块破碎程度和浆液结石体性质对加固体力学特性的影响规律,获得了不同因素下的注浆加固体的典型破坏模式和整体破坏特征,揭示了各因素对加固体强度的影响机制。在此基础上,基于离散元数值模拟方法建立了破碎岩体注浆加固体颗粒流计算模型,通过对试验过程中加固体的力学特性和破坏特征进行重现,获得了压缩过程中岩块的破碎规律、接触力链的分布和演化规律、裂隙的发展和演化规律、应力的分布及演化规律,模拟结果与室内试验结果相互印证和补充,从细观角度揭示了岩块百分含量、岩块破碎程度和浆液结石体性质对不同岩性的破碎岩体注浆加固体的变形破坏规律;通过开展各因素对加固体强度全范围影响的数值模拟研究,建立了各因素与加固体强度之间的定量关系表达。（3）以含充填介质破碎岩体注浆加固体为研究对象,基于无充填介质破碎岩体注浆加固机理研究成果,针对不同的注浆加固模式,控制破碎岩体特征,考虑充填介质因素,研究了充填介质含量、浆土混合比和浆岩胶结程度对加固体力学特性的影响规律,揭示了各因素对加固体强度的影响机制;在此基础上,系统分析破碎岩体特征和浆液结石体性质等对研究结果的影响,基于优化的试验数据分别建立了充填介质含量、浆土混合比和浆岩胶结程度与加固体强度之间的定量关系表达。（4）基于等效夹杂理论,将破碎岩体注浆加固体看作是由破碎岩体、浆液结石体和交界面组成的三相复合材料,建立了破碎岩体注浆加固体三相细观模型;以广义自洽模型理论为基础,提出了破碎岩体注浆加固体多相模型有效弹性刚度的计算方法。在此基础上,综合考虑破碎岩体性质、浆液结石体性质、交界面效应和块石间的应力集中效应等因素,建立了破碎岩体注浆加固强度计算模型,实现了破碎岩体注浆加固体强度预测。与试验结果对比分析,验证了计算模型的合理性和准确性。（5）在破碎岩体注浆加固机理研究成果的基础上提出了针对破碎岩体的注浆设计方法,研究成果在青岛地铁4号线人民会堂站断层破碎带预注浆加固工程中进行了成功应用,取得了良好的效果,可为类似工程提供一定的借鉴。
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