動靜態(tài)載荷下硐室結(jié)構(gòu)應(yīng)力場求解及防震設(shè)計研究.pdf

1、硐室結(jié)構(gòu)是最為常見而又十分重要的巖土工程結(jié)構(gòu)，建造于地基或巖層之中，對硐室結(jié)構(gòu)的精確工程力學(xué)計算有賴于對其相關(guān)地基或巖層問題的力學(xué)計算和自身的力學(xué)計算。研究地基或巖層力學(xué)問題的目的是了解硐室所處的外部力學(xué)環(huán)境，將外部力學(xué)環(huán)境和硐室結(jié)構(gòu)本身的力學(xué)特征有機(jī)地結(jié)合起來，才能得到可靠的結(jié)果。然而迄今為止人們對硐室結(jié)構(gòu)的受力研究中，同時考慮動靜荷載的研究是比較薄弱的。尤其當(dāng)硐室建造于層狀地基或巖層中，需要深入了解硐室外部層狀地基或巖層的力學(xué)問題，

2、這方面的研究成果目前僅限于軸對稱情況，工程應(yīng)用有很大的局限性。本論文的第一部分（第二章至第五章）對層狀地基的非軸對稱應(yīng)力場問題求解進(jìn)行了新的探索性研究，給出了兩種有效而便于推廣應(yīng)用的求解方法。論文的第二部分（第六章和第七章）對硐室在炸藥爆炸產(chǎn)生的動荷載作用下的動應(yīng)力集中問題和振動效應(yīng)開展了研究，并且成功地將之應(yīng)用到對礦山相鄰巷道振動影響的分析之中。
　　 地基問題的應(yīng)力場計算在巖土工程中占有十分重要地位。大量的工程實踐表明很多地

3、基呈層狀分布，所以采用層狀地基模型計算地基的應(yīng)力場問題更為合理，這是由于該模型能夠合理地模擬地基沿深度方向的不均勻性。而目前實際工程中地基應(yīng)力場和位移的計算多是基于均質(zhì)的半無限彈性體的Boussinesq解，其計算結(jié)果與實際工程有明顯的差異。開展層狀地基理論研究對巖土工程具有重要的理論和工程意義。
　　 本文是在直角坐標(biāo)系下，首先將彈性力學(xué)中的基本方程在形式上轉(zhuǎn)換為自動控制理論中的狀態(tài)方程，然后針對不同問題利用不同的積分變換，在

4、變換后的坐標(biāo)域內(nèi)得到真正的狀態(tài)方程。最后利用狀態(tài)空間理論和傳遞矩陣技術(shù)推導(dǎo)出半平面多層彈性地基、空間層狀彈性地基應(yīng)力及位移的求解方法。本文提出的方法尤其適用于非軸對稱問題。
　　 對于半平面層狀彈性地基問題，在直角坐標(biāo)系下利用Fourier變換實現(xiàn)了將彈性力學(xué)中的基本方程轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)方程。利用控制理論中求解狀態(tài)方程的方法得到了半平面多層彈性地基的應(yīng)力和位移的解析法。作為特例，文中還利用本方法推導(dǎo)了彈性力學(xué)Flament解，能夠得到

5、與彈性力學(xué)完全一樣的結(jié)果，說明了本文方法的正確性。本方法適用于條形層狀地基的求解。
　　 在實際工程中地基的受力問題多為三維力學(xué)問題，目前絕大多數(shù)研究成果均是在柱坐標(biāo)系下進(jìn)行的，主要針對軸對稱受力問題。通用的方法是利用Hankle變換將彈性力學(xué)中柱坐標(biāo)系下的基本方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程，然后進(jìn)行求解。個別文獻(xiàn)在柱坐標(biāo)系下借助于三角級數(shù)解研究了非軸對稱問題，其本質(zhì)仍然是軸對稱受力問題方法，求解工程及公式推導(dǎo)十分繁雜，給推廣應(yīng)用帶來不便。

6、
　　 本文給出了兩種在直角坐標(biāo)系下求解任意荷載作用下空間層狀地基的求解方法。一種方法是借助于Laplace變換及其微分性質(zhì)，并將坐標(biāo)原點選在荷載影響范圍以外足夠遠(yuǎn)的地方，在直角坐標(biāo)系下實現(xiàn)了與柱坐標(biāo)系下類似的求解方法。另一種方法是仿照有限單元法將無限大地基模型轉(zhuǎn)化為足夠大的有限地基模型，假定應(yīng)力和位移可表示為分離變量的形式，借助于三角級數(shù)建立了用狀態(tài)空間法的求解層狀地基的方法。
　　 本文提供的層狀地基三維問題的求解方

7、法，對荷載的作用方式?jīng)]有局限性，改變了以往只能在柱坐標(biāo)系下求解層狀地基軸對稱問題的現(xiàn)狀。使用范圍更為廣泛，便于推廣應(yīng)用。研究成果為進(jìn)一步研究層狀地基或巖層中硐室結(jié)構(gòu)的動靜應(yīng)力場耦合提供了初步的理論基礎(chǔ)。
　　 本文還對硐室的動力學(xué)特征進(jìn)行了研究。巖層中的硐室在動荷載作用下，其破壞的主要原因是硐室周圍的動態(tài)應(yīng)力造成的。文中依據(jù)基本的波動方程引入兩個勢函數(shù)，將波動方程進(jìn)行時空分離展開成分離變量形式，進(jìn)而借助復(fù)變函數(shù)中的映射函數(shù)推導(dǎo)了

8、平面P波在硐室周圍的傳播特性，該分析方法從理論上可得到任意不規(guī)則洞室的位移和動應(yīng)力表達(dá)式，依此分析不同方向的爆炸源作用下硐室圍巖的振動規(guī)律。文中還給出了一個直墻半圓拱的計算實例，得到了一些有一定使用價值的結(jié)論。分析表明不同工況對動應(yīng)力集中系數(shù)影響較小，除了背爆側(cè)局部范圍之外，動應(yīng)力集中系數(shù)會隨著硐徑的增大而減小;應(yīng)力波的沿270°傳播時，在迎爆側(cè)，徑向和切向振動加速度會隨硐室的增大而增大，在背爆側(cè)，與之相反;硐室直徑對應(yīng)力集中系數(shù)的影響