動靜態(tài)載荷下硐室結構應力場求解及防震設計研究.pdf

1、硐室結構是最為常見而又十分重要的巖土工程結構，建造于地基或巖層之中，對硐室結構的精確工程力學計算有賴于對其相關地基或巖層問題的力學計算和自身的力學計算。研究地基或巖層力學問題的目的是了解硐室所處的外部力學環(huán)境，將外部力學環(huán)境和硐室結構本身的力學特征有機地結合起來，才能得到可靠的結果。然而迄今為止人們對硐室結構的受力研究中，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問題，

2、這方面的研究成果目前僅限于軸對稱情況，工程應用有很大的局限性。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力場問題求解進行了新的探索性研究，給出了兩種有效而便于推廣應用的求解方法。論文的第二部分（第六章和第七章）對硐室在炸藥爆炸產生的動荷載作用下的動應力集中問題和振動效應開展了研究，并且成功地將之應用到對礦山相鄰巷道振動影響的分析之中。
　　 地基問題的應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力場和位移的計算多是基于均質的半無限彈性體的Boussinesq解，其計算結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。
　　 本文是在直角坐標系下，首先將彈性力學中的基本方程在形式上轉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、變換后的坐標域內得到真正的狀態(tài)方程。最后利用狀態(tài)空間理論和傳遞矩陣技術推導出半平面多層彈性地基、空間層狀彈性地基應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，在直角坐標系下利用Fourier變換實現了將彈性力學中的基本方程轉變?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力和位移的解析法。作為特例，文中還利用本方法推導了彈性力學Flament解，能夠得到

5、與彈性力學完全一樣的結果，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問題，目前絕大多數研究成果均是在柱坐標系下進行的，主要針對軸對稱受力問題。通用的方法是利用Hankle變換將彈性力學中柱坐標系下的基本方程轉換為狀態(tài)方程，然后進行求解。個別文獻在柱坐標系下借助于三角級數解研究了非軸對稱問題，其本質仍然是軸對稱受力問題方法，求解工程及公式推導十分繁雜，給推廣應用帶來不便。

6、
　　 本文給出了兩種在直角坐標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，并將坐標原點選在荷載影響范圍以外足夠遠的地方，在直角坐標系下實現了與柱坐標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化為足夠大的有限地基模型，假定應力和位移可表示為分離變量的形式，借助于三角級數建立了用狀態(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，對荷載的作用方式沒有局限性，改變了以往只能在柱坐標系下求解層狀地基軸對稱問題的現狀。使用范圍更為廣泛，便于推廣應用。研究成果為進一步研究層狀地基或巖層中硐室結構的動靜應力場耦合提供了初步的理論基礎。
　　 本文還對硐室的動力學特征進行了研究。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)應力造成的。文中依據基本的波動方程引入兩個勢函數，將波動方程進行時空分離展開成分離變量形式，進而借助復變函數中的映射函數推導了

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力表達式，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論。分析表明不同工況對動應力集中系數影響較小，除了背爆側局部范圍之外，動應力集中系數會隨著硐徑的增大而減小;應力波的沿270°傳播時，在迎爆側，徑向和切向振動加速度會隨硐室的增大而增大，在背爆側，與之相反;硐室直徑對應力集中系數的影響