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矿山塌陷区房屋抗采动理论及加固技术研究

作　者: 段敬民
导　师: 钱永久
学　校: 西南交通大学
专　业: 结构工程
关键词: 矿山塌陷区抗采动房屋可移动及升降点式基础概念加固
分类号: TU746.3
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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引　用: 3次
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内容摘要

煤炭是我国主要能源之一。我国大小煤田遍布各地，煤田上方分布有许多城镇、工厂企业、还有星罗棋布的自然村庄。随着国民经济的发展，煤炭需求量急剧增加，煤炭开采量也随之加大，煤炭的开采范围越来越广，造成大量的建筑物和构筑物处于矿山塌陷区之上，伴随着各矿区的地面建筑和公共设施的扩大，造成各矿区的地面建筑物及构筑物下压煤量不断增加。据有关资料报道，国有煤矿“三下”(建筑物下、水体下、铁路下)压煤总量约为137.9亿吨，其中建筑物下压煤高达87.6亿吨(占63.5％左右)，而建筑物的压煤中有60％属于村庄下压煤，大约影响到60万户居民的安居乐业问题。如何设计出结构更加合理的抗采动建筑物(构筑物)，如何对既有建筑物(构筑物)进行检测、评估并采取有效的加固，是建筑物下采煤及其地面建筑物保护至今没有彻底解决的理论问题及技术问题之一。对此，本论文主要作了以下几方面的工作：1．分析了矿山开采对建筑物(构筑物)的影响，研究了矿山塌陷区地表变形规律，和建筑物(构筑物)及其基础变形与对应地表变形的关系：2．进行了相似材料模拟试验研究。用相似材料模拟覆岩，研究地下开采引起的覆岩地表移动和变形规律；3．综合应用建筑结构力学、矿山开采沉陷学、土力学、材料力学等相关知识，研究了矿山塌陷区上部结构-地基-基础共同作用问题，建立了矿山塌陷区上部结构-地基-基础共同作用力学模型。应用该模型研究分析了采动过程中基础和上部结构变形、内力及地基反力等变化规律及主要因素的影响规律；4．研究了受采动(地表不均匀的下沉和水平移动产生的地表变形)影响的条形基础建筑物基础的附加作用力，提出了计算附加作用力的基本假定。分析了建筑物受采动影响的程度和使用的安全性，研究了矿山塌陷区已有建筑物的保护以及矿山塌陷区新建条形基础建筑物的设计方法；5．针对矿山塌陷区的条形基础建筑物(构筑物)，本文提出了“可移动及升降点式基础房屋抗采动设计理论”，包括设计思想的提出、附加作用力公式的推导与建立，建筑材料的优选及构造措施，并确定了可移动及升降点式基础的参数。该理论的实施改善了传统的“条形基础抗采动房屋”的结构受力性能，使得建筑物(构筑物)能更有效的吸收和抵抗地表移动和变形。6．在矿山塌陷区既有工程结构加固方面，提出了“概念加固思想”，并阐述了其基本概念及内涵，提出了工程结构概念加固的基本原则及思路，提出了对既有结构基于概念的评估，结合工程实例进行了应用研究。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-15
第1章绪论  15-35
  1.1 论文研究的意义  15
  1.2 论文研究的背景  15-27
    1.2.1 论文研究的工程背景  16-19
    1.2.2 论文研究的理论与技术背景  19-27
  1.3 论文研究的内容与重点  27-30
    1.3.1 地下矿山开采对建(构)物的影响与损害规律的研究  28
    1.3.2 覆岩及地表开采沉陷机理研究  28-29
    1.3.3 矿山塌陷区框架、砌体结构地基-基础共同作用及抗采动设计理论研究  29
    1.3.4 创造性地建立可移动及升降点式基础抗采动设计理论  29
    1.3.5 塌陷区既有房屋抗采动评估与加固理论及方法研究  29-30
    1.3.6 论文研究的目标和拟解决的关键问题  30
  1.4 论文研究采取的方法与技术路线  30-33
    1.4.1 论文研究的方法  30-32
    1.4.2 论文研究采取的技术路线  32-33
  1.5 论文在理论及工程应用上的创新  33-35
第2章地下矿山开采对建(构)筑物的影响和损害  35-43
  2.1 矿山开采对建(构)筑物的影响  35-42
    2.1.1 地表水平变形对建(构)筑物的破坏  35-38
    2.1.2 地表下沉对建(构)筑物的破坏  38-40
    2.1.3 地表倾斜对建(构)筑物的破坏  40
    2.1.4 地表曲率变形对建(构)筑物的破坏  40-41
    2.1.5 建(构)筑物位于移动盆地内不同位置时的影响  41-42
  2.2 本章小结  42-43
第3章采动覆岩地表变形规律及开采沉陷模拟研究  43-67
  3.1 矿山塌陷区地表变形规律  43-48
    3.1.1 地表下沉规律  43-44
    3.1.2 地表倾斜规律  44-45
    3.1.3 地表曲率规律  45
    3.1.4 地表水平变形移动规律  45-47
    3.1.5 矿山塌陷区地表变形组合规律  47-48
  3.2 建筑物及其基础变形与对应地表变形的关系  48-53
    3.2.1 水平变形  48-50
    3.2.2 下沉变形  50-51
    3.2.3 倾斜关系  51-52
    3.2.4 曲率变形关系  52
    3.2.5 地表扭曲和建筑物扭转间的关系  52-53
  3.3 模型试验的意义与原理  53-58
    3.3.1 物理模拟简述  53-55
    3.3.2 模型试验的意义  55-56
    3.3.3 相似材料模拟实验应遵循的原则  56-58
  3.4 试验模型的设计及制作  58-61
    3.4.1 模型相似系数的确定  59-60
    3.4.2 模拟地层的取舍原则  60
    3.4.3 相似材料选取  60-61
    3.4.4 相似材料配比试验  61
    3.4.5 模型铺设  61
  3.5 模型的开采和观测  61-62
    3.5.1 模型的开采  61-62
    3.5.2 模型上的观测  62
  3.6 模型试验结果分析  62-66
    3.6.1 地表及覆岩表面的移动规律  62-64
    3.6.2 覆岩内部移动规律  64-65
    3.6.3 冒裂高度  65-66
  3.7 本章小结  66-67
第4章矿山塌陷区框架结构与地基和基础共同作用的理论研究  67-97
  4.1 地基土与建(构)筑物共同作用的概念  68-72
    4.1.1 上部结构的刚度对基础受力状况的影响  68-69
    4.1.2 基础刚度对基底反力分布的影响  69-71
    4.1.3 地基条件对基础受力状况的影响  71-72
    4.1.4 上部结构与基础和地基共同作用的概念  72
  4.2 框架结构采动影响下地基与基础共同作用  72-78
    4.2.1 共同作用的力学模型  72-75
    4.2.2 边界条件  75
    4.2.3 共同作用微分方程求解  75-78
  4.3 采动下框架结构变形及附加应力求解  78-81
    4.3.1 矿山塌陷区框架结构采动下变形计算  78-79
    4.3.2 矿山塌陷区建筑物采动下内力计算  79-81
  4.4 采动下框架结构动态变形规律及影响因素  81-82
  4.5 框架结构采动影响的有限元模拟  82-91
    4.5.1 有限元模型的建立  82-84
    4.5.2 有限元模拟采动的影响  84
    4.5.3 有限元模拟结果的分析  84-91
  4.6 框架结构抗采动设计理论  91-95
    4.6.1 附加作用在结构上的施加方法  91-92
    4.6.2 附加作用与其它作用的组合方法  92-94
    4.6.3 设计细节及构造措施  94-95
  4.7 本章小结  95-97
第5章矿山塌陷区砌体结构条形基础房屋抗采动实用设计理论  97-134
  5.1 砌体结构条形基础房屋采动下的基础附加作用力  97-111
    5.1.1 地表水平变形引起的建筑物附加作用力  97-101
    5.1.2 地表垂直变形引起的建筑物附加作用力  101-111
    5.1.3 采动下附加作用力与其它作用的组合方法  111
  5.2 采动下墙体内力分析与结构承载力计算  111-124
    5.2.1 采动下墙体附加内力分析  112-121
    5.2.2 采动下墙体承载力计算  121-124
  5.3 采动下砌体结构房屋墙体裂缝的成因与防治  124-132
    5.3.1 采动下砌体结构房屋墙体裂缝的发育特征  124-130
    5.3.2 采动下墙体裂缝的分类及形成原因  130-131
    5.3.3 采动下墙体裂缝防治的设计细节及构造措施  131-132
  5.4 本章小结  132-134
第6章矿山塌陷区可移动及升降点式基础房屋抗采动设计理论  134-158
  6.1 可移动及升降点式基础的概念及工作原理  134-139
    6.1.2 可移动及升降点式基础的基本概念  137-139
    6.1.3 可移动及升降点式基础的工作原理  139
  6.2 可升降点式基础房屋抗采动设计理论要点  139-154
    6.2.1 设计考虑的变形规律  139-141
    6.2.2 设计考虑的附加作用力  141-144
    6.2.3 可移动及升降点式基础参数的确定及基础设计  144-146
    6.2.4 可升降点式基础工作原理的有限元模拟  146-154
  6.3 可移动及升降点式基础工程实例  154-157
    6.3.1 工程概况  154-155
    6.3.2 设计方案的选取及优化  155-156
    6.3.3 结构计算要点  156-157
  6.4 本章小结  157-158
第7章矿山塌陷区既有房屋抗采动评估加固理论与方法  158-174
  7.1 矿山塌陷区既有房屋结构抗采动评估  158-164
    7.1.1 抗采动评估的理论要点  158-160
    7.1.2 抗采动评估的方法与实施步骤  160-163
    7.1.3 抗采动评估方法  163-164
  7.2 矿山塌陷区既有房屋抗采动概念加固思想及基本原则  164-169
    7.2.1 既有房屋结构抗采动概念加固思想及基本概念  164-165
    7.2.2 既有房屋结构抗采动概念加固的原则及思路  165-166
    7.2.3 既有房屋抗采动概念加固设计方法  166-169
  7.3 整体预应力加固技术及工程应用  169-172
    7.3.1 整体预应力加固技术  169
    7.3.2 工程加固实例  169-172
  7.4 本章小结  172-174
结论  174-176
致谢  176-177
参考文献  177-187
攻读博士学位期间发表的论文及科研成果  187-188

矿山塌陷区房屋抗采动理论及加固技术研究

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