采动区建筑物变形特性研究与工程应用

论文摘要

矿区开采沉陷造成的地表建筑物损害是开采损害学研究的重要部分。解决开采沉陷对建筑物的损害既涉及开采前对已有建筑物的加固,也涉及在开采沉陷区进行抗变形建筑物的建设问题。进行采动区建筑物变形特性分析与应用研究,是经济合理地解决地下开采与保护地面建筑物矛盾的有效途径之一。课题研究对于合理开发和充分利用地下煤炭资源,实现矿区的可持续发展具有重要的理论研究意义和应用价值。本论文在查阅大量国内外研究资料的基础上,分析了煤矿地下开采引起的地表移动变形与地表建筑物破坏的关系。以开采沉陷学、土力学和结构力学的相关知识为理论基础,结合大量的工程实践经验,选取一栋典型的无抗保护措施的三层三开间砖砌体建筑物为研究保护对象。在掌握足够建筑资料和地质资料的情况下,建立起合理的地基、基础以及上部结构协同作用的有限元数值分析模型。对保护建筑物进行数值模拟计算,得到了在不同的地表曲率变形作用下,建筑物地基、基础及上部结构的应力应变分布情况与建筑物破坏规律,并提出了经济有效的加固防护措施,补充了采动区建筑物的变形控制方法。论文结合攀枝花矿务局小宝鼎煤矿山体建筑物下开采的地表观测数据和建筑物破坏情况,进行了实例论证,表明采用数值模拟方法得到的结果与建筑物实际破坏情况相吻合,同时给出了加固措施,为今后采动区建筑物抗变形的加固和设计提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外关于采动区建筑物保护研究的历史、现状及发展趋势
• 1.2.1 建筑物下减损控制开采方法的研究现状
• 1.2.2 采动区地表建筑物防护措施的研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容、方案和技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究的方案
• 1.3.3 研究的技术路线
• 2 采动对地表建筑物的影响
• 2.1 采动地表的移动破坏规律
• 2.1.1 地表移动破坏类型
• 2.1.2 地表移动盆地的形成及其特征
• 2.1.3 描述地表移动和变形的物理参数
• 2.2 采动地表移动变形对建筑物的影响
• 2.2.1 地表下沉引起的建筑物破坏
• 2.2.2 地表倾斜引起的建筑物破坏
• 2.2.3 地表曲率引起的建筑物破坏
• 2.2.4 地表水平变形引起的建筑物破坏
• 2.2.5 剪切变形和扭曲变形引起的建筑物破坏
• 2.2.6 建筑物位于移动盆地不同位置时的影响
• 2.3 采动区建筑物的受力状态
• 2.3.1 采动地基的应力应变关系
• 2.3.2 作用于基础墙的土压力
• 2.3.3 作用于采动建筑物的摩擦力
• 2.3.4 采动引起的建筑物的附加作用力
• 2.4 本章小结
• 3 采动区建筑物变形破坏的有限元分析
• 3.1 有限元理论分析方法
• 3.1.1 数值模拟方法概述
• 3.1.2 有限元法基础
• 3.1.3 静力计算的基本原理
• 3.1.4 有限元软件ANSYS 简介
• 3.2 有限元数值模型的建立
• 3.2.1 模拟内容概述
• 3.2.2 砌体的有限元模型
• 3.2.3 材料的本构关系和破坏准则
• 3.2.4 实体模型的建立
• 3.2.5 有限元模型的生成
• 3.3 采动区建筑物损害的有限元模拟
• 3.3.1 建筑物遭受I 级地表变形
• 3.3.2 建筑物遭受II 级地表变形
• 3.3.3 建筑物遭受III 级地表变形
• 3.3.4 建筑物遭受IV 级地表变形
• 3.4 建筑物受采动损害的破坏影响分析
• 3.4.1 I 级地表变形下的影响分析
• 3.4.2 II 级地表变形下的影响分析
• 3.4.3 III 级地表变形下的影响分析
• 3.4.4 IV 级地表变形下的影响分析
• 3.5 建筑物受采动损害的破坏规律分析
• 3.6 本章小结
• 4 采动区建筑物加固防护设计
• 4.1 采动区建筑物的防护
• 4.1.1 建筑物的防护原则
• 4.1.2 建筑物的保护等级
• 4.2 建筑物的加固防护措施
• 4.2.1 传统的加固防护措施
• 4.2.2 加固防护措施的优化
• 4.3 抗变形建筑物设计建议
• 4.4 本章小结
• 5 工程应用实例研究
• 5.1 工程项目概况
• 5.1.1 地质采矿条件
• 5.1.2 保护建筑物概况
• 5.2 项目实施概况
• 5.2.1 开采方案的确定与实施
• 5.2.2 采动过程中的地表移动与变形
• 5.3 保护建筑的数值模拟分析
• 5.3.1 保护建筑物模型的建立
• 5.3.2 地表水平变形对建筑物的影响
• 5.3.3 地表曲率变形对建筑物的影响
• 5.4 开采对保护建筑物的影响及加固设计
• 5.4.1 开采对建筑物的影响分析
• 5.4.2 保护建筑物的加固设计
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 尚待解决的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录