本书系统阐述了采空区岩层及采空区建筑物在开采沉陷及地震耦合作用下的动力灾变及其防治措施。主要内容包括采空区岩层开采变形特征及其沉陷灾害特征、采空区巷道的动力响应规律及其损伤灾变特征、采空区复杂场地的动力响应特征及其影响因素、采空区建筑物的沉陷损伤指标及其模型、采空区建筑物地震响应特征及其在采动与地震耦合作用下的变形特征及能量耗散特征。
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前言
第一部分 理论基础
第1章 煤炭资源开采及采空区灾害现状 3
1.1 我国煤炭资源及采空区灾害现状 3
1.2 煤炭资源开采演变灾害 4
1.3 采空区开采-地震耦合灾害 5
1.3.1 采空区开采地层变形灾害 5
1.3.2 采空区地下地震灾害 6
1.3.3 采空区沉陷-地震耦合作用下建筑物灾害 9
第2章 开采方法及岩层变形理论 11
2.1 开采作用下的地表变形 11
2.1.1 地表移动变形 11
2.1.2 地表移动盆地的形成及其特征 12
2.1.3 地表移动盆地的变形分析 13
2.1.4 地表移动和变形对建筑物的影响 17
2.2 开采岩层变形理论 20
2.2.1 围岩变形的影响因素 21
2.2.2 煤层开采方法 22
第3章 地震动力作用及能量消耗原理 24
3.1 耗散结构理论 24
3.1.1 耗散结构理论在工程中的应用 27
3.1.2 耗散结构动力能量方程 29
3.2 岩土动力学基本理论 32
3.2.1 土-结构相互作用 32
3.2.2 土结构动力方程 34
3.3 材料本构模型 37
3.3.1 围岩本构模型 37
3.3.2 混凝土本构模型 44
3.4 数值计算的实现 47
3.4.1 网格划分及时间步长 50
3.4.2 人工边界和地基截取范围 51
3.4.3 地震波输入 52
第二部分 巷道开挖及地震响应
第4章 巷道开挖围岩结构变形分析 57
4.1 开挖过程中巷道结构变形分析 57
4.1.1 巷道开挖模型的建立 57
4.1.2 开挖巷道结构应力分析 59
4.1.3 开挖巷道结构位移分析 61
4.2 巷道开挖下围岩变形影响因素分析 65
4.2.1 巷道开挖埋深对围岩变形的影响 65
4.2.2 巷道截面形式对围岩变形的影响 69
4.2.3 围岩分层对围岩变形的影响 72
4.2.4 衬砌支护对围岩变形的影响 77
4.3 巷道开挖扰动下衬砌变形影响因素分析 82
4.3.1 不同埋深下衬砌受力分析 82
4.3.2 不同截面形式下衬砌受力分析 86
4.3.3 不同混凝土强度下衬砌受力分析 88
第5章 巷道结构的地震动力响应分析 93
5.1 计算模型的ANSYS实现及计算假定 93
5.2 地应力对巷道结构应力分布的影响 95
5.3 地震作用下巷道动力响应分析 98
5.3.1 水平地震作用下巷道动力响应 98
5.3.2 竖向地震作用下巷道动力响应 107
5.3.3 双向地震作用下巷道动力响应 115
5.4 巷道地震动力响应的影响因素分析 118
5.4.1 巷道埋深对巷道地震动力响应的影响 118
5.4.2 巷道截面形式对巷道地震动力响应的影响 124
5.4.3 巷道衬砌弹性模量对巷道地震动力响应的影响 131
5.4.4 围岩分层对巷道地震动力响应的影响 133
5.4.5 地震波类型对巷道地震动力响应的影响 136
第6章 巷道的震害灾变过程分析 140
6.1 计算模型的建立 140
6.2 煤矿巷道结构的地震灾变分析 141
6.2.1 巷道应力分析 141
6.2.2 巷道损失分析 146
6.2.3 巷道地震响应时程分析 149
6.3 考虑巷道损伤的地震动力破坏分析 153
第三部分 采空区地震动力响应分析
第7章 采空区场地的地震动力响应分析 161
7.1 采空区场地模型的建立 161
7.2 采空区地表点地震动力响应分析 163
7.3 采空区地表响应的影响因素分析 167
7.3.1 模型的建立 167
7.3.2 采空区埋深对地表加速度峰值的影响 168
7.3.3 采空区土体弹性模量对地表加速度峰值的影响 169
7.4 采空区群的地震响应分析 170
7.4.1 采空区群对地表地震波加速度响应的影响 170
7.4.2 采空区群对地表地震波位移响应的影响 171
7.4.3 多遇地震作用下煤矿采空区群应力响应分析 172
7.4.4 罕遇地震作用下煤矿采空区群应力响应分析 176
第四部分 采空区地表建筑物灾变动力及能量特征
第8章 煤矿采动损伤建筑的地震动力响应分析 185
8.1 采动损伤基础理论 185
8.2 采动损伤建筑模型的建立 187
8.3 采空区建筑物的动力特征 193
8.4 地震下采动损伤建筑弹塑性响应分析 195
第9章 煤矿采动损伤对建筑物抗震性能的影响分析 203
9.1 引言 203
9.2 建筑物楼层薄弱层验算 203
9.3 地震作用下煤矿采动建筑物的损伤分析 205
9.3.1 楼层极限位移计算 206
9.3.2 累积滞回耗能反应计算 207
9.3.3 楼层极限滞回耗能计算 208
9.3.4 建筑结构楼层损伤分析 208
第10章 采动与地震耦合下建筑物的能量耗散分析 211
10.1 开采沉陷建筑物有限元模型的建立 211
10.2 考虑采动和地震的建筑物能量耗散分析 215
10.2.1 开采沉陷工况 215
10.2.2 开采沉陷作用下建筑物输入能量和弹性存储能量演化分析 215
10.2.3 开采沉陷作用下建筑物耗散能量演化分析 217
10.3 采动与地震耦合作用下建筑物输入能量演化分析 222
10.4 采动与地震耦合作用下建筑物耗散能量演化分析 224
参考文献 230
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