矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究.pdf

第 3 5卷第 3期 2 0 1 0年 3月 煤 炭 学 报 J OU RN AL O F C HI N A C OAL S OC I E T Y Vo 1 ． 3 5 No ． 3 Ma r ． 2 01 0 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 0 0 3 0 3 5 7 0 6 矸石 充填综采覆岩关键层变形特征研究 张吉 雄 ， 李 剑 ， 安泰 龙 ， 黄 艳 利 1 ．中国矿业大学 矿业工程学院 ， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6； 2 ．煤炭资源与安全开采国家重点实验 室， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ；3 ．中国矿业 大学 理学院 江苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要 在分析传统综采与充填综采覆岩 变形特征的基础上， 建立充填综采覆岩关键层力学模型， 并运用弹性地基梁理论分析 了关键层弯曲变形的特征 ， 得到关键层最大挠度与强度、 下部岩层弹性 地基 系数与岩性参数之 间的关系。结合某矿的具体条件 ， 计算得 出充填综采工作 面覆岩关键层的 最大挠度 ， 并通过改变充填材料的性质 ， 研究了充填材料弹性模 量与关键层挠度之间的变化 关系， 提 出可通过提 高充填材料弹性模量的方法减少关键层的弯曲变形量， 证实了矸石充填具有限定关 键层的变形、 控制地表沉陷的作用。 关键词 矸石 ； 充填综采 ； 关键层； 变形 ； 弹性地基 中图分类号 T D 8 2 3 ． 7 文献标志码 A De f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c 0 f k e y s t r a t u m o v e r b ur d e n b y r a w wa s t e ba c k f i l l i n g wi t h f u l l y m e c h a ni z e d c o a l mi n n i n g t e c h no l o g y Z HA NG J i x i o n g 一， L I J i a n 一， AN T a i l o n g ， HUAN G Y a n l i 1 ． S c h o o l o fMi n e s ， C h i n a U n iv e r s it y ofMi n i n g＆ T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6， C h i n a； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y of C o a l R e s o u r c e s＆Mi n e S a f e t y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ； 3 ． S c h o o l o fS c ie n c e s ， C h i n a U n i v e r s i t y of Mi n i n g＆ T e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f t he de f o r ma t i o n c h a r a c t e ris t i c o f o v e r l y i n g s t r a t u m i n f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n ni n g t e c h n o l o g y a n d b a c k fil l i ng wi t h f u l l y - me c ha n i z e d c o a l mi n ni n g t e c h n o l o g y， t h e me c h a n i c al mo d e l o f k e y s t r a t u m i n t h e r a w wa s t e b a c k fil l i n g wi t h f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n n i n g t e c h n o l o gy wa s f o u n d e d， a n d t h e b e n d i n g d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r s o f t h e k e y s t r a t u m wa s a n a l y z e d b y t h e t he o r y o f be a m o n e l a s t i c f o u n d a t i o n ． Th e ma x i mu m d e fl e c t i o n a n d i nt e n s i t y o f t h e k e y s t r a t u m ， a n d t he r e l a t i o n b e t we e n l i t h o l o g i c a l p a r a me t e r s a n d e l a s t i c f o un d a t i o n f a c t o r s o f t he s t r a t u m b e l o w t h e k e y s t r a t um wa s p r e s e n t e d． Ac c o r d i ng t o t h e fie l d g e o l o g i c al c o n d i t i o n s o f a c e r t a i n c o a l mi n e， t h e ma x i mum d e fle c t i o n o f t h e k e y s t r a t u m i n b a c k f i l l i n g wi t h f u l l y me c h a ni z e d c o a l mi n ni n g f a c e wa s c a l c u l a t e d， a n d t he r e l a t i o n b e t we e n t h e d e fle c t i o n o f k e y s t r a t u m a n d t he e l a s t i c mo du l us o f fi l l i n g s wa s r e s e a r c h e d t h r o u g h c ha n g i n g t h e c h a r a c t e r s o f t h e fil l i n g s ． T h e r e s e a r c h r e s u l t s p r o v i d e t ha t t h e b e n d i n g d e f o r ma t i o n o f t he k e y s t r a t um c a n b e r e d u c e d b y i n c r e a s i n g t h e e l a s t i c mo d u l u s o f fil l i n g s ， a n d r a w wa s t e b a c k fi l l i n g c a n r e s t ric t t h e d e f o r ma t i o n o f t h e k e y s t r a t u m a nd t h e s u bs i d e n c e o f s ur f a c e c a n b e c o n t r o l l e d b y r a w wa s t e b a c k fil l i n g ． Ke y wo r ds wa s t e； b a c k fil l i n g wi t h f ul l y ． me c h a ni z e d c o a l mi n n i n g t e c h n o l o g y； k e y s t r a t u m ； d e f o rm a t i o n； e l a s t i cun d a t i o n 矸石充填综采技术是针对我 国煤矿开采存在 的 “ 三下” 压煤 问题 、 煤矸石排放 问题和土地资源问题 而开发出来的绿色采煤技术 之一 ， 已在我 国的新 汶 、 邢台矿区实施并取得成功。 目前 ， 全国“ 三下 ” 压煤达 1 3 7亿 t ， 全 国国有重 点煤矿村下压煤 5 2 ． 2 亿 t ， 采用条带开采的“ 三下” 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 4 责任 编辑 常琛 基金项目 国家自 然科学基金重点项目 5 0 8 3 4 0 0 4 ； 江苏省创新学者攀登项目 B K 2 0 0 8 0 0 7 ； 中国矿业大学科技基金项目 2 0 0 7 11 0 0 3 作者简介 张吉雄 1 9 7 4 一 ， 男 ， 宁夏 中卫人 ， 副教授 ， 博士。Em a i l z j x i o n g 1 6 3 ． t o m 3 5 8 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年 第3 5 卷 压煤， 采出率仅为 3 0 ％左右 J 。我国煤矿现有矸 石 山 1 6 0 0 余 座 ， 堆 积 量 约 4 5亿 t ，占 地 约 1 5 0 0 0 h m 2 。目前每年矸石产生量为 1 ． 52 ． 0亿 t ， 占地 3 0 0～ 4 0 0 h m 。 每年 由于煤炭开采塌陷土地面积约 4万 h m 。 目前 ， 受煤炭开采下沉影响的土地面积达 6 0万 h m 左右， 直接经济损失约 2 0亿元 。 地下煤炭开采必然引起覆岩移动与地表沉陷， 地 表下沉是覆岩移动由下向上逐步传递至地表的结果 。 长期以来， 由于难 以了解覆岩 内部的移动规律 ， 因此 一 直未能建立起地表沉陷与覆岩移动的内部联系 ， 影 响了覆岩运动与地表沉陷的预测与控制。钱鸣高 、 缪 协兴等根据多年对顶板岩层控制的研究与实践， 提出 了岩层控制的关键层理论 卜 ， 为上述问题的解决提 供了有力的理论依据。研究认为 ， 由于成岩时问及矿 物成分不同， 形成 了厚度不等、 强度不同的多层采场 上覆岩层， 其中一层至数层厚度岩层在整个覆岩层的 移动过程中起着控制作用。因此， 将对岩体活动中全 部或局部起决定作用的岩层称为关键层。 由于我国井工煤矿普遍采用长壁工作面垮落法 开采， 关键层理论主要是在针对长壁工作面全部垮落 法采场覆岩层的活动规律研究的基础上建立起来的。 矸石充填采煤是一种全新的采煤技术 ， 研究其关键层 的活动特征对该项技术的发展与完善具有重要 的理 论与现实意义。 1 充填综采覆岩关键层力学模型 1 ． 1 传统综采与充填综采覆岩变形特征 传统综采中， 随着工作面的推进， 直接顶与基本 顶相继垮落， 覆岩关键层受到下部岩层 的承载力降 低 ， 并产生较大的弯曲变形 ， 当达到其强度极限时发 生破断， 如图 l a 所示 。 充填综采 中， 随着工作面的推进 ， 直接顶达到其 垮落步距时发生垮落 ， 由于矸石充填体与破碎直接顶 的碎胀性 ， 基本顶达到其垮落步距而发生垮落时与破 碎的直接顶接触。基本顶承载的软弱层也发生下沉 而与关键层发生离层， 关键层在其上部覆岩的载荷作 用下产生弯曲变形 ， 但 由于离层空间小， 关键层及其 承载体直接作用于其下的软弱层 ， 随着变形 量的增 加， 其下部软弱层给予的支撑作用加强 ， 从而限制 了 关键层的弯曲变形量。 因此 ， 充填综采与传统综采相 比， 基本顶 的垮落 步距增大， 覆岩变形空间减小 ， 关键层发生 的变形量 较小 ， 一艘隋况下不会失稳破断， 关键层依然可以作 为覆岩 自重的承载主体 ， 变形特征如图 1 b 所示。 a 传统综采 f b1 充填综采 图 1 采动过程 中覆岩变形不意 F i g ． 1 F i g u r e s o f o v e r b u r d e n r o c k s ’d e f o r ma t i o n s i n i nd u c e d pr o c e s s 1 ． 2 关键层力学模型 在充填综采中， 关键层一般不发生破断， 因此认 为其下部软弱岩层已处于压实状态 ， 并与关键层没有 产生离层。结合 图 1 b 中的充填综采覆岩变形情 况， 取工作面采空区上部的关键层作为研究对象， 建 立平面梁模型 ， 如图 2所示 。关键层上部受到的作用 力为覆岩 的 自重应力 ， 以均 布载荷 q 。 代替 ， 即 q 。 y H， 其中 为覆岩的平均容重； H为关键层埋深 ； 图2 中， 2 f 为关键层 的长度 ； P 为关键层下部岩层对 关键层 的支承力。 图 2 关键层力学模 型 F i g ． 2 Me c h a n i c a l mo d e l o f k e y s t r a t u m Wi n k l e r 弹性地基假设理论 认为， 地基表面 任意一点的沉降与该点单位面积上所受的压力成正 比。在充填综采中， 基本顶的断裂垮落导致直接顶碎 块与采空区充填矸石紧密接触 ， 充填矸石被上部岩块 逐步压实。因此， 可近似将工作面采空区充填矸石、 直接顶碎块和基本顶断裂块视为弹性地基 。 鉴于模型具有对称性 ， 取关键层梁的一半进行分 析。梁左端起点表示关键层对应于工作面煤壁的垂 直位置 ， 因此简化为固支约束 ； 梁右端可简化为 方 向的滚轴约束。梁长 f 表示充填带长度的一半。简 化模型和受力分析如图 3所示。 第 3期 张吉雄 等 矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究 3 5 9 f a 简化模型 qo [ 口 ] 腓 f b 受力分析 图 3 关 键层简化模 型及其 受力 分析 Fi g ． 3 S i mp l if i e d mo d e l a n d me c h a n i c a l a n a l y s i s o f ke y s t r a t um 2 充填综采覆岩关键层弯曲变形 2 ． 1 关 键层 弯 曲变形分 析 根据充填综采工作面覆岩关键层力学模型 ， 运用 Wi n k l e r 弹性地基梁理论对关键层及其下部弹性地基 岩层进行研究。图 3为弹性地基上的关键层梁， 在载 荷 q 。 的作用下 ， 梁的位移为 Y ， 梁与地基之间的压 力为 P ， 弹性地基系数为 k 。梁的挠度 满足 q o 1 a 其 中， E ，为关键 层抗 弯 刚度 ； 为特 征 系数 ， 卢 √ 。 求 解 方 程 式 1 ， 得 w x e A c o s t 3 xB s i n e C c o s Ds i n 对图 3 b 中的梁 ， 通过初参数法 进行求 解 ， 得挠度公式 鲁 一 M o E Ij8 2 一 Q 。 其中， W 。 、 0 。 、 M。 、 Q 。 分别为有限长梁端点 0 的挠 度、 转角 、 弯矩 和剪力 。 b 、 、 。 、 咖 为 的 K i c h h o ff函数 ， 其表示形式为 咖 c h t c o s 1[ c h s i n s h c 。 s ] ， s h s i n 1[ c h s i n 一s h c 。 s ] 结 合 边 界 条 仟 r 。0 删 。 r Q x z 0 I 0 将 式 3 带 入式 2 ． 得 W0 0 0 0 0 一 2 TE I 2q o 簪 ㈩ 0 4 El t 3q o 堡2二竺 堡2 V o k s h 2 s i n 2 将式 4 代 人式 2 ， 得 到 梁在 均 布载荷 q o作 用 下的挠度和地基压力公式 劳 k s h s i n ”g 。 k 5 2 2 ， q 0 [ 2 势 s h器 sin ” 】 2 2 。 、 J 2 ． 2 弹性地基系数 k 值的确定 根据弹性地基理论 ， 关键层的受力和变形情况与 地基系数 k的变化有直接关系， 地基系数 k对关键层 的变形以及整个上覆岩层的移动规律有至关重要的 影响。从 图 1 b 中可看到， 弹性地基系数 主要取 决于煤层底板与关键层之间的各层岩体 的综合变形 特性 ， 为了研究弹性地基系数 的变化 ， 假定 s ～S 各岩层的变形是相互协调 的。选取关键层与煤层底 板之间的各层 S ～ S 作为关键层的地基进行研究， 其基 本结 构模 型如 图 4所示 图4 弹性地基结构模型 F i g ． 4 E l a s t i c f o u n d a t i o n mo d e l 将各个岩层视为弹性体 ， 对 s 岩层有 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年 第3 5 卷 一 等 式中， o r 为 S i 岩层 的垂直应力； h 为 S 岩层厚度； E 为 S i 岩层弹性模量 ； A h 为 S i 岩层垂直变形量。 根据 Wi n k l e r 假设 ， 弹性地基的本构关系 or k y 6 式中， or为关键层所受垂直方 向应力 ； Y为关键层的 垂直位移。 弹性地基垂直位移与应力之间的关系为 y ∑ o ih i 7 其中， or or 。将式 7 代入式 6 中， 可得 壹 i 1 or ih i 毫 解得地基系数 k为 1 ／ ∑ 8 3工程应用 3 ． 1 矿井地质 采矿条件 矸石充填综采技术工业性试验地点为某矿 7 4 0 3 工作面_ 1 ， 其布置如图 5所示。 图 5 7 4 0 3工作 面布置 Fi g ． 5 L a y o u t o f 7 40 3 wo r k i ng f a c e 7 4 0 3充填综采工作面走向长 8 0 2～8 7 5 m， 倾斜 长 1 5 0 m。开采4号煤层 ， 煤层倾角为 1 1～l 4 。 ， 平均 厚度 2 ． 0 m， 工作面埋深在 6 8 0 ． 5～ 7 2 9 ． 7 m。对应地 表为镇医院、 学校、 村庄等建 构 筑物。 3 ． 2充填综采关键层弯 曲变形特征 7 4 0 3工作面的部分顶板岩性参数见表 1 。 表 1中， 关键层 的埋深 H6 9 3 ． 4 7 m， 覆岩的平 均容重 y2 3 k N ／ m ， 因此， 覆 岩的等效载荷 l 5 ． 9 5 MP a 。基本顶的初次垮落步距 L 。 3 3 m， 周期 垮落步距 L L 。 ／ 2 ． 4 5 1 3 ． 5 m。取基本顶的初次垮 表 1 岩层特性参数 Ta bl e 1 Li t ho l og i e pa r a me t e r s 落步距与两个周期垮落步距内长度范围进行研究， 所 要分析的关键层长度为 6 0 m， 即 f 3 0 m。 将上述岩层特性参数 带人式 8 ， 计 算得 k 8 4 ． 5 1 N ／ m ， 代入式 5 中 ， 得到关键层挠度随长度 的变化特征如图6所示， 其中 ￡表示所分析关键层长 度的一半 ， W 表示关键层最大挠度。 由图6可知， 关键层挠度 W 随着关键层长度 ， J 的增大而增大 ， 即随着工作 面推进 ， 采空 区充填带 加大， 关键层产生的挠度 W 越大， 关键层挠度最大 部位位于关键层中部 ⋯ 6 2 ． 1 3 m m。 采用传统的地表沉陷预计方法 ， 可分析得出充填 采煤充分采动地表最大下沉值为5 5 m m。因此， 充填 采煤可通过限制关键层的弯曲变形量， 从而控制地表 的变形在建 构 筑物允许的变形范围之内。 图 6关键层的变形特征 F i g ． 6 De f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f k e y s t r a t u m 目前， 该采区已接近充分采动， 实测到的地表最 大下沉量为 1 8 m m、 最大水平变形为 0 ． O 1 m m ／ m， 地 面变形等级仅为轻微 I 级 ， 无需对房屋实施加 固或维修。 第 3期 张吉雄等 矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究 3 6 1 3 ． 3 充填材料对关键层弯 曲变形的影响 矸石充填综采所用充填材料为矸石 ， 充填矸石的 压实变形特性是影响充填效果的关键因素 ， 而矸石的 弹性模量决定了其压实变形特征。因此 ， 研究充填矸 石的弹性模量的大小 ， 对于选取合理级 配的充填矸 石 ， 深入分析充填后覆岩层 的变形特征具有 重要意 义 。 根据关键层挠度计算公式 5 、 8 ， 计算不 同弹 性模量条件下工作面关键层的最大挠度 ， 从而得到关 键层挠度随着充填矸石弹性模量 的变化规律 ， 如图 7 所示 。 图 7 关键层挠度随充填矸石弹性模量的变化规律 F i g ． 7 Va ria t i o n l a w o f k e y s t r a t a’ S d e f o r ma t i o n i n f l u e n c e d b y e l a s t i c mo d e l o f b a c k f i l l i n g ma t e ria l 由图 7可知 ， 随着弹性模量的增大 ， 关键层 的最 大挠度降低 ， 说明选取较大弹性模量的充填材料对控 制关键层变形的效果较好 。通过最小二乘法 的数值 计算方法 ， 对挠度与弹性模量之间的变形关系进行 回 归 ， 得到关键层最大挠度与充填材料弹性模量的关系 式 W E ⋯ 一0 ． 6 9 q 0 1 n E 一1 0 ． 3 6 因此 ， 在选取充填材料过程 中， 可通过调节弹性 模量来控制充填过程中关键层的变形量 。 一 般情况 ， 充填矸石 弹性模量为 3 0～2 0 0 MP a ， 矸石充填控制的关键层变形值为 5 6～ 7 6 1T I IT I 。在工 程实践 中， 可以通过调节颗粒配 比、 添加胶结物等方 法来提高充填矸石的弹性模量 ， 从而减少关键层的变 形茸 4结 论 1 采用 Wi n k l e r 弹性地基梁理论 ， 建 立 了充填 综采工作面覆岩关键层力学模型， 分析了覆岩关键层 的变形分布特征， 推导得出关键层挠度计算 的解析 解 。 2 针对关键层下方垮 落岩层与充填矸石之间 的相互作用特征 ， 建立 了弹性地基 的结构分析模型 ， 得到了弹性地基系数 k 的计算公式。 3 分析 了不 同性质充填材料对关键层变形 的 影响， 得出关键层最大挠度随充填材料弹性模量的变 化规律 ， 提出可通过提高充填材料弹性模量的方法减 少关键层的弯曲变形量 ， 以控制地表变形在建 构 筑物允许的变形范围之 内。 参考文献 [ 1 ] 钱 鸣高 ， 缪协兴 ， 许家林． 资源与环境协调 绿色 开采 [ J ] ． 煤炭 学报 ， 2 0 0 7， 3 2 1 1 7 ． Q i a n Mi n g a o ， Mi a o X i e x i n g ， Xu J i a l i n ． G r e e n m i n i n g o f c o a l r e - s o u r c e s h a r mo n i z i n g w i t h e n v i r o n m e n t [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o al S o - c i e t y ， 2 0 0 7 ， 3 2 1 17 ． [ 2 ] 钱 鸣高 ， 许家林 ， 缪协兴． 煤矿 绿色开采技术 [ J ] ． 中国矿业大学 学报 ， 2 0 0 3， 3 2 4 3 4 33 4 8 ． Q i a n Mi n g g a o ， X u J i ali n ， M i a o X i e x i n g ． T e c h n i 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o r a M A． A． B a l k e m a ， 2 0 0 4 3 413 4 5． [ 5] 张文海， 张吉雄 ， 赵计 生 ， 等． 矸 石充填采 煤工艺 及配套设备 研 究 [ J ] ． 采矿与安全工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 4 1 7 98 3 ． Zh a n g We n h a i ， Z h a n g J i x i o n g， Z h a o J i s h e n g， e t a 1 ． Re s e a r c h o n t h e t e c h n o l o g y o f wa s t e f i l l i n g a n d mi n i n g a n d c o r r e l a t i v e e q ui p me n t [ J ] ． J o u rnal o f Mi n i n g ＆S a f e t y En g i n e e ri n g ， 2 0 0 7， 2 4 1 7 98 3 ． [ 6] 张吉雄 ， 缪协兴 ， 茅献彪 ， 等． 建 筑物下条 带开采煤 柱矸石置换 开采 的研究 [ J ] ． 岩石力 学与工程学 报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 s 1 2 6 8 72 6 9 3 ． Zh a n g J i x i o n g， Mi a o Xi e x i n g， Ma o Xi a n b i a o ， e t a 1 ． Re s e a r c h o n wast e s u b s t i t u t i o n e x t r a c t i o n o f s t ri p e x t r a c t i o n c o a l p i l l a r m i n i n g [ J ] ． C h i - n e s e J o u r n al o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 2 6 S 1 2 6 8 72 6 9 3 ． [ 7 ] 钱 呜高， 缪协兴 ， 许家林． 岩层控制 中的关键层理论研究 [ J ] ． 煤 炭学报 ， 1 9 9 6， 2 1 3 2 2 52 3 0 ． Q i a n M i n g g a o 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51 3 9 ． 杨学祥． 均步载荷下一端固定 的文克 尔地基梁的基底压力特性 及其工程意义[ J ] ． 工程力学 ， 2 0 0 6， 2 3 1 1 7 67 9 ． Ya n g Xu e x i a n g ． T h e f e a t u r e o f f o un d a t i o n p r e s s u r e o n wi n k l e r f o u n d a t i o n ． b e a m w i t h o n e fi x e d e n d a n d it s a p p l i c a t i o n [ J ] ． E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， 2 0 0 6， 2 3 1 1 7 67 9 ． 崔弈 ， 姜忻良， 鲍鹏 ． 变基床系数弹性地基梁解法及其应用 [ J ] ． 岩土力学 ， 2 0 0 3 ， 2 4 4 5 6 5 5 7 8 ． C u i Yi ， J i a n g Xi n l i a n g， Ba o P e n g ．Co mp u t i n g me t h o d o f e l a s t ic f o u n d a t i o n b e a m w i t h v a r i ab l e b e d d i n g v a l u e a n d i t s a p p l i c a t i o n [ J ] ． R o c k a n d S o i l M e c h a n i c s ， 2 0 0 3 ， 2 4 4 5 6 5 5 7 8 ． 阎盛海． 地下建筑结构 中弹性地基 直梁的初参数法 [ J ] ． 大连 大学学报 ， 2 0 0 1 ， 1 2 2 91 8 ． Ya h S h e n g h a i ． I n i t i a l p a r a me t e r me t h o d i n b e a ms o n e l a s t i c f o u n d a t i o n o f u n d e r ． g r o u n d a r c h i t e c t u r a l s t r u c t u r e s 『 J} ． J o u r n a l o f D ali a n U n i v e r s i t y ， 2 0 0 1 ， 1 2 2 91 8 ． A P S塞尔瓦杜雷． 土与基础相互作用 的弹性分 析[ M] ． 北 京 中国铁道 出版社 ，