本书简明扼要地阐述了隧道力学的基础理论、解析模拟、数值模拟、物理模拟、参数估计与不确定性分析。正文分八章,依次阐述了:固体力学基础,隧道与围岩,深埋隧道弹粘塑性力学解析理论,浅埋隧道经验公式与解析理论,浅埋隧道环境力学解析理论,数值模拟,物理模拟,参数估计与不确定性分析。附录包含四个部分,分别阐述了:弹性平面问题的复变函数解法,平面均匀应力场的弹性解,均匀初始应力场深埋圆截面隧道弹性解的复变函数法推导,无限长弹性地基梁的解析解。
样章试读
目录
前言 1 固体力学基础 1 1 1 应力分析 1 1 1 1 应力张量 1 1 1 2 剪应力互等定理与平衡方程 3 1 1 3 主应力和应力不变量 4 1 2 应变分析 5 1 2 1 应变张量 5 1 2 2 主应变和应变不变量 8 1 2 3 变形协调方程 9 1 3 本构模型 10 1 3 1 本构模型的类型 10 1 3 2 弹性本构方程 12 1 3 3 弹塑性本构方程 14 1 3 4 黏G弹塑性本构方程 28 1 4 固体力学控制微分方程与求解过程 35 1 4 1 弹性力学控制方程组与求解过程 35 1 4 2 弹性力学平面模型与应力函数解法 37 1 4 3 弹黏塑性力学控制方程组与弹塑性增量本构方程的数值积分 39 1 4 4 黏G弹性力学控制方程组与求解方法 422 隧道与围岩 44 2 1 隧道的受力特点与力学模型 44 2 1 1 隧道的分类和受力特点 44 2 1 2 自然拱与隧道埋深划分 45 2 1 3 隧道的地层G结构模型 47 2 1 4 围岩特征线与支护特征线 49 2 1 5 隧道的荷载G结构模型与荷载计算方法 50 2 2 隧道施工基本内容与围岩行为分类 58 2 2 1 隧道施工基本内容 58 2 2 2 隧道围岩行为分类 61 2 3 围岩的结构特征与物理力学特征 62 2 3 1 围岩的结构特征 62 2 3 2 围岩的基本物理力学性质 63 2 3 3 围岩的初始应力 64 2 3 4 围岩的霍克G布朗屈服准则 65 2 4 围岩分级 (类) 66 2 4 1 围岩分级的目的与指标 66 2 4 2 中国铁路隧道围岩分级及围岩压力经验公式 66 2 4 3 太沙基分级 (简介 ) 71 2 4 4 RMR分级 71 2 4 5 Q分级与应用 75 2 4 6 RMR分级与 Q分级之间的相关性 80 2 4 7 土的分类 823 深埋隧道弹黏塑性力学解析理论 84 3 1 深埋隧道围岩应力G位移场与基本假设 84 3 1 1 深埋隧道围岩应力G位移场 84 3 1 2 深埋隧道解析模型的基本假设 86 3 2 均匀初始应力场内任意方位深埋圆截面隧道围岩弹性解 87 3 2 1 控制方程组 87 3 2 2 边界条件 88 3 2 3 解析解 89 3 3 均匀初始应力场内深埋圆截面隧道弹性解 90 3 3 1 控制方程组 90 3 3 2 边界条件 91 3 3 3 解析解 91 3 4 均匀各向同性初始应力场内深埋圆截面隧道弹塑性解 93 3 4 1 基本解析模型 93 3 4 2 针对莫尔G库仑屈服准则和理想弹塑性零塑性体积应变模型的解析解 94 3 4 3 针对莫尔G库仑屈服准则和弹G脆塑性非关联流动模型的解析解 98 3 4 4 针对霍克G布朗屈服准则和弹G脆塑性非关联流动模型的解析解 101 3 4 5 针对无量纲霍克G布朗屈服准则和理想弹塑性非关联流动模型的解析解 103 3 5 均匀各向同性初始应力场内深埋圆截面隧道黏弹性解 105 3 5 1 针对麦克斯韦黏弹性模型的径向相对位移 106 3 5 2 针对开尔文黏弹性模型的径向相对位移 106 3 5 3 针对伯格斯黏弹性模型的径向相对位移 107 3 6 均匀各向同性初始应力场内深埋圆截面隧道弹G脆黏塑性解 107 3 6 1 围岩初始弹性区的应力和相对位移 108 3 6 2 围岩初始塑性区的应力和相对位移 108 3 6 3 围岩瞬态塑性区的应力和相对位移 110 3 6 4 围岩终态塑性区的应力和相对位移 111 3 6 5 围岩瞬态弹性区的应力和相对位移 111 t)的确定 3 6 6 函数f( 112 3 6 7 塑性剪胀系数νp的确定 113 3 7 均匀初始应力场内深埋圆截面隧道线性应变硬化/软化弹塑性解 113 3 7 1 线性应变硬化/软化弹塑性模型与德鲁克G普拉格屈服准则 113 3 7 2 简化德鲁克G普拉格线性应变硬化/软化模型与解析解及推导过程 116 3 8 均匀初始应力场内深埋椭圆截面隧道弹性解 120 3 9 均匀初始应力场内深埋边界分段光滑截面隧道复势函数弹性解 121 3 9 1 围岩应力和位移的复势函数弹性解 121 3 9 2 应用举例 1284 浅埋隧道经验公式与解析理论 132 4 1 浅埋隧道地层位移的经验公式 132 4 2 无初应力地层浅埋圆截面隧道虚像法弹性解 136 4 2 1 萨格塞塔解的推导过程(Sagaseta,1987) 137 4 2 2 沃卢杰G布克解的推导过程(Ver uijtandBooker,1996) 141 4 2 3 盾构法隧道开挖的等效地层损失参数(LoganathanandPoulos,1998) 143 4 3 无初应力地层浅埋圆截面隧道的复势函数弹性解 144 4 3 1 保角变换与复势函数的罗朗(Laurent)级数 144 4 3 2 地表边界条件与应用 145 4 3 3 隧道面力边界条件与应用(Ver uijt,1998) 146 4 3 4 隧道位移边界条件与应用(Ver uijt,1997) 149 4 4 有重地层浅埋圆截面隧道应力函数法弹性解 151 4 4 1 边界条件 151 4 4 2 应力函数法求解(MatsumotoandNishioka,1991) 152 4 5 有重地层浅埋圆截面隧道衬砌应力函数法弹性解 159 4 6 无初应力地层浅埋隧道随机介质理论解 1625 浅埋隧道环境力学解析理论 165 5 1 隧道开挖影响分区 165 5 1 1 筒仓模型与地层竖向应力分布 165 5 1 2 自由地层隧道开挖影响分区与地层荷载的作用 166 5 2 承载地层浅埋隧道开挖塑性区的解析法预测 168 5 2 1 自由地层浅埋隧道开挖以后的地层应力 169 5 2 2 既有地层荷载产生的地层应力 169 5 2 3 承载地层浅埋隧道开挖以后的地层应力与塑性区 173 5 3 桩基荷载地层浅埋隧道开挖塑性区的解析法预测 174 5 3 1 自由地层浅埋隧道开挖以后的应力 175 5 3 2 既有桩基荷载产生的地层应力 175 5 3 3 桩基荷载地层浅埋隧道开挖以后的应力和塑性区 176 5 4 导洞G隔离桩对浅埋隧道开挖影响限制的解析法预测 176 5 4 1 工程概况 176 5 4 2 导洞G隔离桩变位及附近地层变位的解析法预测 177 5 5 浅埋隧道开挖对地下管道影响的解析法预测 182 5 5 1 地下管道的邻近等级 182 5 5 2 地层沉降对地下管道影响的弹性地基梁算法 183 5 6 浅埋隧道开挖对地表房屋影响的等效梁极限拉应变法预测 189 5 6 1 基本思路 189 5 6 2 计算预测步骤 190 5 7 浅埋隧道施工降水引起地层沉降和单桩沉降的简化估算 194 5 7 1 浅埋隧道施工降水引起地层沉降的简化估算 194 5 7 2 浅埋隧道施工降水引起单桩沉降的简化估算 194 5 8 水下浅埋隧道排水量及水压力的解析模型 196 5 8 1 浅埋隧道等水头排水解析模型 197 5 8 2 浅埋隧道等水压排水解析模型 198 5 8 3 隧道衬砌结构地下水压强解析模型 1986 数值模拟 203 6 1 数值模拟方法的要点和分类 203 6 2 有限元法 206 6 2 1 区域离散与单元模型 206 6 2 2 有限元刚度方程与求解方法 216 6 3 边界元法 223 6 3 1 边界元法的理论基础 223 6 3 2 直接边界元法与边界元法的优缺点 225 6 3 3 间接边界元法的基本公式 226 6 4 有限差分法 230 6 4 1 直接差分与平均差分 230 6 4 2 平均差分模型与拉格朗日算法 232 6 5 离散元法 239 6 5 1 时刻 t,计算单元的 (质心 )位移加速度 u和(刚体 )转动加速度 θ 240 6 5 2 时刻 t+Δ t/2,计算单元的位移速度 u和转动速度 θ 243 6 5 3 时刻 t+Δ t,计算单元的位移 u和转动角度 θ 243 6 5 4 令t.t+Δ t,转入上面的第一步 ,进入单元的下一个计算循环 243 6 6 隧道开挖与支护的数值模拟方法 244 6 6 1 开挖的数值模拟方法 244 6 6 2 支护的数值模拟方法 245 6 7 算例1———某地铁车站暗挖施工对附近既有公路隧道结构影响的有限元 计算分析 248 6 8 算例2———某明挖地铁车站结构侧墙混凝土早期温度和温度应力的有限 元计算分析 255 6 8 1 新混凝土侧墙早期温度场的计算分析 256 6 8 2 新混凝土侧墙早期温度应力场的计算分析 2597 物理模拟 264 7 1 物理模拟试验及分类 264 7 2 物理模拟试验的比例常数与相似关系 265 7 3 物理模拟试验的相似条件及其确定方法 266 7 3 1 方程分析法 267 7 3 2 量纲分析法 268 7 4 离心模型试验 271 7 4 1 离心模型试验原理及离心机类型 271 7 4 2 离心模型试验的局限性 276 7 5 隧道模型试验方法 279 7 5 1 隧道模型试验系统 279 7 5 2 隧道开挖的物理模拟方法 2808 参数估计与不确定性分析 285 8 1 参量模型 285 8 2 参数的平均值 288 8 2 1 参数平均值的类型与特点 288 8 2 2 复合地层的平均弹性模量 290 8 3 参数估计方法的分类 291 8 3 1 逆分析法 291 8 3 2 普通统计法 292 8 3 3 地质统计法 292 8 4 参数估计的逆分析法 292 8 4 1 逆问题解法的分类 292 8 4 2 逆问题求解的间接法 293 8 4 3 后验协方差及后验概率分布 295 8 4 4 逆问题的参数选择与敏感度分析 296 8 5 参数不确定性分析方法 296 8 5 1 参数的不确定性与概率力学模型 296 8 5 2 可靠度模型与破坏概率 297 8 6 随机抽样法 302 8 6 1 参数模型与随机参数生成方法 302 8 6 2 蒙特卡罗法 303 8 7 一阶二次矩法 306 8 8 一阶可靠度法 307 8 8 1 一阶可靠度法的基本思想 307 8 8 2 一阶可靠度法的几何意义 309 8 8 3 一阶可靠度法的计算方法 309 8 8 4 改进一阶可靠度法 311 8 9 算例———某浅埋隧道施工引起附近既有桥梁桩基差异沉降的概率分析 312附录 A 弹性平面模型的复变函数解法 317 A 1 解析函数 317 A 2 应力函数的复变函数表达式 318 A 3 弹性平面模型的复变函数解 319 A 4 保角映射下弹性平面模型的复变函数解 322 A 5 多连通无限弹性平面模型的复势函数 325附录 B 无限平面均匀应力场的弹性解 328 B 1 无限弹性平面均匀应力场 328 B 2 无限弹性平面均匀应力场的复势函数 328 B 3 无限弹性平面均匀应力场的位移和应变 328附录 C 均匀初始应力场深埋圆截面隧道弹性解的复变函数法推导 331 C 1 初始主应力σ0 x 单独作用时围岩的应力和位移 331 C 2 初始主应力σ0 单独作用时围岩的应力和位移 333 C 3 均布径向支护抗y 力集度p单独作用时围岩的应力和位移 333 C 4 σ0 x 、σ0、p共同作用时的应力和隧道开挖G支护产生的位移 334附录 D 深埋椭圆y 截面隧道的复势函数 335 D 1 深埋有支护椭圆截面隧道基于规则映射函数的复势函数 335 D 2 深埋有支护椭圆截面隧道基于非规则映射函数的复势函数 336 D 3 深埋有支护椭圆截面隧道弹性解的唯一性 338附录 E 无限长弹性地基梁的解析解 339 E 1 弹性地基梁的基本方程 339 E 2 集中荷载作用下无限长弹性地基梁的变位和内力 340 E 3 三角形分布荷载作用下无限长弹性地基梁的变位和内力 341参考文献 343]]>