地下工程动态设计原理

第1章概论1

1.1地下工程概述1

1.2地下工程结构形式2

1.2.1喷锚支护结构3

1.2.2复合式衬砌结构3

1.2.3贴壁式结构4

1.2.4离壁式结构4

1.2.5穹顶式结构5

1.3地下工程有关计算理论的发展过程5

1.3.1刚性结构阶段5

1.3.2弹性结构阶段6

1.3.3连续介质阶段8

1.3.4数值模拟阶段8

1.3.5可靠度分析阶段9

1.4地下结构工作特性及设计方法9

1.4.1地下结构工作特性10

1.4.2地下结构计算模型11

1.4.3地下结构设计方法13

第2章地下工程动态设计方法16

2.1地下工程动态设计法的发展16

2.1.1新奥法与地下工程动态设计16

2.1.2岩土力学反分析理论的发展17

2.1.3地下工程动态设计方法的应用18

2.2地下工程动态设计法的主要理论和技术19

2.2.1地下工程理论计算与数值计算技术19

2.2.2地下工程现场监控量测技术20

2.2.3地质超前预报技术20

2.2.4地下工程反分析理论21

2.2.5地下工程时变力学理论22

2.3地下工程动态设计法设计流程22

2.3.1工程地质勘察24

2.3.2施工前预设计25

2.3.3制定实施设计方案25

2.3.4现场监控量测26

2.3.5量测数据处理26

2.3.6信息反馈26

2.3.7根据反馈信息修正实施设计方案27

2.4地下工程施工前预设计27

2.4.1施工前预设计的地位与局限性27

2.4.2施工前预设计的方法28

2.4.3施工前预设计的内容29

2.5地下工程施工中信息反馈设计36

2.5.1地下工程施工中信息反馈设计的必要性36

2.5.2信息反馈设计的原则与要求37

2.5.3修正预设计的条件38

2.5.4信息反馈修正设计中有关处理措施40

2.6地下工程施工过程的力学特征与分析方法41

2.6.1地下工程施工过程的力学特征41

2.6.2与地下工程相关的施工过程力学分析原理42

第3章地下洞室围岩稳定与力学状态分析46

3.1地下洞室围岩稳定概述46

3.1.1围岩稳定性的影响因素46

3.1.2围岩稳定性的分析方法48

3.2岩体结构与岩体结构类型50

3.2.1岩体结构50

3.2.2岩体结构类型50

3.3块状围岩的失稳特点52

3.3.1岩体的破坏机制52

3.3.2块状岩体的失稳特点53

3.4块状围岩不稳定块体的确定54

3.4.1赤平极射投影法原理54

3.4.2赤平极射投影基本作图方法55

3.4.3块状围岩不稳定块体的赤平极射投影确定方法57

3.5围岩初始应力场61

3.5.1初始应力场的构成61

3.5.2初始应力场的变化规律62

3.5.3地下工程设计中初始地应力的考虑66

3.6洞室开挖后力学状态的弹性分析67

3.6.1毛洞室的围岩应力状态67

3.6.2毛洞室的围岩位移状态70

3.6.3洞室支护后围岩及支护的应力状态71

3.6.4非圆形洞室围岩的应力状态72

3.7洞室开挖后力学状态的弹塑性分析74

3.7.1围岩的弹塑性破坏准则74

3.7.2轴对称条件下围岩的应力状态弹塑性分析75

3.7.3非轴对称条件下的围岩应力79

3.7.4轴对称条件下围岩位移的弹塑性分析80

3.8洞室开挖后力学状态的黏弹性分析82

3.8.1轴对称问题计算模型82

3.8.2轴对称条件下围岩变形的黏弹性分析82

3.8.3轴对称条件下支护结构变形的黏弹性分析83

3.8.4轴对称条件下支护结构与围岩相互作用力的确定84

3.9洞室围岩稳定性评价86

3.9.1块体冒落型失稳86

3.9.2岩石破坏型失稳86

3.9.3塑性变形型失稳88

3.10围岩压力理论88

3.10.1围岩压力的种类88

3.10.2变形压力计算89

3.10.3松动压力计算94

第4章围岩分级及工程类比法设计100

4.1围岩的工程性质100

4.1.1岩石的物理性质与水理性质100

4.1.2岩石的力学性质101

4.1.3岩体的力学性质104

4.2围岩分级108

4.2.1围岩分级方法的发展与类型108

4.2.2围岩的基本分级因素与指标110

4.2.3几种地下工程围岩分级方法114

4.3地下工程类比法设计127

4.3.1类比法设计的步骤与一般原则128

4.3.2基于围岩分级的工程类比法设计130

4.4模糊数学理论在工程类比中的应用139

4.4.1模糊集与模式识别140

4.4.2模糊综合评判143

4.5国内外部分已建地下工程设计参数汇总148

第5章各种形式支护结构的设计计算方法154

5.1喷锚支护结构设计计算154

5.1.1喷锚支护结构的特点及功能154

5.1.2块状围岩的喷锚支护设计164

5.1.3软弱围岩的喷锚支护设计171

5.1.4整体围岩的喷锚支护设计177

5.1.5层状围岩的喷锚支护设计179

5.2整体贴壁式衬砌结构设计计算182

5.2.1整体贴壁式衬砌上的作用荷载182

5.2.2半衬砌计算185

5.2.3直墙拱衬砌计算201

5.2.4曲墙拱衬砌结构计算220

5.2.5衬砌结构截面强度及基岩强度验算224

5.3离壁式衬砌结构设计计算227

5.3.1离壁式衬砌结构227

5.3.2离壁式衬砌结构计算简图229

5.3.3离壁式衬砌结构内力计算230

5.3.4离壁式衬砌结构计算实例233

5.4穹顶式衬砌结构设计计算237

5.4.1穹顶式衬砌结构及作用荷载237

5.4.2边墙计算239

5.4.3穹顶计算243

5.4.4支座环计算249

5.4.5底板计算253

5.4.6穹顶式衬砌结构内力计算254

5.4.7整体式穹顶衬砌结构的内力计算实例257

5.5复合式衬砌结构设计263

5.5.1复合式衬砌一般规定263

5.5.2复合式衬砌结构初期支护设计264

5.5.3复合式衬砌结构二次衬砌设计264

5.5.4二次衬砌施作时间的确定264

5.5.5复合式衬砌结构设计实例265

第6章地下工程数值分析方法及相关大型软件267

6.1地下工程常用数值分析方法267

6.1.1杆系结构有限元法267

6.1.2实体单元有限元法267

6.1.3边界元法268

6.2有限元法的一般原理及单元类型268

6.2.1有限元法分析问题的基本步骤268

6.2.2单元刚度矩阵270

6.3非线性有限元及岩土本构模型277

6.3.1非线性有限元277

6.3.2岩土本构模型281

6.4地下工程弹塑性有限元解法及施工过程模拟288

6.4.1弹塑性增量理论有限元解法288

6.4.2地下工程施工过程模拟293

6.5ANSYS软件应用及实例295

6.5.1ANSYS软件概述295

6.5.2ANSYS进行地下工程分析的相关技术297

6.5.3ANSYS链杆法地下结构分析实例301

6.5.4ANSYS二维地下开挖模拟分析实例307

6.6FLAC3D软件应用及实例316

6.6.1FLAC3D软件概述316

6.6.2FLAC3D进行地下工程分析的相关技术317

6.6.3FLAC3D软件应用实例320

第7章现场监控量测与超前预报330

7.1地下工程监控量测作用与类型330

7.1.1地下工程现场监控量测的必要性与作用330

7.1.2现场监控量测按获取信息分类330

7.1.3现场监控量测按监控对象分类331

7.2位移量测331

7.2.1洞室净空相对位移（收敛）量测331

7.2.2拱顶下沉量测333

7.2.3地表下沉量测334

7.2.4围岩内部位移量测334

7.3应力量测336

7.3.1锚杆轴力量测336

7.3.2钢支撑内力量测337

7.3.3围岩与支护间接触压力量测338

7.3.4喷射混凝土层应力量测339

7.3.5二次衬砌应力量测340

7.4现场监控量测方案设计341

7.4.1确定量测项目341

7.4.2选择量测手段和仪表342

7.4.3确定量测部位及布置测点343

7.4.4观测要求及频度确定344

7.4.5量测数据警戒值及围岩稳定性判断准则345

7.4.6监控量测管理347

7.5监控量测数据处理及工程实例347

7.5.1量测数据处理347

7.5.2工程实例350

7.6地下工程超前预报技术353

7.6.1地下工程超前预报方法353

7.6.2地质雷达GPR354

7.6.3隧道地震波探测TSP359

第8章地下工程反分析362

8.1位移反分析的基本理论362

8.1.1位移反分析求解方法362

8.1.2线性及非线性问题位移反分析363

8.1.3围岩压力的位移反分析364

8.2线弹性位移反分析及其应用364

8.2.1均匀初始应力场的位移反分析364

8.2.2非均匀地应力场的位移反分析366

8.2.3围岩压力的位移反分析367

8.2.4位移反分析算例369

8.3弹塑性位移反分析及其应用369

8.3.1弹塑性位移反分析目标函数369

8.3.2单参数的位移反分析370

8.3.3多参数的位移反分析372

8.4利用ANSYS软件进行地下工程位移反分析374

8.4.1ANSYS软件的优化设计简介374

8.4.2ANSYS进行地下工程位移反分析的算例375参考文献381

　　随着计算机技术的快速发展，尤其是土木工程中计算分析软件的发展和功能的完善，使得复杂地下工程的精确计算成为可能；同时也给当代工程设计直接带来了高效率，目前设计已基本离不开软件。本书对地下工程常用的计算软件(ANSYS和FLAC3D)专门结合实例进行了介绍，使读者能尽快熟悉这些工程软件。本书力求通过丰富的实例，做到理论和实践的有机结合，使之既是学生的也是工程师的读物。　　本书全面介绍了地下工程动态设计的方法与原理，内容涵盖了地下工程结构力学、岩土力学、计算力学反分析理论以及监控量测技术等与地下工程动态设计理论相关的知识点；结合实际针对不同围岩级别，讲解了各种形式支护结构的力学状态分析与设计计算方法；并对当今地下工程中常用的计算软件(ANSYS和队AC3D)结合实例进行了详解。　　本书可作为各类高校相关专业本科生与研究生地下工程课程的教材，也可作为从事地下工程领域科研、设计与施工的相关工作人员的参考书。