砂卵石地層條件下盾構掘進機理與實踐（簡體書）

《砂卵石地層條件下盾構掘進機理與實踐》以成都地鐵1號線為工程案例，系統研究砂卵石地層地質力學特性、盾構選型、掘進參數及其盾構掘進性能的影響因素。根據國內外研究現狀，對當前隧道掘進機進行了科學分類。結合現場及室內試驗分析了該類地層的力學不穩定特性，探討了導致盾構掘進性能低下的主要原因。同時，介紹了專為該類地層開發的數據模型生成系統，進行了卵石空間形態對力學性能影響的深入探討。並推導該類地層力學特性的理論計算模型，通過數值方法進行了驗證。
《砂卵石地層條件下盾構掘進機理與實踐》既介紹了隧道掘進機分類、盾構選型依據、盾構選型方法及盾構掘進參數優化過程，又闡述了卵石地層的力學特性，可為專業技術人員在類似地層中修建城市地下鐵道、交通隧道時確定盾構選型、掘進參數等提供參考。

《砂卵石地層條件下盾構掘進機理與實踐》主要依據成都地鐵現場施工數據及隧道掘進機施工中遇到的問題，對卵石土類混合材料進行了理論、室內試驗及數值模擬等方面的研究，解決了卵石土混合材料等效彈性模量預測、卵石不同形狀及方位對卵石土混合材料力學性能的影響機理、隧道掘進機在該地層的破巖機理及破巖模式以及復雜數值計算模型的生成等問題。

第1章成都地鐵1號線概況
1.1地質概況
1.1.1區域地質構造
1.1.2水文地質條件
1.1.3工程地質條件
1.2成都地鐵盾構選型與設計
1.2.1隧道掘進機分類
1.2.2盾構各部件性能描述
1.2.3成都地鐵盾構設備選型
1.2.4盾構主要設計要點
1.2.5管片概況

第2章成都地鐵盾構掘進性能及影響因素分析
2.1時間分析
2.2性能研究
2.2.1進度分析
2.2.2影響因素
2.3成都地鐵中遇到的問題
2.3.1刀具磨損
2.3.2刀盤堵塞
2.3.3地表沉降
2.4對策
2.4.1土體改良
2.4.2盾構改造
2.4.3其他措施

第3章卵石土性能試驗研究
3.1卵石形態現場試驗
3.1.1卵石直徑分佈規律
3.1.2卵石形狀指標
3.1.3卵石方位統計
3.2試樣準備
3.2.1卵石級配確定
3.2.2卵石密度試驗
3.2.3土樣選擇
3.2.4試驗用量計算
3.3試驗過程
3.3.1試驗方案
3.3.2試驗步驟
3.4試驗結果與分析
3.4.1數據整理方法
3.4.2數據整理結果
3.4.3試驗結果分析
3.5試驗成果對成都地鐵盾構施工的指導意義

第4章混合材料數值模型生成算法與程序設計
4.1隨機數的產生
4.1.1蒙特卡羅法
4.1.2均勻分佈隨機數的產生
4.1.3正態分佈隨機數的產生
4.1.4指數分佈隨機數的產生
4.2卵石隨機定位技術
4.2.1模型網格化分
4.2.2網格點隨機序列生成
4.3卵石相互位置關係判斷
4.3.1圓的生成判斷
4.3.2橢圓生成判斷
4.3.3矩形與矩形
4.3.4通用覆蓋判別法
4.4二次開發AutoCAD
4.5與ANSYS接口
4.6程序運行流程

第5章卵石空間、幾何特性對混合體變形性能的影響
5.1計算條件
5.1.1軟件ANSYS介紹
5.1.2模型邊界條件
5.1.3研究目的
5.2橢圓方位的影響
5.2.1數值模型
5.2.2結果分析
5.3橢圓扁平度的影響
5.3.1數值模型
5.3.2結果分析

第6章卵石土混合材料變形性能理論預測模型推導
6.1模型綜述
6.1.1並聯模型
6.1.2串聯模型
6.1.3有效介質
6.1.4能量理論
6.1.5變分原理
6.1.6其他模型
6.2新理論模型推導
6.2.1矩形包含物
6.2.2球形包含物
6.2.3橢球包含物
6.3影響範圍研究
6.4理論模型與試驗結果比較
6.5理論公式與數值計算結果比較

第7章理論強度預測模型在盾構中的應用
7.1RFPA軟件原理
7.1.1軟件介紹
7.1.2材料非均勻性描述
7.1.3均質度確定
7.1.4本構模型
7.2模型建立
7.2.1模型尺寸確定
7.2.2單刀作用
7.2.3雙刀作用
7.2.4邊界條件
7.3參數確定
7.3.1宏觀與微觀參數轉化
7.3.2刀具參數
7.3.3卵石參數
7.3.4卵石土參數
7.4計算結果分析
7.4.1單刀作用
7.4.2雙刀作用
7.5數值模擬結果及其工程應用
7.5.1數值分析結果
7.5.2結果分析
7.5.3工程應用
參考文獻

RFPA軟件的前處理程序從材料的組成和結構性質出發，并采用力學性質弱化的方法處理弱區和裂隙。為了讓隨機分布的細觀單元具有等同的損傷破裂概率，在RFPA2D中采用正方形規則單元來劃分網格并應用線彈性有限元作為應力分析工具。這些研究思想和處理方法發展了有限元的功能，并使得利用有限元處理破壞問題成為可能，充分考慮材料破裂過程中伴隨的非線性、非均勻性，其主要特點如下：
（1）假設材料是各向同性體；
（2）材料的損傷量、聲發射同破壞單元數成正比；
（3）單元性質是線彈一脆性或脆一塑性的，單元的彈性模量和強度等其他參數服從某種分布，如尾正態分布、韋伯分布、均勻分布等；
（4）當單元應力達到破壞的準則發生破壞，并對破壞單元進行剛度退化處理，故可以用連續介質力學方法處理物理非連續介質問題；
（5）材料破裂過程中的宏觀非線性主要原因是微觀上的非均勻性，將材料的不均質性參數引入到計算單元，宏觀破壞是單元破壞的積累過程；
（6）破壞單元不具備抗拉能力，但是具備一定的抗擠壓能力；
（7）破壞單元的力學特性變化是不可逆的；
（8）可以考慮微觀缺陷，也可以考慮節理、裂隙等宏觀缺陷；
（9）特別適宜于研究由局部破壞過程引起的應力重新分布對進一步變形和破壞過程的影響；
（10）通過模擬巖石破裂過程的聲發射規律，從而研究巖石失穩破壞的前兆特征。
在使用方面，RFPA具有以下顯著特點：
（1）系統界面友好，不出現任何與數值計算方法有關的術語，用戶只需提供與研究對象有關的幾何參數和力學參數，就可以用幾何作圖方式構造力學模型；
（2）所有操作都是針對圖形進行的；
（3）豐富直觀的前后處理；
（4）可進行多窗口前后處理編輯。
RFPA目前已應用于非均勻巖石破裂過程及其聲發射特性、邊坡、巖層移動、突水、瓦斯突出等采礦工程問題；震源孕育模式、水力壓裂、巖石應力一應變一滲透率試驗等巖石力學基本問題；混凝土斷裂、短纖維增強、圓形顆粒增強等材料破壞問題的數值模擬研究，與試驗和實際結果表現出很好的一致性。
7.1.2材料非均勻性描述
1939年，weibull率先提出用統計數學描述材料非均勻性的方法，應用最弱環原理對強度的統計理論作了基礎性的研究工作，后經發展形成統計斷裂力學這一學科。對于巖石類脆性材料精確測量破壞時的強度是不可能的，但在給定應力水平下發生破壞的概率是可以定義的，基于這樣的思想，并經過大量的試驗，weibull建議使用具有門檻值的冪函數律來描述強度極值分布律，后來這種分布在統計學中被稱為Weibull分布，它對尺度效應、強度理論的研究起到了重要作用。假設這些離散后的基元體力學性質的分布是統計性的，并引入二—參數weibull統計分布函數來進行描述，則力學參數u的統計分布概率密度為。