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出版者:煤炭工业出版社

作者:刘希亮

出品人:

页数:278 页

译者:

出版时间:2004年01月

价格:28.0

装帧:平装

isbn号码:9787502024154

丛书系列:

图书标签:

• 表土
• 不稳定地层
• 井壁受力
• 岩土工程
• 工程地质
• 深基坑
• 桩基
• 数值模拟
• 土力学
• 工程安全

深厚表土不稳定地层中井壁受力研究 序言 地下工程的建设，从古至今，都扮演着至关重要的角色。无论是古代用于蓄水、储藏的地下空间，还是现代用于交通、能源、军事的复杂地下网络，都离不开对地下岩土介质的深入认知与精细控制。尤其是在地层条件复杂多变的区域，如存在深厚表土或不稳定地层的地下开挖，对工程安全性的挑战尤为严峻。井壁作为地下空间最基础的结构单元，其稳定与否直接关系到整个工程的成败。 本书聚焦于这一关键性问题，深入探讨在深厚表土及不稳定地层环境下，井壁所承受的复杂应力状态及其力学响应。我们将以严谨的科学态度，系统的理论分析，结合先进的数值模拟方法，旨在为理解和解决这类地层中井壁失稳的关键机制提供理论支撑与技术指导。 第一章：地下开挖与地层特性概述 本章将首先梳理地下开挖工程的基本类型及其发展历程，重点阐述在不同地层条件下，地下开挖所面临的共性与个性问题。随后，我们将着重介绍深厚表土（如黏性土、粉土、砂土等）的典型工程地质特征，包括其力学性质、渗透性、固结特性以及在开挖扰动下的行为表现。 1.1 地下开挖工程的分类与演进 空间维度分类： 隧道、地铁、竖井、地下洞室、地下管线等。 开挖方式分类： 盾构法、明挖法、钻爆法、顶管法等。 工程目标与功能： 交通运输、市政给排水、电力通信、石油天然气输送、人防工程、地下仓储等。 地下开挖面临的挑战： 地层变形、地下水涌入、围岩失稳、地表沉降、邻近结构物影响等。 1.2 深厚表土的工程地质特性 黏性土： 塑性、低渗透性、敏感性、触变性、固结沉降等。 粉土： 颗粒级配介于砂土和黏性土之间，具有一定的渗透性和压缩性，易受水力侵蚀。 砂土： 颗粒度较大，渗透性好，在饱和状态下易发生液化，干砂在扰动下易坍塌。 混合土层： 复杂的地层组合，如砂夹黏土、黏土夹砂等，其行为表现更加复杂。 工程地质勘察方法： 地质钻探、室内土工试验、原位测试（如SPT、CPT、十字板剪切试验等）。 1.3 不稳定地层的识别与评价 不稳定性地层的概念： 指在自然状态下或受工程扰动后，容易发生变形、失稳甚至坍塌的地层。 常见的不稳定地层类型： 松散砂土、饱和软黏土、高含水量粉土、软弱夹层、滑坡体、膨胀土、冻土等。 不稳定性判别指标： 强度指标（如内摩擦角、黏聚力）、变形模量、孔隙比、含水量、灵敏度、超孔隙水压力等。 地层稳定性评价方法： 经验判别法、基于力学模型分析法、数值模拟评价法。 第二章：井壁的结构形式与受力机理 本章将系统介绍地下工程中常见的井壁结构形式，从材料、构造及受力特点等方面进行分类阐述。在此基础上，深入分析井壁在不同荷载作用下的基本受力机理，包括荷载的来源、传递路径以及其对井壁内力（轴力、剪力、弯矩）的影响。 2.1 井壁结构的基本类型 混凝土结构： 钢筋混凝土井壁、素混凝土井壁。 整体浇筑式： 适用于开挖面较小的圆形或方形井。 分段砌筑式： 适用于大型或不规则形状的井。 钢结构： 钢板桩、钢支撑等。 临时性支撑结构： 在基坑开挖过程中提供支护。 永久性结构： 作为井壁的整体承载构件。 组合结构： 钢筋混凝土与钢支撑的组合，或不同类型材料的复合。 新型井壁结构： 如地下连续墙、注浆加固井壁等。 2.2 井壁荷载的组成与分析 土压力： 静止土压力： 地层未受扰动时的主动或被动土压力。 主动土压力： 井壁向外侧位移时，地层施加的土压力。 被动土压力： 井壁向内侧位移时，地层施加的土压力。 朗肯（Rankine）土压力理论与库仑（Coulomb）土压力理论及其适用范围。 考虑地层参数（内摩擦角、黏聚力、单位重度）的影响。 水压力： 静水压力： 基于地下水位计算。 动水压力： 在地下水流动条件下产生。 渗透压力： 地下水渗透引起的作用力。 考虑渗透系数、地下水位变化的影响。 结构自重： 井壁自身材料的重量。 施工荷载： 绑扎钢筋、模板安装、混凝土浇筑等施工过程中产生的临时荷载。 其他荷载： 邻近结构物荷载、地表活载、地震荷载（视具体工程情况）。 2.3 井壁的内力分析 轴力： 沿井壁轴线方向的合力，主要由土压力和水压力引起。 剪力： 垂直于井壁轴线方向的合力，主要由侧向土压力和水压力梯度引起。 弯矩： 引起井壁弯曲的力矩，主要由不均匀土压力、水压力以及地层变形引起。 轴力、剪力、弯矩的相互关系与分布规律。 第三章：深厚表土中井壁受力特性 本章将深入分析深厚表土层中井壁所承受的独特应力状态。我们将结合表土的力学特性，探讨其对土压力分布、水力条件以及井壁变形的影响。重点关注由于地层厚度大、土体连续性差以及潜在的不均匀性，导致井壁承受的侧向土压力、竖向荷载以及不均匀沉降等问题。 3.1 深厚表土层中土压力的分布特征 土拱效应与土拱消散： 表土层中土拱效应的形成机制及其对井壁受力的影响。 朗肯土压力与库仑土压力在深厚表土中的适用性修正。 考虑土体强度折减与应力路径的影响。 饱和黏性土中的超孔隙水压力累积与消散过程。 松散砂土中固结系数对土压力传播的影响。 3.2 深厚表土中水力条件的影响 高地下水位与渗透涌水： 涌水量控制与水压力计算。 饱和度对土体强度与压缩性的影响。 考虑固结排水条件下的孔隙水压力变化。 土体渗透性不均对水压力分布的影响。 3.3 深厚表土中井壁的变形分析 整体沉降与差异沉降： 深厚表土层易发生显著的整体沉降，并可能存在差异沉降。 井壁的径向变形与环向变形。 轴向变形与层间剪切。 考虑土体蠕变效应。 3.4 深厚表土中井壁失稳模式的探讨 屈曲失稳： 尤其是在围岩支撑不足的情况下。 整体倾覆或滑动。 局部破坏（如拉裂、压碎）。 由于不均匀沉降引起的附加弯矩和剪力。 第四章：不稳定地层中井壁的力学行为 本章将聚焦于不稳定地层对井壁力学行为的影响。我们将分析这些地层固有的低强度、高变形性以及易于发生滑动或坍塌的特点，如何在井壁的应力状态、变形模式和失稳机制上产生显著变化。 4.1 不稳定地层的力学模型与本构关系 软黏土的本构模型： Modified Cam-Clay模型、DSS模型等。 松散砂土的弹塑性本构模型。 考虑剪胀与剪缩效应。 饱和土中的有效应力原理。 4.2 不稳定地层中土压力与水压力的特性 主动土压力与被动土压力的变化： 在低强度地层中，可能出现土压力系数显著减小的情况。 静止土压力系数的取值问题。 塑性区和弹塑性区的形成与扩展。 流塑区（liquefaction zone）的出现及影响。 考虑地下水流速对水压力的影响。 4.3 不稳定地层中井壁的变形与破坏 弹塑性变形： 井壁在不稳定地层中更容易发生较大的弹塑性变形。 滑坡与坍塌： 井壁可能成为滑坡或坍塌的触发点，或被卷入其中。 不均匀沉降与隆起： 基础不均匀沉降，或底部土体向上隆起。 连接处的剪切破坏。 4.4 不稳定地层中井壁的失稳判别与加固 极限承载力分析。 基于位移的稳定性判别。 加固技术： 注浆、土钉墙、锚杆、预应力锚索、土体改良等。 第五章：数值模拟方法在井壁受力研究中的应用 本章将介绍如何利用现代数值模拟技术，如有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）等，来分析深厚表土不稳定地层中井壁的复杂受力行为。我们将重点阐述模型的建立、参数的选取、边界条件的设定以及结果的解释，并结合工程实例，展示数值模拟在解决实际工程问题中的价值。 5.1 数值模拟的基本原理与常用软件 有限元法（FEM）： 离散化、单元划分、节点位移、应力应变计算。 有限差分法（FDM）： 网格划分、差分格式、方程求解。 常用软件介绍： FLAC, ABAQUS, ANSYS, COMSOL等。 5.2 模型建立与参数选取 几何模型： 真实地形地貌、地层分层、井壁结构的空间复现。 材料本构模型： 根据地层特性选择合适的本构关系（如 Mohr-Coulomb, Drucker-Prager, Cambridge Clay等）。 边界条件： 固支边界、自由边界、位移约束、荷载施加。 初始条件： 初始应力状态、初始孔隙水压力。 参数反演与优化。 5.3 模拟过程与结果分析 荷载施加顺序： 模拟不同施工阶段的荷载累加。 模拟计算： 瞬态分析、稳态分析、动力分析。 结果后处理： 应力分布： 土压力、水压力、井壁应力。 位移场： 地层变形、井壁变形（径向、环向、轴向）。 孔隙水压力分布与变化。 塑性区与破坏区判别。 内力分析： 轴力、剪力、弯矩图。 5.4 工程实例分析 选取典型的深厚表土或不稳定地层中的井壁工程案例。 描述工程背景、地层条件、井壁结构。 展示数值模拟的过程与关键结果。 对比模拟结果与实测数据，验证模型可靠性。 基于模拟结果，提出优化设计或施工建议。 第六章：综合评价与设计建议 本章将总结前述章节的研究成果，对深厚表土不稳定地层中井壁的受力特点进行综合评价。在此基础上，提出一系列针对性的工程设计原则、施工控制要点及风险评估方法，以期指导实际工程实践，提高井壁的安全性与可靠性。 6.1 深厚表土不稳定地层中井壁受力特性总结 应力集中与卸载效应。 地层变形对井壁的附加应力。 水力-力学耦合作用的重要性。 不同地层组合下的复杂应力状态。 6.2 工程设计原则与方法 地层特性识别与评价的精度要求。 井壁结构形式的选择与优化。 荷载组合与安全系数的确定。 考虑变形控制的设计。 地基承载力与沉降控制。 地下水控制与排水设计。 6.3 施工过程中的监测与控制 施工监测的内容： 地层位移、井壁变形、孔隙水压力、周围环境。 监测方法的选择与布置。 预警机制的建立。 施工参数的动态调整。 不良地质情况下的应急预案。 6.4 风险评估与对策 主要风险识别： 失稳、涌水、地表沉降、邻近结构物影响等。 风险等级评估。 风险规避与应对策略。 全生命周期内的风险管理。 参考文献 附录 （可能包含详细的计算公式、试验数据、图表等） 本书的编写，旨在为地下工程领域的研究者、设计者和施工人员提供一个系统、深入的参考。我们希望通过对这一复杂问题的细致剖析，能为更安全、更经济、更高效的地下空间开发提供理论基础和实践指导。

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说实话，我抱着很高的期待入手这本书，主要是想看看它在处理“井壁受力”这一特定工程问题时，有哪些独到的见解和创新的分析方法。这本书给我的感觉是极其务实，它完全没有浪费笔墨在不相干的理论拓展上，而是紧紧围绕着“不稳定”这个核心难点展开论述。我最欣赏的是它对现场监测数据和理论模型的交叉验证部分。书里列举了好几个案例，展示了理论计算值与实际监测到的井壁变形、应力集中点的差异。这种对比分析非常具有说服力，让我明白了为什么在实际操作中，仅仅依靠标准的规范设计往往是不够的，必须结合地层自身的特异性进行动态调整。特别是关于动态扰动对井壁稳定性的影响分析，那几节内容简直是教科书级别的！它不仅仅描述了现象，更深入探究了背后的机理，让我对如何预判和控制潜在的灾变过程有了更深刻的认识。虽然书中包含了不少专业术语，但整体的逻辑推导非常流畅，像是在听一位经验丰富的大师为你逐步解构一个复杂的工程难题。

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这本书的装帧和排版，坦白讲，非常“学术”。如果你期待的是那种图文并茂、轻松阅读的科普读物，那你可能会感到有些枯燥。它更像是为研究人员和资深工程师准备的工具书。不过，这种严谨性恰恰是它的价值所在。我注意到书中对不同类型支护结构（比如套管、注浆等）在不同不稳定性条件下的响应差异进行了详尽的对比。这一点对我个人的工作很有启发性，因为在项目选择支护方案时，成本效益和长期可靠性是关键的平衡点。这本书提供了一个强大的理论框架，可以帮助我们量化不同选择的优劣。例如，书中关于“屈服准则”在软弱土层中的应用讨论，就突破了传统岩土力学模型的局限性，引入了更符合实际塑性变形特征的数学描述。阅读过程中，我时常停下来，对照着自己的工作经验去套用书中的公式和流程，发现很多过去凭感觉处理的问题，现在都有了坚实的理论依据支撑。

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我最近正好参与了一个深基坑支护项目的技术复核工作，手头也有好几份相关的技术报告。翻开这本书后，我立刻找到了许多可以用来印证或反驳现有分析方法的理论基础。这本书的结构安排得非常清晰，从基本力学假设到复杂的耦合作用分析，层层递进，逻辑性极强。尤其让我眼前一亮的是其中关于“蠕变效应”与“时间依赖性”的章节。在深厚且富含黏土成分的表土中，井壁的长期稳定性主要取决于土体的时间效应，而这本书对这个时间维度上的力学响应进行了系统化的建模和讨论，这在同类书籍中是比较少见的深度。它不仅仅是关于“稳定”与“破坏”的二元对立，更多是关于“如何控制变形速率”的哲学。总而言之，这是一部需要反复阅读、边学边用的专业书籍，对于任何致力于解决复杂地下工程挑战的人来说，它都算得上是一笔宝贵的智力投资，提供了坚实的理论后盾和创新的分析工具。

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读完这本专著，我有一个非常直观的感受，那就是作者对工程实践的深刻理解远超一般学者。很多理论研究往往止步于理想化的边界条件，但本书显然加入了大量“现实世界的泥泞”。比如，它详细探讨了钻井液性能波动、施工过程中的振动以及地下水位的季节性变化对井壁应力的瞬时和累积影响。这些都是在实验室模拟中难以完全复现的因素，但却是现场工程师必须面对的“噪音”。书中对这些随机性和不确定性因素的处理方法非常精妙，采用了概率分析和模糊控制的思想来评估风险等级。这种将理论严谨性与工程实用性完美融合的写作风格，使得这本书的参考价值大大提升。它不是教你照猫画虎地套用结论，而是教你如何用科学的眼光去审视和解决前所未见的复杂地层问题，这才是真正有价值的知识传递。

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这本《深厚表土不稳定地层中井壁受力研究》，光是书名就带着一股扑面而来的工程学气息，让人不禁想象那些在复杂地质条件下与自然力量抗衡的工程师们。我一直对土木工程领域，尤其是那些涉及复杂地基处理和结构稳定的课题非常感兴趣，所以这书一出来我就赶紧找来看看。首先，我得说，这本书的深度绝对不是盖的。它没有像很多科普读物那样浮于表面地介绍概念，而是直接钻进了那些令人头疼的力学模型和数值模拟里。对我这样一个非专业人士来说，很多公式和图表初看时确实需要反复琢磨，但一旦理清了思路，那种豁然开朗的感觉非常棒。作者对“深厚表土”和“不稳定地层”的定义和分类做得极为细致，这为后续的理论分析打下了坚实的基础。我特别欣赏其中关于应力路径和固结影响的章节，它清晰地阐述了在长期荷载作用下，土体如何逐步丧失其初始强度，这对理解井壁在实际服役中的长期稳定性至关重要。总的来说，它像一本高级教材，严谨、详尽，适合有一定背景知识的读者进行系统学习和参考。

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