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页数:387

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出版时间:2008-9

价格:49.80元

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isbn号码:9787564300012

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• 公路隧道
• 围岩工程
• 亚级分级
• 隧道工程
• 岩石力学
• 地质工程
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• 风险评估
• 工程地质
• 隧道设计

公路隧道围岩亚级分级方法的科学探索 引言 在现代公路建设中，隧道工程扮演着至关重要的角色，它能有效缩短行车距离，克服地形障碍，提升交通效率和安全性。然而，隧道的勘察、设计和施工过程，离不开对围岩特性的精准认知。围岩的性质直接影响着隧道开挖的稳定性、支护结构的安全性以及施工技术的选择。传统的围岩分级方法，虽然在一定程度上指导了工程实践，但在面对复杂的地质条件和精细化的工程需求时，其局限性日益凸显。为了更深入、更精细地理解和评价围岩的力学行为，科学界和工程界一直在探索更先进、更具操作性的围岩评价体系。 本书，《公路隧道围岩亚级分级方法》，正是诞生于这样的背景下，它旨在填补现有围岩分级体系在细致程度上的不足，提出一种更加精细化、科学化的围岩亚级分级方法。本书并非对现有围岩分级方法进行简单的罗列或重复，而是立足于对围岩力学性质、变形特性、稳定机理的深刻理解，引入了更为细致的评价维度和量化指标，以期实现对围岩复杂性的更精准捕捉。本书的研究成果，将为公路隧道工程提供更可靠的地质依据，有助于优化设计方案，提升施工安全，并最终为建设更安全、更高效的公路交通网络贡献力量。 第一章 导论：公路隧道围岩评价的挑战与机遇 公路隧道工程的成功与否，很大程度上取决于对围岩力学性能的准确把握。围岩，作为隧道结构天然的依托，其内在的物理力学性质，如强度、变形模量、渗透性、结构面特征等，直接决定了隧道开挖后的稳定性。传统的围岩分级方法，例如基于工程地质的经验分级，或是基于某些单一指标的量化分级，在一定程度上为工程实践提供了便利。然而，随着隧道工程向着更长、更深、穿越更复杂地质环境的方向发展，这些传统方法暴露出其不足之处。 其一，传统方法往往将围岩划分为几个较大的级别，这种粗粒度的划分在面对地质条件变化频繁、围岩性质差异显著的区域时，难以充分体现围岩的细微差异。例如，在同一隧道洞口附近，可能存在不同程度的风化、不同的节理发育密度，这些细微的差异可能对隧道开挖产生显著的影响，但传统的粗级分法却无法有效区分。 其二，传统的经验性分级方法，在一定程度上依赖于工程人员的经验积累，其客观性和可重复性可能受到一定限制。对于一些新接触地质条件或经验相对不足的工程师而言，依赖经验进行分级可能存在较大的不确定性。 其三，部分量化分级方法，虽然引入了量化指标，但可能侧重于单一的力学参数，而忽略了围岩系统的复杂性。围岩的稳定性并非由单一参数决定，而是由多种因素相互作用的结果。例如，单一的抗压强度指标，可能无法完全反映岩体在卸荷后的变形行为，或者岩体中是否存在不利的结构面组合。 然而，挑战往往伴随着机遇。随着科学技术的进步，我们拥有了更多先进的勘察和测试手段，例如高精度物探技术、室内岩石力学试验、现场变形监测技术等，这些都为更精细地评价围岩提供了可能。同时，数值模拟技术的飞速发展，也为我们理解围岩的复杂力学行为提供了强大的工具。 本书的出发点，正是为了应对这些挑战，抓住机遇，提出一种能够更精细、更准确地描述围岩力学特性的亚级分级方法。这种方法将超越传统分级的局限，力求在保证工程安全的前提下，实现对围岩特性的更全面、更深入的认识，从而为公路隧道工程的智能化、精细化设计与施工奠定坚实的基础。 第二章 围岩力学性质的深层解析：构建亚级分级的理论基石 公路隧道围岩的力学性质是理解其稳定性和变形行为的核心。本书将深入剖析围岩的各项关键力学参数，并在此基础上构建更为精细的亚级分级体系。 2.1 岩石物理力学参数的精细化研究 围岩的宏观力学表现，根源在于组成岩体的微观结构和矿物成分。本书将详细探讨以下岩石物理力学参数的测量方法、影响因素及其在围岩评价中的意义： 单轴抗压强度 (UCS)：这是评价岩石抵抗压实能力的最基本指标。本书将探讨UCS的测试方法，并深入分析风化程度、含水量、矿物成分、孔隙度等因素对UCS的影响。同时，将引入UCS的变异系数，以反映岩石强度在空间上的离散性，这对亚级分级尤为重要。 抗拉强度 (Tensile Strength)：虽然隧道围岩主要承受压力，但抗拉强度在某些特定应力状态下，如张力裂缝的形成，也具有重要意义。本书将讨论劈裂拉伸强度试验等测量方法。 弹性模量 (E) 和泊松比 (ν)：这两个参数描述了岩石在弹性范围内发生变形的难易程度。本书将重点分析不同岩石类型、不同加载速率、不同围压条件下E和ν的变化规律，并强调其在预测隧道围岩变形中的关键作用。 内摩擦角 (φ) 和粘聚力 (c)：这是描述岩石剪切强度的两个重要参数，广泛应用于边坡和隧道稳定性分析。本书将详细介绍直剪试验、三轴压缩试验等方法，并探讨这些参数受岩石结构、节理发育、孔隙水压力等因素的影响。 岩石塑性指标：除了脆性破坏，部分围岩可能表现出明显的塑性变形。本书将引入屈服强度、应变硬化/软化参数等，以更全面地描述围岩的变形破坏模式。 2.2 岩体结构面的影响与量化 单纯的岩石强度指标不足以完全描述围岩的力学行为，因为岩体是由许多岩石块体和它们之间的结构面（如节理、断层、层理）组成的。结构面的存在极大地降低了岩体的整体强度，并影响其变形特性。本书将聚焦于结构面特性的量化评价： 结构面参数： 产状 (Dip and Dip Direction)：结构面的倾角和倾向是评价其对隧道稳定影响的关键因素。本书将重点研究不同产状组合的结构面与隧道开挖方向之间的空间关系，并建立相应的风险评估模型。 间距 (Spacing)：结构面之间的距离直接影响岩石块体的大小，进而影响岩体的完整性。本书将讨论不同测量方法，并分析其对岩体强度折减的影响。 光滑度 (Roughness)：结构面的摩擦特性与光滑度密切相关。本书将介绍JRC（Joint Roughness Coefficient）等评价指标，并探讨其对剪切强度和变形的影响。 张开度 (Aperture)：结构面的张开度影响着岩体的渗透性和块体之间的接触状态。本书将讨论张开度的测量方法，并分析其对孔隙水压力分布和岩体变形的影响。 充填物 (Filling)：结构面中充填物的性质（如黏土、角砾、泥质等）对结构面的强度和变形影响巨大。本书将系统分析不同充填物类型及其厚度对结构面力学性能的影响。 连通性 (Connectivity)：结构面的连通性决定了岩体内部的水力传导能力和应力传递路径。本书将引入网络分析等方法，以评价结构面的连通性。 2.3 围岩变形与破坏机理的深入探讨 理解围岩的变形与破坏机理是制定合理分级标准的前提。本书将从以下几个方面进行深入探讨： 弹性变形与塑性变形：分析围岩在应力作用下的弹性变形过程，以及当应力达到一定阈值后，岩石和岩体进入塑性变形乃至破坏的过程。 卸荷效应与应力重分布：隧道开挖引起围岩应力状态的显著改变，导致应力集中和卸荷。本书将重点研究卸荷效应对围岩强度、变形能力和稳定性产生的影响。 水力-力学耦合作用：孔隙水压力对围岩的有效应力、强度和变形具有重要影响。本书将深入分析水力-力学耦合作用，特别是在渗透性较差的黏土夹层或软弱夹层的围岩中。 软弱夹层和不良地质体的特性：分析富含黏土、泥炭、或具有明显层状结构的软弱夹层对围岩整体稳定性的不利影响，并探讨其变形破坏模式。 特殊围岩类型：如膨胀性围岩、自燃性围岩、高地温围岩等，这些特殊围岩的力学行为和稳定性评价需要特别考虑其独特性质。 通过对这些力学性质的精细化研究和深入解析，本书将为后续构建更为精细化的公路隧道围岩亚级分级方法提供坚实的理论基础和数据支撑。 第三章 亚级分级方法的构建：量化、精细与系统化 在深入理解围岩力学性质的基础上，本书将提出一套系统的公路隧道围岩亚级分级方法。该方法的核心在于“量化”、“精细”和“系统化”，旨在超越传统分级方法的局限性。 3.1 综合评价指标体系的建立 本书认为，单一的评价指标无法全面反映围岩的复杂性。因此，需要建立一个包含多个维度、相互关联的综合评价指标体系。该体系将涵盖以下几类核心指标： 岩体强度指标：在传统的UCS、c、φ基础上，引入岩体强度折减系数，综合考虑结构面等不利因素对整体强度的影响。例如，基于RMR、GSI等经典岩体分类体系的评价结果，进一步量化其对强度的折减程度。 围岩变形指标：除了弹性模量，还将引入泊松比、塑性变形参数、卸荷回弹模量等，以更全面地描述围岩的变形能力和回弹特性。 围岩稳定性指标：结合结构面参数，如结构面倾向与隧道轴线的夹角、结构面连通性等，建立基于特定失稳模式（如块体滑动、楔体滑动）的稳定性评价指标。 水文地质指标：将围岩的渗透系数、孔隙水压力系数等纳入评价体系，以体现水力-力学耦合效应。 应力状态指标：考虑围岩的初始地应力以及开挖引起的应力集中程度，引入应力比等参数。 3.2 亚级分级因子与权重分配 针对每一个综合评价指标，我们将进一步细分为多个“亚级”。例如，在UCS指标下，可以细分为：极高强度（>300MPa）、高强度（150-300MPa）、中等强度（50-150MPa）、低强度（10-50MPa）、极低强度（<10MPa）。每一个亚级都对应一个具体数值范围或定性描述。 本书将采用多指标加权评分法来构建亚级分级模型。关键在于确定各评价指标的权重。权重分配将基于以下原则： 重要性原则：对围岩稳定性影响越大的指标，赋予越高的权重。例如，结构面的产状和连通性，可能比单一的岩石强度指标在某些情况下更为关键。 数据可获得性原则：考虑实际工程中各项指标数据的获取难易程度和可靠性。 专家咨询法：结合大量岩土工程专家的经验和判断，对各指标进行相对权重的排序。 数理统计分析：通过对大量工程实例数据的回归分析，揭示不同指标对围岩稳定性的贡献度，从而客观地确定权重。 3.3 亚级分级模型的建立与应用 在确定了综合评价指标体系、各级亚级划分标准以及权重分配方案后，即可构建具体的亚级分级模型。模型的核心是将各指标的测量值代入，计算出各指标的亚级得分，然后根据权重进行加权求和，最终得到一个综合的亚级分级指数。 本书将提供不同类型的亚级分级模型，以适应不同地质条件和工程需求： 经验性量化模型：基于对大量工程案例的统计分析，建立易于理解和操作的模型。 数值模拟辅助模型：结合数值模拟结果，例如应力分布、变形云图等，来辅助确定围岩的亚级分级。 基于机器学习的模型：利用机器学习算法，对海量的工程地质数据进行训练，构建具有自学习和预测能力的亚级分级模型。 3.4 亚级分级结果的解读与工程应用 本书强调，亚级分级的目的不是简单地给围岩贴上一个标签，而是要为工程设计和施工提供切实可行的指导。因此，将深入探讨亚级分级结果的工程应用： 设计参数优化：根据围岩的亚级分级结果，精确确定支护结构的设计参数，如锚杆长度、密度、喷射混凝土厚度、钢拱架形式等。 施工技术选择：指导不同地质条件下最优的开挖方法、支护顺序和施工工艺的选择。 风险评估与预警：对不同亚级分级的围岩段进行风险等级划分，并建立相应的监测预警方案。 经济性分析：通过精细的围岩评价，避免过度设计，实现工程造价的最优化。 本书提出的亚级分级方法，将力求在保证安全性的前提下，实现围岩评价的精细化、科学化和工程化，为公路隧道工程的品质提升提供强有力的技术支撑。 第四章 实例分析与验证：亚级分级方法的工程实践 理论研究的生命在于实践检验。本书将精选多个具有代表性的公路隧道工程案例，通过详细的实例分析，验证本书提出的亚级分级方法的有效性、可靠性和实用性。 4.1 案例工程概况与地质背景 本书将选取不同地质条件（如坚硬岩石、软弱岩层、断层破碎带、地下水丰富区等）、不同埋深、不同开挖方法（如钻爆法、TBM法）的隧道工程案例。每个案例都将详细介绍其地理位置、地质构造、岩性特征、地下水情况、以及围岩在施工过程中遇到的主要工程问题。 4.2 亚级分级方法的具体应用过程 针对每个案例工程，本书将详细展示如何应用本书提出的亚级分级方法进行围岩评价。具体步骤包括： 数据采集与整理：收集工程地质勘察报告、室内岩石力学试验数据、现场地质调查记录、变形监测数据等。 各项指标的量化计算：依据本书方法，计算岩石强度指标、岩体结构面参数、变形参数、水文地质参数等。 模型参数输入与计算：将量化后的参数代入本书构建的亚级分级模型，进行计算，得出各围岩段的亚级分级指数。 亚级分级结果的分析与解读：对计算出的亚级分级指数进行解读，并与实际观测到的围岩稳定性、变形情况、支护效果进行对比分析。 4.3 亚级分级结果的工程验证 本书将重点分析亚级分级结果与以下几个方面的吻合程度： 围岩稳定性评价：亚级分级结果是否能准确预测围岩的稳定性，例如是否能有效区分出易发生塌方、失稳的区域。 支护结构设计：亚级分级结果是否能为支护结构的设计提供更精细化的参数，以及实际支护效果是否与设计预期相符。 施工过程中的问题：例如，开挖过程中是否出现超挖、塌方、涌水、突泥等现象，这些现象是否与亚级分级结果所指示的围岩类别相对应。 变形监测数据：将亚级分级结果与隧道变形监测数据进行对比，分析不同围岩类别下的变形速率、最大变形量等，验证模型的预测能力。 4.4 方法的优势与局限性的讨论 通过案例分析，本书将客观评价所提出亚级分级方法的优势： 精细化程度高：能够更准确地捕捉围岩的细微差异，为精细化设计提供依据。 客观性强：基于量化指标和模型，减少了主观判断的成分。 实用性好：模型易于理解和应用，可操作性强。 预测能力强：能够对围岩的稳定性、变形趋势做出更准确的预测。 同时，本书也将诚实地指出方法的局限性，例如： 数据依赖性：模型的准确性高度依赖于输入数据的质量和完整性。 适用范围：在某些极端地质条件下，可能需要对模型进行进一步的校正和优化。 计算复杂度：部分高级模型可能需要专业的数值计算软件和较高的计算能力。 通过详实的案例分析，本书将充分证明所提出的公路隧道围岩亚级分级方法的科学性、可靠性和工程实用性，为广大岩土工程技术人员提供一套行之有效的围岩评价工具。 结论 本书，《公路隧道围岩亚级分级方法》，通过对围岩力学性质的深入剖析、综合评价指标体系的构建、以及系统化的亚级分级模型的提出，旨在为公路隧道工程提供一种更为精细、科学、可靠的围岩评价方法。本书不仅关注理论的严谨性，更注重方法的实用性和工程应用性，通过详实的案例分析，充分验证了所提出方法的有效性。 本书的研究成果，将有助于： 提升围岩评价的精度：打破传统分级方法的局限，实现对围岩复杂性的更全面、更细致的认知。 优化隧道工程设计：为设计人员提供更可靠的地质依据，精确确定支护结构参数，避免过度设计和安全隐患。 保障施工安全：通过对不同围岩段进行精细化评价，指导最优施工技术的选择，有效防范和控制施工风险。 推动技术进步：为公路隧道工程的智能化、信息化、精细化发展注入新的动力。 在未来的公路隧道工程建设中，我们相信，《公路隧道围岩亚级分级方法》将成为指导工程实践的重要参考，为建设更安全、更高效、更经济的交通基础设施贡献力量。

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这本书的开篇就给我一种深入骨髓的震撼感。作者对工程力学的理解之深邃，简直令人叹为观止。它不是那种平铺直叙的教科书，更像是一场关于地质结构与工程实践的哲学思辨。我尤其欣赏其中对传统分类体系的批判性审视，那种敢于挑战既有权威的学术勇气，在工程领域是极其难得的。书中对围岩应力场演化路径的描述，逻辑链条异常严密，读起来仿佛能亲手触摸到岩石内部的每一个微小变化。它没有直接给出“答案”，而是引导你构建一套全新的思维框架去解析复杂问题。对于长期在隧道施工一线摸爬滚打的工程师来说，这本书无疑是一剂强效的清醒剂，能让人从日常的琐碎计算中抽离出来，重新审视我们所面对的地下世界到底有多么复杂多变。那些关于现场监测数据与理论模型耦合的案例分析，细致到令人发指，每一个参数的选取背后，都蕴含着作者对无数次失败与成功的深刻反思。这本书的价值，远超其纸面上的内容，它提供了一种看待和解决问题的“视角”。

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说实话，这本书的阅读门槛相当高，它要求读者对岩土工程的基本原理有着扎实的积累。这并非一本适合纯粹的“科普读物”，更像是一本面向专业研究人员的“内参”。我发现自己需要频繁地停下来，查阅一些交叉学科的背景知识，尤其是关于数值模拟方法的章节，对计算机有限元分析的理解要求极高。但正是这种高标准，保证了书中所提出方法的严谨性和可靠性。作者在论证其亚级分级体系的优越性时，采用了多角度、多指标的量化评估体系，其统计学基础非常扎实，数据处理的细致程度令人敬佩。它没有回避现有分类体系的局限性，而是坦诚地展示了如何通过更精细的划分，来应对当前工程实践中日益复杂的岩爆和收敛变形问题。读完整本书后，我感觉自己像是接受了一次高强度的思维训练，对“不确定性”的理解也上升到了一个新的高度，不再是简单地套用安全系数，而是学会了如何量化和管理那些难以预测的地下风险。

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这本书的装帧和排版本身就透露出一种沉稳、专业的学术气息，字体清晰，图表布局合理，这对长篇阅读至关重要。但抛开这些外在的因素，其核心价值在于对“模糊地带”的精确刻画。传统的地质分类往往过于粗糙，导致设计和施工中出现大量的“保守”或“冒险”决策。而这本书所倡导的“亚级”概念，恰恰是对这种二元对立的有效超越。它巧妙地在岩体强度、变形模量和结构完整性之间找到了一个动态的平衡点。我特别喜欢其中关于时间效应的讨论，很多隧道问题并非静态的，而是随着开挖和时间推移不断演变的。作者在这方面提供了非常精妙的数学模型，用以预测围岩的长期稳定性。这对于那些需要进行超长隧道或深埋隧道设计的工程师来说，简直是如获至宝。它教会我们，在地下世界里，“差不多”往往意味着灾难，精确到“亚级”的判断才是通往成功的唯一路径。

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拿到这本书时，我本以为它会是一本晦涩难懂的纯理论著作，但实际阅读体验却大大超出了我的预期。作者的文笔极其流畅且富有画面感，即便涉及复杂的岩体力学公式，也能通过精妙的类比和生动的图示，让这些抽象的概念变得可感可知。比如，书中关于“岩体结构面软化”的描述，用了一个非常形象的比喻，一下子就点亮了我过去一直模糊不清的认知死角。最让我感到惊喜的是，它并没有仅仅停留在理论层面，而是大量穿插了来自世界各地典型隧道工程的实例剖析。这些鲜活的案例，展示了不同地质条件下，一套理论体系如何灵活地进行本土化调整和应用。特别是关于支护结构与围岩相互作用的动态模拟部分，那种层层递进、步步为营的推导过程，如同欣赏一场精密的交响乐，每一个声部（无论是地层、水、还是支护）都有其明确的功能和完美的契合点。这本书的层次感做得非常好，既能让初学者搭建起基础认知，又能让资深专家从中找到新的研究切入点。

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从结构上看，这本书的逻辑脉络清晰得像是经过精密规划的地下通道系统，首尾呼应，环环相扣。作者似乎非常擅长构建宏大的理论体系，但又不失对微观细节的关注。在我看来，这本书最大的贡献在于它提供了一种全新的“语言”来描述围岩状态。当我们不再满足于简单的“硬岩”或“软岩”描述时，如何准确、简洁、有效地沟通岩体特性，便成了一个关键问题。这套亚级分级方法，就是这样一套高效的沟通工具。它不仅对设计人员有用，对质量控制和风险评估团队同样具有指导意义。书中对不同级别围岩的推荐性支护参数范围给出了详尽的表格支撑，这些表格显然是基于海量的现场数据反推和验证过的。对于我所在的研发部门而言，这本书已经成为我们内部讨论新项目时，绕不开的核心参考资料，它极大地提高了我们团队内部对风险认知的统一性，减少了因沟通不清导致的决策偏差。

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