横观各向同性岩体位移反分析的基础理论研究

统观全书，与同类已出版的著作相比，该书具有以下特色和创新点：针对横观各向同性介质以及位移反分析的基础理论展开研究，推导得到了横观各向同性岩体中巷道的位移解析解；研究了横观各向同性岩体中洞周位移反分析的wei一性以及位移反分析的测点优化布置；开发了基于主从式并行遗传算法的岩体位移反分析算法和软件。该书的相关理论成果为准确、快速地确定横观各向同性岩体的参数提供了新的研究思路和方法，并且为岩体工程施工过程中的变形预测、施工反馈设计以及稳定性评价提供了重要依据。该书既具有理论价值，又具有实际工程参考意义。

该书的出版为岩石力学反分析问题的深入研究开辟了新的路径，相信该书对岩石力学、岩土和地下工程的发展能起到很好的推进作用。为此我欣然为从事本领域研究的学子和岩石力学工作者们推荐此书。当然，该书绝非此领域研究的“终结者”，我们期待作者未来的、更进一步的成果。

本书系统地论述了横观各向同性岩体位移反分析的基础理论研究及应用。全书共分为13个部分，主要包括以下内容：绪论，岩土工程反分析理论基础，横观各向同性岩体中巷道的位移解析解，横观各向同性岩体中位移反分析的wei一性，考虑剪应力作用时横观各向同性岩体中巷道的位移解析解，考虑剪应力作用时横观各向同性岩体中位移反分析wei一性，横观各向同性岩体中双洞室的位移解析解，巷道走向平行于岩体层面条件下的圆形巷道位移解析解，巷道走向平行于岩体层面条件下位移反分析的wei一性，横观各向同性岩体中位移反分析测点优化布置，基于主从式并行遗传算法的岩体位移反分析方法，横观各向同性岩体位移反分析的应用实例，参考文献。本书是作者近十年来研究横观各向同性岩体位移反分析的总结，是一部系统研究横观各向同性岩体位移反分析特征和规律的专著，具有重要的理论价值和应用价值。

本书可供煤炭、水利、矿山、铁道、交通、国防、冶金等专业的科技工作者及相关专业的高校师生、研究生学习参考。

绪论(1)

第1章岩土工程反分析理论基础(4)

1.1横观各向同性弹性本构理论(4)

1.2岩土工程反分析理论(6)

1.3岩土工程位移反分析研究综述(11)

第2章横观各向同性岩体中巷道的位移解析解(17)

2.1本章引论(17)

2.2横观各向同性岩体中圆形巷道的位移解析解(18)

2.3横观各向同性岩体中任意形状巷道的位移解析解(23)

2.4本章小结(32)

第3章横观各向同性岩体中位移反分析的唯一性(33)

3.1本章引论(33)

3.2参数可辨识性条件(34)

3.3横观各向同性岩体中圆形巷道位移反分析的唯一性(34)

3.4横观各向同性岩体中任意形状巷道位移反分析的唯一性(41)

3.5测量点布置对位移反分析的唯一性的影响(58)

3.6本章小结(59)

第4章考虑剪应力作用时横观各向同性岩体中巷道的位移解析解(61)

4.1本章引论(61)

4.2考虑剪应力作用时横观各向同性岩体中圆形巷道的位移解析解(62)

4.3考虑剪应力作用时横观各向同性岩体中任意形状巷道的位移解析解(65)

4.4本章小结(69)

第5章考虑剪应力作用时横观各向同性岩体中位移反分析的唯一性(70)

5.1本章引论(70)

5.2考虑剪应力作用时横观各向同性岩体中圆形巷道位移反分析的唯一性(71)

5.3考虑剪应力作用时横观各向同性岩体中任意形状巷道位移反分析的唯一性(82)

5.4剪应力对位移反分析唯一性的影响(106)

5.5本章小结(108)

第6章横观各向同性岩体中双洞室的位移解析解(109)

6.1本章引论(109)

6.2柯西积分法(110)

6.3Schwarz交替法(111)

6.4横观各向同性岩体中双圆形洞室的位移解析解(113)

6.5本章小结(116)

第7章巷道走向平行于岩体层面条件下的圆形巷道位移解析解(117)

7.1本章引论(117)

7.2巷道走向平行于岩体层面条件下圆形巷道的位移解析解(118)

7.3解析解和数值解对比(128)

7.4本章小结(134)

第8章巷道走向平行于岩体层面条件下位移反分析的唯一性(136)

8.1本章引论(136)

8.2灵敏系数(136)

8.3参数可辨识条件(138)

8.4地应力的位移反分析唯一性(143)

8.5本章小结(144)

第9章横观各向同性岩体中位移反分析测量点优化布置(145)

9.1本章引论(145)

9.2基于最大位移原则的测量点优化布置(146)

9.3基于最大灵敏度原则的测量点优化布置(153)

9.4基于最小方差原则的测量点优化布置(157)

9.5基于最大位移原则的测量点优化布置实例(165)

9.6本章小结(176)

第10章基于主从式并行遗传算法的岩体位移反分析方法(178)

10.1本章引论(178)

10.2并行遗传算法(178)

10.3主从式并行遗传算法的性能改进(180)

10.4基于主从式并行遗传算法的岩体位移反分析方法的实现(182)

10.5性能测试(184)

10.6本章小结(186)

第11章横观各向同性岩体位移反分析的应用实例(188)

11.1本章引论(188)

11.2应用实例计算模型与位移值(189)

11.3横观各向同性岩体地应力的位移反分析(189)

11.4横观各向同性面内岩体参数的位移反分析(197)

11.5垂直于横观各向同性面方向的岩体参数位移反分析(200)

11.6本章小结(203)

参考文献(204)

自然界中存在大量的层状岩体，具有层状构造的沉积岩大约占陆地面积的2/3，在我国占到77.3%，大洋底部几乎全部为沉积岩所覆盖。许多变质岩、风化岩体和地下洞室开挖中形成的松动圈区域的岩体，也可视为广义层状岩体。一般情况下，力学上将层状岩体处理成横观各向同性岩体。横观各向同性岩体是指岩体在平行于层面的任意方向，都具有相同的材料常数，而平行层面的材料参数与垂直层面的材料参数则不同。横观各向同性岩体在地表分布非常广泛，涉及许多学科和生产领域，如水利水电工程、矿业工程、土木建筑工程、铁路和公路交通工程、石油与天然气开发、能源储存、国防工程和地震预测预报等，因此，研究横观各向同性岩体的力学特性对人类工程活动具有重要意义。

1939年，在芝加哥地铁隧道的施工过程中，著名的土力学之父Karl Terzaghi根据自己多年的工程经验和理论研究，成功地提出了一种基于现场观测信息的设计方法。20世纪60年代，奥地利专家L V Rabcewicz教授、L Müller教授及P Pacher工学博士等人在借鉴Karl Terzaghi的思想以及其他工程师的隧道施工经验的基础上，总结出了“新奥法”隧道设计、施工技术，其主要特点就是通过许多测量手段对开挖后的隧道围岩动态进行监测，并以此来指导开挖作业和支护结构的设计和施工。1971年，Kavanagh等人就根据试验测得的应变和位移，使用有限单元法来辨识复合材料的材料参数。1974年，Sakurai尝试利用测量位移来解析地推导隧道岩体的初应力和黏弹性参数。1976年，在约翰内斯堡的岩土工程勘测研讨会上，H A D Kirsten提出由实测岩体变形来反分析岩体弹性模量的观点，并首次采用了有限元方法。之后，基于数值计算方法和现场观测（主要是位移）的岩体工程反分析的研究便蓬勃开展起来，反分析方法作为一种确定岩体力学参数的新的途径开始登上岩土工程的历史舞台。

经过四十多年的发展，岩土工程反分析领域的研究已经取得了很多重大的突破，其成果已经在实际工程中得到广泛应用。但由于岩土体结构的复杂性和多变性，反分析的研究多针对各向同性岩土体，对各向异性岩土体反分析的研究较少，因此，这个领域中仍然有很多问题值得研究。近十年来，作者针对横观各向同性岩体位移反分析的基础理论进行了大量的研究，为准确、快速地确定横观各向同性岩体的参数提供了新的研究思路和方法。

本书主要内容包括横观各向同性岩体本构理论；岩土工程位移反分析理论及研究综述；横观各向同性岩体中巷道的位移解析解及位移反分析的唯一性；考虑剪应力作用时横观各向同性岩体中巷道的位移解析解及位移反分析的唯一性；多个洞室时的位移解析解；巷道走向平行于岩体层面条件下的位移解析解及位移反分析的唯一性；横观各向同性岩体中位移反分析测点优化布置；基于主从式并行遗传算法的岩体位移反分析方法；反分析唯一性的应用实例。

本书针对横观各向同性岩体位移反分析的基础理论展开研究，系统地将位移反分析方法延伸到横观各向同性岩体的研究中，为准确、快速地获取横观各向同性岩体参数提供新的研究思路和方法，对研究横观各向同性岩体中工程的变形破坏以及改善工程稳定性具有重要的指导意义。

作者希望通过本书的出版，使更多的学者了解横观各向同性岩体的基本性质，关注横观各向同性岩体位移反分析的理论方法，促进横观各向同性岩体位移反分析理论和应用的研究更加深入地发展。

本书的出版得到了NSFC河南人才培养联合基金项目（项目编号：U1204509）、河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目（项目编号：2015GGJS192）、河南省高等学校重点科研项目资助计划项目（项目编号：15A570005）以及中原工学院学术专著出版基金的资助。

本书的撰写得到了清华大学李仲奎教授的悉心指导和帮助，得到了国家自然科学基金委员会、河南省教育厅、河南省财政厅、中原工学院等单位的大力支持。李小昌、李永涛、魏霖阳、张欣等硕士研究生为本书的编写提供了部分素材，在此向他们表示衷心的感谢。

由于作者水平有限，加之有很多内容还需要进一步的研究与探索，书中疏漏谬误之处在所难免，敬请读者不吝指正。

张志增2016年夏