巖土力學(xué)與工程離散單元法

目錄
譯者序
原書序
原書前言
第1章　緒論　1
1.1　裂隙巖體的特性　2
1.2　非連續(xù)介質(zhì)的數(shù)學(xué)模型　7
1.2.1　基于連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值方法和均勻化　8
1.2.2　非連續(xù)介質(zhì)離散單元法基本特征　10
1.3　DEM的發(fā)展歷程　13
參考文獻(xiàn)　17
第2章　塊體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)、變形和傳熱控制方程　21
2.1　質(zhì)點(diǎn)的Newton運(yùn)動(dòng)方程　22
2.2　剛體的Newton-Euler運(yùn)動(dòng)方程　23
2.2.1　慣性矩和慣性積　23
2.2.2　剛體的質(zhì)量、線動(dòng)量和角動(dòng)量　25
2.3　剛體平移的Newton運(yùn)動(dòng)方程　25
2.4　Euler轉(zhuǎn)動(dòng)方程——一般形式和特殊形式　26
2.5　Euler轉(zhuǎn)動(dòng)方程——角動(dòng)量公式　28
2.6　可變形體的Cauchy運(yùn)動(dòng)方程　31
2.7　可變形體的剛體運(yùn)動(dòng)與變形耦合　34
2.7.1　剛體運(yùn)動(dòng)和可變形體耦合的復(fù)雜性　34
2.7.2　大轉(zhuǎn)動(dòng)變形體運(yùn)動(dòng)方程的擴(kuò)展　35
2.7.3　運(yùn)動(dòng)和變形的慣性耦合有限元法處理　38
2.8　熱傳遞和熱-力耦合方程　40
2.8.1　Fourier定律與熱傳導(dǎo)方程　40
2.8.2　熱應(yīng)變與熱彈性本構(gòu)方程　41
2.8.3　熱傳導(dǎo)與能量守恒方程　42
參考文獻(xiàn)　42
第3章　巖石裂隙和巖體本構(gòu)模型基礎(chǔ)　44
3.1　巖石裂隙的力學(xué)特性　45
3.2　巖石裂隙的抗剪強(qiáng)度　47
3.2.1　Patton準(zhǔn)則　47
3.2.2　Ladanyi和Archambault準(zhǔn)則　48
3.2.3　Barton準(zhǔn)則　49
3.2.4　粗糙度各向異性巖石裂隙的三維抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則　51
3.3　巖石裂隙本構(gòu)模型　52
3.3.1　Goodman經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?2
3.3.2　Barton-Bandis經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?BB模型)　54
3.3.3　Amadei-Saeb理論模型　58
3.3.4　Plesha理論模型及其推廣　60
3.3.5　粗糙度各向異性裂隙巖體的三維本構(gòu)模型　64
3.4　裂隙巖體等效連續(xù)本構(gòu)模型　65
3.4.1　小變形彈性連續(xù)介質(zhì)本構(gòu)模型　66
3.4.2　含有成組貫穿裂隙巖體的等效彈性本構(gòu)模型　74
3.4.3　含有隨機(jī)分布且有限長(zhǎng)度裂隙巖體的本構(gòu)模型　81
3.4.4　裂隙巖體彈塑性本構(gòu)模型　88
3.5　總結(jié)　96
3.5.1　巖石材料和巖體的經(jīng)典本構(gòu)模型　97
3.5.2　巖石裂隙本構(gòu)模型　100
3.5.3　巖石裂隙試驗(yàn)重要問(wèn)題　102
參考文獻(xiàn)　104
第4章　裂隙中流體流動(dòng)與水-力耦合特性　112
4.1　多孔連續(xù)介質(zhì)中流體流動(dòng)的控制方程　113
4.1.1　多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)的連續(xù)性方程　114
4.1.2　流體運(yùn)動(dòng)方程　116
4.2　流體在光滑裂隙中的流動(dòng)方程　118
4.2.1　光滑平行裂隙流動(dòng)方程　118
4.2.2　光滑傾斜裂隙導(dǎo)水系數(shù)　120
4.3　粗糙裂隙中流體流動(dòng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?21
4.3.1　基于立方定律有效性的流動(dòng)模型　121
4.3.2　不考慮立方定律有效性的流動(dòng)模型　124
4.4　連通裂隙系統(tǒng)的流動(dòng)方程　128
4.5　裂隙流體流動(dòng)與變形的耦合　130
4.5.1　流體壓力和塊體運(yùn)動(dòng)/變形的耦合　130
4.5.2　流體壓力與裂隙變形的耦合　132
4.6　重要問(wèn)題述評(píng)　137
4.6.1　裂隙中流體流動(dòng)的試驗(yàn)與模型　137
4.6.2　THM耦合過(guò)程　138
參考文獻(xiàn)　140
第5章　裂隙系統(tǒng)的基本特征——現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪和隨機(jī)模擬　148
5.1　引言　148
5.2　裂隙的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪與幾何性質(zhì)　149
5.2.1　幾何參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪　149
5.2.2　裂隙系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別的數(shù)據(jù)處理　153
5.3　裂隙幾何參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布　161
5.3.1　統(tǒng)計(jì)學(xué)原理　161
5.3.2　隨機(jī)裂隙系統(tǒng)模型的統(tǒng)計(jì)技術(shù)　163
5.4　特定場(chǎng)地條件下的裂隙系統(tǒng)綜合表征　170
參考文獻(xiàn)　173
第6章　塊體系統(tǒng)組合拓?fù)浔碚鞯睦碚摶A(chǔ)　177
6.1　曲面與同胚體　179
6.2　多面體及其特性　180
6.3　單純形和復(fù)形　182
6.4　多面體的平面圖解　188
6.5　多面體邊界表示的數(shù)據(jù)集　193
6.6　用邊界算子進(jìn)行塊體追蹤　194
參考文獻(xiàn)　195
第7章　塊體系統(tǒng)構(gòu)建的數(shù)值方法　196
7.1　引言　196
7.2　采用邊界算子方法的二維塊體系統(tǒng)構(gòu)建　198
7.2.1　裂隙相交及邊集合的形成　200
7.2.2　邊的規(guī)則化　201
7.2.3　二維單純復(fù)形的邊界算子　203
7.2.4　二維塊體追蹤　205
7.2.5　流動(dòng)路徑和塊體力學(xué)接觸的表征　209
7.3　采用邊界算子方法的三維塊體系統(tǒng)構(gòu)建　212
7.3.1　裂隙表征與坐標(biāo)系　212
7.3.2　裂隙交線　214
7.3.3　面和邊的規(guī)則化　217
7.3.4　三維塊體追蹤　222
7.4　總結(jié)　229
參考文獻(xiàn)　230
第8章　塊體系統(tǒng)的顯式離散單元法——DtME　231
8.1　引言　231
8.2　導(dǎo)數(shù)的有限差分近似　233
8.2.1　矩形單元的規(guī)則網(wǎng)格　233
8.2.2　一般形狀單元網(wǎng)格——有限體積法　235
8.3　動(dòng)態(tài)松弛方法和靜態(tài)松弛方法　236
8.3.1　一般概念　236
8.3.2　塊體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)松弛方法　239
8.3.3　DEM中剛體系統(tǒng)的靜態(tài)松弛方法　242
8.3.4　多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)的動(dòng)態(tài)松弛方法　250
8.4　可變形連續(xù)體應(yīng)力分析的動(dòng)態(tài)松弛方法　252
8.5　塊體幾何的表征和內(nèi)部離散化　255
8.5.1　內(nèi)部三角剖分和Voronoi網(wǎng)格　256
8.5.2　二維Delaunay三角剖分　256
8.5.3　二維Voronoi過(guò)程　260
8.5.4　三維Delaunay三角剖分——四面體單元　261
8.5.5　高階單元　266
8.6　內(nèi)部單元的應(yīng)變和應(yīng)力計(jì)算　266
8.7　塊體接觸的表征　268
8.8　運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值積分　270
8.9　DtEM中的接觸類型及識(shí)別　274
8.10　阻尼　279
8.11　鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)　282
8.12　熱-水-力耦合分析　284
8.12.1　采用域結(jié)構(gòu)的流動(dòng)和水-力分析方法　286
8.12.2　UDEC程序中的熱傳導(dǎo)和熱-力分析　289
8.12.3　沿裂隙的熱對(duì)流和熱-水-力耦合過(guò)程　293
8.12.4　DtEM中耦合過(guò)程的處理　298
8.13　混合DEM-FEM/BEM表達(dá)形式　299
8.14　FEM與DEM建模實(shí)例對(duì)比　301
8.15　總結(jié)　303
參考文獻(xiàn)　304
第9章　塊體系統(tǒng)的隱式離散單元法——非連續(xù)變形分析方法　315
9.1　能量最小原理與全局平衡方程　316
9.2　接觸類型及識(shí)別　318
9.2.1　兩相近塊體間的最小距離　318
9.2.2　接觸類型及識(shí)別算法　320
9.3　剛性塊體表達(dá)形式　322
9.4　三角形有限元網(wǎng)格的可變形塊體　326
9.5　四邊形有限元網(wǎng)格的可變形塊體　329
9.6　單元?jiǎng)偠染仃嚭秃奢d矢量的計(jì)算　333
9.6.1　巖石材料的彈性變形——應(yīng)變能最小化　334
9.6.2　質(zhì)量慣性——?jiǎng)幽茏钚』?34
9.6.3　單元(塊體)接觸　336
9.6.4　外力　344
9.6.5　體力　349
9.6.6　位移約束　349
9.6.7　錨桿　351
9.7　全局運(yùn)動(dòng)方程的組合　353
9.8　DDA中流體流動(dòng)和水-力耦合分析　354
9.8.1　DDA中流體壓力-塊體變形耦合表達(dá)形式　355
9.8.2　求解方法　358
9.9　總結(jié)　361
參考文獻(xiàn)　362
第10章　離散裂隙網(wǎng)絡(luò)法　366
10.1　引言　366
10.2　裂隙網(wǎng)絡(luò)表征　368
10.2.1　單裂隙　368
10.2.2　裂隙網(wǎng)絡(luò)　370
10.3　裂隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)滲流場(chǎng)的求解　372
10.3.1　FEM求解技術(shù)　373
10.3.2　BEM求解技術(shù)　376
10.3.3　考慮巖石基質(zhì)滲透和裂隙傳導(dǎo)的BEM方法　379
10.3.4　管網(wǎng)和通道格子模型　383
10.4　逾滲理論　383
10.5　組合拓?fù)淅碚摗?87
10.6　總結(jié)　390
10.6.1　裂隙測(cè)繪質(zhì)量與數(shù)據(jù)估計(jì)　390
10.6.2　分形或冪律表征的尺度效應(yīng)　391
10.6.3　網(wǎng)絡(luò)連通性　391
參考文獻(xiàn)　392
第11章　顆粒材料離散單元法　401
11.1　引言　401
11.2　顆粒材料DEM計(jì)算特征　407
11.3　PFC程序應(yīng)用示例　411
11.4　數(shù)值穩(wěn)定性與時(shí)間積分問(wèn)題　421
11.4.1　FEM網(wǎng)格與DEM顆粒系統(tǒng)的類比　421
11.4.2　接觸單元的剛度矩陣　423
11.4.3　接觸單元的質(zhì)量矩陣　426
11.4.4　特征值計(jì)算　429
11.4.5　檢測(cè)數(shù)值不穩(wěn)定性的能量平衡方法　429
11.5　顆粒系統(tǒng)的Cosserat連續(xù)體等效　431
11.5.1　基本概念　431
11.5.2　顆粒系統(tǒng)均勻化的微觀力學(xué)基本概念　433
11.5.3　微觀力學(xué)——運(yùn)動(dòng)學(xué)變量　434
11.5.4　Cosserat連續(xù)體與顆粒系統(tǒng)靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)變量的微宏觀等效表達(dá)　438
11.6　總結(jié)　439
參考文獻(xiàn)　440
第12章　DEM在地質(zhì)、地球物理和巖石工程中的應(yīng)用案例研究　450
12.1　引言　450
12.2　地質(zhì)結(jié)構(gòu)與過(guò)程　451
12.2.1　地殼變形　451
12.2.2　地震和地震災(zāi)害　455
12.2.3　巖體應(yīng)力　459
12.2.4　天然巖石邊坡的失穩(wěn)　464
12.3　地下土木結(jié)構(gòu)　468
12.3.1　隧道工程　468
12.3.2　巖石洞室　473
12.4　礦山結(jié)構(gòu)　477
12.4.1　露天礦和采石場(chǎng)　479
12.4.2　地下礦　480
12.4.3　礦山地表沉陷　485
12.5　放射性廢物處置　489
12.5.1　案例分析1——熱和冰川荷載作用下儲(chǔ)庫(kù)性能三維DEM預(yù)測(cè)　491
12.5.2　案例分析2——處置孔滲水量三維DEM研究　497
12.6　巖體加固　501
12.7　地下水流動(dòng)和地?zé)崮荛_(kāi)采　502
12.8　裂隙巖體等效水-力性質(zhì)的推導(dǎo)　506
12.8.1　裂隙巖體連續(xù)介質(zhì)近似的基本概念　506
12.8.2　使用DEM確定裂隙巖體REV和推導(dǎo)等效連續(xù)介質(zhì)滲透性　507
12.8.3　裂隙巖體REV和彈性柔度張量　513
12.8.4　應(yīng)力對(duì)流體流場(chǎng)的影響：應(yīng)力誘導(dǎo)的溝槽流　523
12.8.5　重要問(wèn)題討論　529
參考