巖土力學與工程離散單元法

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　17
第2章　塊體系統(tǒng)的運動、變形和傳熱控制方程　21
2.1　質(zhì)點的Newton運動方程　22
2.2　剛體的Newton-Euler運動方程　23
2.2.1　慣性矩和慣性積　23
2.2.2　剛體的質(zhì)量、線動量和角動量　25
2.3　剛體平移的Newton運動方程　25
2.4　Euler轉(zhuǎn)動方程——一般形式和特殊形式　26
2.5　Euler轉(zhuǎn)動方程——角動量公式　28
2.6　可變形體的Cauchy運動方程　31
2.7　可變形體的剛體運動與變形耦合　34
2.7.1　剛體運動和可變形體耦合的復雜性　34
2.7.2　大轉(zhuǎn)動變形體運動方程的擴展　35
2.7.3　運動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定律與熱傳導方程　40
2.8.2　熱應變與熱彈性本構(gòu)方程　41
2.8.3　熱傳導與能量守恒方程　42
參考文獻　42
第3章　巖石裂隙和巖體本構(gòu)模型基礎(chǔ)　44
3.1　巖石裂隙的力學特性　45
3.2　巖石裂隙的抗剪強度　47
3.2.1　Patton準則　47
3.2.2　Ladanyi和Archambault準則　48
3.2.3　Barton準則　49
3.2.4　粗糙度各向異性巖石裂隙的三維抗剪強度準則　51
3.3　巖石裂隙本構(gòu)模型　52
3.3.1　Goodman經(jīng)驗模型　52
3.3.2　Barton-Bandis經(jīng)驗模型(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　含有隨機分布且有限長度裂隙巖體的本構(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　巖石裂隙試驗重要問題　102
參考文獻　104
第4章　裂隙中流體流動與水-力耦合特性　112
4.1　多孔連續(xù)介質(zhì)中流體流動的控制方程　113
4.1.1　多孔介質(zhì)中流體流動的連續(xù)性方程　114
4.1.2　流體運動方程　116
4.2　流體在光滑裂隙中的流動方程　118
4.2.1　光滑平行裂隙流動方程　118
4.2.2　光滑傾斜裂隙導水系數(shù)　120
4.3　粗糙裂隙中流體流動經(jīng)驗模型　121
4.3.1　基于立方定律有效性的流動模型　121
4.3.2　不考慮立方定律有效性的流動模型　124
4.4　連通裂隙系統(tǒng)的流動方程　128
4.5　裂隙流體流動與變形的耦合　130
4.5.1　流體壓力和塊體運動/變形的耦合　130
4.5.2　流體壓力與裂隙變形的耦合　132
4.6　重要問題述評　137
4.6.1　裂隙中流體流動的試驗與模型　137
4.6.2　THM耦合過程　138
參考文獻　140
第5章　裂隙系統(tǒng)的基本特征——現(xiàn)場測繪和隨機模擬　148
5.1　引言　148
5.2　裂隙的現(xiàn)場測繪與幾何性質(zhì)　149
5.2.1　幾何參數(shù)與現(xiàn)場測繪　149
5.2.2　裂隙系統(tǒng)參數(shù)識別的數(shù)據(jù)處理　153
5.3　裂隙幾何參數(shù)的統(tǒng)計分布　161
5.3.1　統(tǒng)計學原理　161
5.3.2　隨機裂隙系統(tǒng)模型的統(tǒng)計技術(shù)　163
5.4　特定場地條件下的裂隙系統(tǒng)綜合表征　170
參考文獻　173
第6章　塊體系統(tǒng)組合拓撲表征的理論基礎(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　用邊界算子進行塊體追蹤　194
參考文獻　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　二維單純復形的邊界算子　203
7.2.4　二維塊體追蹤　205
7.2.5　流動路徑和塊體力學接觸的表征　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　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)中流體流動的動態(tài)松弛方法　250
8.4　可變形連續(xù)體應力分析的動態(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)部單元的應變和應力計算　266
8.7　塊體接觸的表征　268
8.8　運動方程的數(shù)值積分　270
8.9　DtEM中的接觸類型及識別　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)的流動和水-力分析方法　286
8.12.2　UDEC程序中的熱傳導和熱-力分析　289
8.12.3　沿裂隙的熱對流和熱-水-力耦合過程　293
8.12.4　DtEM中耦合過程的處理　298
8.13　混合DEM-FEM/BEM表達形式　299
8.14　FEM與DEM建模實例對比　301
8.15　總結(jié)　303
參考文獻　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　接觸類型及識別算法　320
9.3　剛性塊體表達形式　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　單元剛度矩陣和荷載矢量的計算　333
9.6.1　巖石材料的彈性變形——應變能最小化　334
9.6.2　質(zhì)量慣性——動能最小化　334
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　全局運動方程的組合　353
9.8　DDA中流體流動和水-力耦合分析　354
9.8.1　DDA中流體壓力-塊體變形耦合表達形式　355
9.8.2　求解方法　358
9.9　總結(jié)　361
參考文獻　362
第10章　離散裂隙網(wǎng)絡法　366
10.1　引言　366
10.2　裂隙網(wǎng)絡表征　368
10.2.1　單裂隙　368
10.2.2　裂隙網(wǎng)絡　370
10.3　裂隙網(wǎng)絡內(nèi)滲流場的求解　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　組合拓撲理論　387
10.6　總結(jié)　390
10.6.1　裂隙測繪質(zhì)量與數(shù)據(jù)估計　390
10.6.2　分形或冪律表征的尺度效應　391
10.6.3　網(wǎng)絡連通性　391
參考文獻　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計算特征　407
11.3　PFC程序應用示例　411
11.4　數(shù)值穩(wěn)定性與時間積分問題　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　特征值計算　429
11.4.5　檢測數(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)均勻化的微觀力學基本概念　433
11.5.3　微觀力學——運動學變量　434
11.5.4　Cosserat連續(xù)體與顆粒系統(tǒng)靜力學和運動學變量的微宏觀等效表達　438
11.6　總結(jié)　439
參考文獻　440
第12章　DEM在地質(zhì)、地球物理和巖石工程中的應用案例研究　450
12.1　引言　450
12.2　地質(zhì)結(jié)構(gòu)與過程　451
12.2.1　地殼變形　451
12.2.2　地震和地震災害　455
12.2.3　巖體應力　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　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庫性能三維DEM預測　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　地下水流動和地熱能開采　502
12.8　裂隙巖體等效水-力性質(zhì)的推導　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　應力對流體流場的影響：應力誘導的溝槽流　523
12.8.5　重要問題討論　529
參考