岩土力学与工程离散单元法

目录
译者序
原书序
原书前言
第1章　绪论　1
1.1　裂隙岩体的特性　2
1.2　非连续介质的数学模型　7
1.2.1　基于连续介质的数值方法和均匀化　8
1.2.2　非连续介质离散单元法基本特征　10
1.3　DEM的发展历程　13
参考文献　17
第2章　块体系统的运动、变形和传热控制方程　21
2.1　质点的Newton运动方程　22
2.2　刚体的Newton-Euler运动方程　23
2.2.1　惯性矩和惯性积　23
2.2.2　刚体的质量、线动量和角动量　25
2.3　刚体平移的Newton运动方程　25
2.4　Euler转动方程——一般形式和特殊形式　26
2.5　Euler转动方程——角动量公式　28
2.6　可变形体的Cauchy运动方程　31
2.7　可变形体的刚体运动与变形耦合　34
2.7.1　刚体运动和可变形体耦合的复杂性　34
2.7.2　大转动变形体运动方程的扩展　35
2.7.3　运动和变形的惯性耦合有限元法处理　38
2.8　热传递和热-力耦合方程　40
2.8.1　Fourier定律与热传导方程　40
2.8.2　热应变与热弹性本构方程　41
2.8.3　热传导与能量守恒方程　42
参考文献　42
第3章　岩石裂隙和岩体本构模型基础　44
3.1　岩石裂隙的力学特性　45
3.2　岩石裂隙的抗剪强度　47
3.2.1　Patton准则　47
3.2.2　Ladanyi和Archambault准则　48
3.2.3　Barton准则　49
3.2.4　粗糙度各向异性岩石裂隙的三维抗剪强度准则　51
3.3　岩石裂隙本构模型　52
3.3.1　Goodman经验模型　52
3.3.2　Barton-Bandis经验模型(BB模型)　54
3.3.3　Amadei-Saeb理论模型　58
3.3.4　Plesha理论模型及其推广　60
3.3.5　粗糙度各向异性裂隙岩体的三维本构模型　64
3.4　裂隙岩体等效连续本构模型　65
3.4.1　小变形弹性连续介质本构模型　66
3.4.2　含有成组贯穿裂隙岩体的等效弹性本构模型　74
3.4.3　含有随机分布且有限长度裂隙岩体的本构模型　81
3.4.4　裂隙岩体弹塑性本构模型　88
3.5　总结　96
3.5.1　岩石材料和岩体的经典本构模型　97
3.5.2　岩石裂隙本构模型　100
3.5.3　岩石裂隙试验重要问题　102
参考文献　104
第4章　裂隙中流体流动与水-力耦合特性　112
4.1　多孔连续介质中流体流动的控制方程　113
4.1.1　多孔介质中流体流动的连续性方程　114
4.1.2　流体运动方程　116
4.2　流体在光滑裂隙中的流动方程　118
4.2.1　光滑平行裂隙流动方程　118
4.2.2　光滑倾斜裂隙导水系数　120
4.3　粗糙裂隙中流体流动经验模型　121
4.3.1　基于立方定律有效性的流动模型　121
4.3.2　不考虑立方定律有效性的流动模型　124
4.4　连通裂隙系统的流动方程　128
4.5　裂隙流体流动与变形的耦合　130
4.5.1　流体压力和块体运动/变形的耦合　130
4.5.2　流体压力与裂隙变形的耦合　132
4.6　重要问题述评　137
4.6.1　裂隙中流体流动的试验与模型　137
4.6.2　THM耦合过程　138
参考文献　140
第5章　裂隙系统的基本特征——现场测绘和随机模拟　148
5.1　引言　148
5.2　裂隙的现场测绘与几何性质　149
5.2.1　几何参数与现场测绘　149
5.2.2　裂隙系统参数识别的数据处理　153
5.3　裂隙几何参数的统计分布　161
5.3.1　统计学原理　161
5.3.2　随机裂隙系统模型的统计技术　163
5.4　特定场地条件下的裂隙系统综合表征　170
参考文献　173
第6章　块体系统组合拓扑表征的理论基础　177
6.1　曲面与同胚体　179
6.2　多面体及其特性　180
6.3　单纯形和复形　182
6.4　多面体的平面图解　188
6.5　多面体边界表示的数据集　193
6.6　用边界算子进行块体追踪　194
参考文献　195
第7章　块体系统构建的数值方法　196
7.1　引言　196
7.2　采用边界算子方法的二维块体系统构建　198
7.2.1　裂隙相交及边集合的形成　200
7.2.2　边的规则化　201
7.2.3　二维单纯复形的边界算子　203
7.2.4　二维块体追踪　205
7.2.5　流动路径和块体力学接触的表征　209
7.3　采用边界算子方法的三维块体系统构建　212
7.3.1　裂隙表征与坐标系　212
7.3.2　裂隙交线　214
7.3.3　面和边的规则化　217
7.3.4　三维块体追踪　222
7.4　总结　229
参考文献　230
第8章　块体系统的显式离散单元法——DtME　231
8.1　引言　231
8.2　导数的有限差分近似　233
8.2.1　矩形单元的规则网格　233
8.2.2　一般形状单元网格——有限体积法　235
8.3　动态松弛方法和静态松弛方法　236
8.3.1　一般概念　236
8.3.2　块体系统的动态松弛方法　239
8.3.3　DEM中刚体系统的静态松弛方法　242
8.3.4　多孔介质中流体流动的动态松弛方法　250
8.4　可变形连续体应力分析的动态松弛方法　252
8.5　块体几何的表征和内部离散化　255
8.5.1　内部三角剖分和Voronoi网格　256
8.5.2　二维Delaunay三角剖分　256
8.5.3　二维Voronoi过程　260
8.5.4　三维Delaunay三角剖分——四面体单元　261
8.5.5　高阶单元　266
8.6　内部单元的应变和应力计算　266
8.7　块体接触的表征　268
8.8　运动方程的数值积分　270
8.9　DtEM中的接触类型及识别　274
8.10　阻尼　279
8.11　链表数据结构　282
8.12　热-水-力耦合分析　284
8.12.1　采用域结构的流动和水-力分析方法　286
8.12.2　UDEC程序中的热传导和热-力分析　289
8.12.3　沿裂隙的热对流和热-水-力耦合过程　293
8.12.4　DtEM中耦合过程的处理　298
8.13　混合DEM-FEM/BEM表达形式　299
8.14　FEM与DEM建模实例对比　301
8.15　总结　303
参考文献　304
第9章　块体系统的隐式离散单元法——非连续变形分析方法　315
9.1　能量最小原理与全局平衡方程　316
9.2　接触类型及识别　318
9.2.1　两相近块体间的最小距离　318
9.2.2　接触类型及识别算法　320
9.3　刚性块体表达形式　322
9.4　三角形有限元网格的可变形块体　326
9.5　四边形有限元网格的可变形块体　329
9.6　单元刚度矩阵和荷载矢量的计算　333
9.6.1　岩石材料的弹性变形——应变能最小化　334
9.6.2　质量惯性——动能最小化　334
9.6.3　单元(块体)接触　336
9.6.4　外力　344
9.6.5　体力　349
9.6.6　位移约束　349
9.6.7　锚杆　351
9.7　全局运动方程的组合　353
9.8　DDA中流体流动和水-力耦合分析　354
9.8.1　DDA中流体压力-块体变形耦合表达形式　355
9.8.2　求解方法　358
9.9　总结　361
参考文献　362
第10章　离散裂隙网络法　366
10.1　引言　366
10.2　裂隙网络表征　368
10.2.1　单裂隙　368
10.2.2　裂隙网络　370
10.3　裂隙网络内渗流场的求解　372
10.3.1　FEM求解技术　373
10.3.2　BEM求解技术　376
10.3.3　考虑岩石基质渗透和裂隙传导的BEM方法　379
10.3.4　管网和通道格子模型　383
10.4　逾渗理论　383
10.5　组合拓扑理论　387
10.6　总结　390
10.6.1　裂隙测绘质量与数据估计　390
10.6.2　分形或幂律表征的尺度效应　391
10.6.3　网络连通性　391
参考文献　392
第11章　颗粒材料离散单元法　401
11.1　引言　401
11.2　颗粒材料DEM计算特征　407
11.3　PFC程序应用示例　411
11.4　数值稳定性与时间积分问题　421
11.4.1　FEM网格与DEM颗粒系统的类比　421
11.4.2　接触单元的刚度矩阵　423
11.4.3　接触单元的质量矩阵　426
11.4.4　特征值计算　429
11.4.5　检测数值不稳定性的能量平衡方法　429
11.5　颗粒系统的Cosserat连续体等效　431
11.5.1　基本概念　431
11.5.2　颗粒系统均匀化的微观力学基本概念　433
11.5.3　微观力学——运动学变量　434
11.5.4　Cosserat连续体与颗粒系统静力学和运动学变量的微宏观等效表达　438
11.6　总结　439
参考文献　440
第12章　DEM在地质、地球物理和岩石工程中的应用案例研究　450
12.1　引言　450
12.2　地质结构与过程　451
12.2.1　地壳变形　451
12.2.2　地震和地震灾害　455
12.2.3　岩体应力　459
12.2.4　天然岩石边坡的失稳　464
12.3　地下土木结构　468
12.3.1　隧道工程　468
12.3.2　岩石洞室　473
12.4　矿山结构　477
12.4.1　露天矿和采石场　479
12.4.2　地下矿　480
12.4.3　矿山地表沉陷　485
12.5　放射性废物处置　489
12.5.1　案例分析1——热和冰川荷载作用下储库性能三维DEM预测　491
12.5.2　案例分析2——处置孔渗水量三维DEM研究　497
12.6　岩体加固　501
12.7　地下水流动和地热能开采　502
12.8　裂隙岩体等效水-力性质的推导　506
12.8.1　裂隙岩体连续介质近似的基本概念　506
12.8.2　使用DEM确定裂隙岩体REV和推导等效连续介质渗透性　507
12.8.3　裂隙岩体REV和弹性柔度张量　513
12.8.4　应力对流体流场的影响：应力诱导的沟槽流　523
12.8.5　重要问题讨论　529
参考