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滑坡研究中的力學方法 版權信息
- ISBN：9787030526748
- 條形碼：9787030526748 ; 978-7-03-052674-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
滑坡研究中的力學方法 本書特色
本書作者從事多年滑坡研究，針對滑坡災害評價、預警中的問題，開展力學方法研究，形成了滑坡災害評價、預警新的理論體系，并在若干重大工程案例中應用和驗證。本書的主要內容包括：滑坡災害需要解決的工程問題及科學難題，錢學森工程科學思想的核心內容以及基于數值模擬方法的滑坡災害研究的理論框架；幾類地質踏勘的主要目的與力學分析需求之間的關系，量綱分析在滑坡研究中的作用；滑坡研究的基本方程及相應數值方法可描述的問題及適用范圍，特別是，將拉格朗日方程應用于連續—非連續介質理論模型；集本構關系與強度準則于一體的新的本構模型——應變強度分布本構模型；適合連續—非連續計算且有更高精度的彈簧元方法及應用；論述并實踐了新的裂隙與孔隙滲流耦合計算模型、單元破裂模型、散體碰撞檢測算法以及應力場、滲流場、破裂場耦合算法；給出了基于數值模擬與破裂度理論的滑坡災害評價與預警理論體系，并應用相關理論進行了典型工程案例分析。
滑坡研究中的力學方法 內容簡介
本書作者從事多年滑坡研究，針對滑坡災害評價、預警中的問題，開展力學方法研究，形成了滑坡災害評價、預警新的理論體系，并在若干重大工程案例中應用和驗證。本書的主要內容包括：滑坡災害需要解決的工程問題及科學難題，錢學森工程科學思想的核心內容以及基于數值模擬方法的滑坡災害研究的理論框架；幾類地質踏勘的主要目的與力學分析需求之間的關系，量綱分析在滑坡研究中的作用；滑坡研究的基本方程及相應數值方法可描述的問題及適用范圍，特別是，將拉格朗日方程應用于連續—非連續介質理論模型；集本構關系與強度準則于一體的新的本構模型——應變強度分布本構模型；適合連續—非連續計算且有更高精度的彈簧元方法及應用；論述并實踐了新的裂隙與孔隙滲流耦合計算模型、單元破裂模型、散體碰撞檢測算法以及應力場、滲流場、破裂場耦合算法；給出了基于數值模擬與破裂度理論的滑坡災害評價與預警理論體系，并應用相關理論進行了典型工程案例分析。
滑坡研究中的力學方法 目錄
目錄
序一
序二
前言目錄
序一
序二
前言
第1章 緒論 1
1.1 滑坡的定義、現象與學科定位 1
1.1.1 滑坡的定義 1
1.1.2 滑坡災害的基本現象 1
1.1.3 研究滑坡災害的學科定位 1
1.2 地質體及其力學特性 2
1.3 滑坡體的力學分類 4
1.3.1 滑坡介質的材料特性分類 5
1.3.2 邊界條件的分類 7
1.3.3 力學狀態分類 8
1.3.4 基本方程的分類 8
1.4 滑坡災害防治中的工程問題 9
1.4.1 現有地質體穩定性判斷方法的適用范圍 9
1.4.2 探測地質體力學特性的方法 10
1.4.3 滑坡災害防治的設計依據 10
1.4.4 水對滑坡的作用及防治措施 11
1.4.5 滑坡災害風險評估 12
1.5 滑坡災害防治中的關鍵力學問題 12
1.5.1 強度理論的局限性 12
1.5.2 固體的漸進破壞過程 14
1.5.3 連續與非連續模型的耦合 15
1.5.4 流體與固體的耦合 15
1.5.5 歐拉與拉格朗日坐標系的耦合 16
1.6 本章小結 16
參考文獻 16
第2章 滑坡災害防治的方法論 18
2.1 錢學森的工程科學思想 18
2.1.1 工程科學的定義 18
2.1.2 工程科學的工程性與科學性 19
2.1.3 工程科學的方法論 22
2.2 數值模擬是工程科學的重要組成部分 25
2.3 滑坡研究的方法 26
2.4 滑坡災害研究的系統性 29
2.5 本章小結 31
參考文獻 31
第3章 現階段滑坡災害防治的理念與技術框架 32
3.1 滑坡的基本特性 32
3.1.1 滑坡的特殊性 32
3.1.2 滑坡的結構性 33
3.1.3 滑坡的動態演化性 34
3.2 滑坡演化的五個破壞階段 34
3.3 基于破裂演化原理的工程地質災害防災理念 35
3.3.1 理念一：將地質災害成災過程的預測轉化為地質體破壞狀態的判斷 36
3.3.2 理念二：現場監測和數值模擬相結合，建立可測物理量與內部破壞狀態之間的聯系 38
3.4 基于數值模擬的滑坡災害預警系統技術框架 39
3.5 本章小結 42
第4章 滑坡地質勘探方法及與力學分析的相關性 43
4.1 踏勘 43
4.1.1 地形地貌 43
4.1.2 地質構造 45
4.1.3 地層巖性 46
4.1.4 水文地質條件 46
4.1.5 地表地質現象 47
4.2 勘探 50
4.2.1 地層 50
4.2.2 巖體結構 52
4.2.3 地下水 54
4.2.4 巖性試驗 56
4.2.5 鉆孔取樣及土工試驗 58
4.2.6 探槽 61
4.2.7 大剪試驗 62
4.3 物探 64
4.3.1 地層地震波 64
4.3.2 地質雷達 66
4.3.3 電法 66
4.4 工程地質報告 67
4.5 本章小結 68
參考文獻 69
第5章 量綱分析方法及在滑坡防治中的應用 70
5.1 量綱分析中的基本概念與定理 70
5.1.1 基本概念 70
5.1.2 Ⅱ定理的表述與理解 71
5.1.3 斜面上的滑塊啟動與運動 71
5.2 量綱分析的基本方法 76
5.2.1 確定因變量 77
5.2.2 確定自變量 77
5.2.3 選出主參量，構建無量綱量 78
5.2.4 給出無量綱函數的一般表達式 78
5.2.5 利用量綱分析，尋求基本規律 78
5.3 量綱分析在滑坡研究中的作用 85
5.3.1 量綱分析用于學科定位 85
5.3.2 明確研究目標及研究內容 87
5.3.3 找出關鍵問題 87
5.4 量綱分析在其他分析方法中的作用 89
5.4.1 在室內試驗中的重要作用 89
5.4.2 量綱分析用于簡化基本方程，抽象合理模型 93
5.4.3 量綱分析在數值分析中的作用 96
5.5 量綱分析在滑坡及防治中的應用案例 102
5.5.1 承壓水誘發堆積體滑坡試驗 102
5.5.2 地震作用下順層巖質邊坡的破壞 104
5.5.3 應用量綱分析法建立樁間距的計算模型 105
5.6 本章小結 106
第6章 描述滑坡災害體運動規律的基本方程 107
6.1 基于牛頓定律建立的運動方程 107
6.1.1 質點及剛體運動的運動方程 108
6.1.2 固體介質的基本方程 109
6.1.3 流體介質的基本方程 114
6.1.4 流體彈塑性 116
6.2 基于分析力學建立的運動方程 117
6.2.1 質點-剛體運動的運動方程 118
6.2.2 固體介質的基本方程 119
6.2.3 流體介質的基本方程 120
6.3 基于分析力學的連續-非連續介質力學 122
6.3.1 拉格朗日坐標系 122
6.3.2 歐拉坐標系 122
6.3.3 力學問題與描述之間的關系 122
6.3.4 新的描述方法 123
6.3.5 連續-非連續介質力學 124
6.3.6 拉格朗日方程用于具體數值方法 126
6.4 力學方程表達中的本構關系和強度 126
6.4.1 線性彈性本構關系 127
6.4.2 塑性本構關系 127
6.4.3 莫爾-庫侖強度準則 128
6.4.4 基于代表性體積單元的本構關系 129
6.5 滑坡中常用的數值解法 130
6.5.1 有限差分法 130
6.5.2 有限單元法 132
6.5.3 離散元法 135
6.5.4 剛體極限平衡方法 135
6.5.5 融合了離散和連續描述的方法 137
6.5.6 各種方法的適用范圍 139
6.6 本章小結 139
參考文獻 140
第7章 應變強度分布本構模型的基本理論 142
7.1 地質體的非連續、非均勻特性與兩尺度力學模型 143
7.1.1 建立兩尺度模型的必要性 143
7.1.2 宏觀尺度模型 143
7.1.3 表征元尺度模型 145
7.1.4 兩尺度模型與材料本構關系之間的關系 146
7.2 傳統的理論本構模型及存在的問題 146
7.3 應變強度分布本構模型的概念和基本假設 147
7.4 界面應變強度分布本構 149
7.4.1 界面力學行為 149
7.4.2 基本概念和假設 149
7.4.3 界面的破裂度與完整度 149
7.4.4 界面拉伸破裂度與完整度 150
7.4.5 界面剪切破裂度 150
7.4.6 界面拉剪聯合破裂度 151
7.4.7 幾類常用分布下的破裂度和完整度 152
7.4.8 界面拉伸應力-應變關系破裂度和完整度曲線 155
7.4.9 界面拉伸應力-應變關系 156
7.4.10 界面剪切應力-應變關系 158
7.4.11 界面在拉剪聯合作用下的應力-應變關系 159
7.4.12 界面在拉剪聯合作用下的應力-應變關系 160
7.5 塊體應變強度分布本構模型 161
7.5.1 微元體均勻破裂損傷模型 161
7.5.2 正交各向異性損傷模型 164
7.5.3 八面體剪切破裂損傷模型 166
7.5.4 三階段損傷破裂模型 169
7.6 應變強度分布模型的參數確定方法 176
7.6.1 試驗曲線反演分布參數 176
7.6.2 數值模擬與試驗數據聯合反演分布參數 178
7.7 考慮初始破裂場的應變強度分布模型 180
7.8 本章小結 181
參考文獻 181
第8章 彈簧元的基本模型與計算方法 184
8.1 彈簧元方法的基本概念與理論基礎 185
8.1.1 探索彈簧元方法的技術途徑 185
8.1.2 彈簧元方法物理模型及位移模態選取 187
8.1.3 彈簧元方法的理論基礎及特點 198
8.1.4 彈簧元單元的構建及標定步驟 205
8.1.5 彈簧元方法的實用性 206
8.2 常應變單元彈簧元模型 206
8.2.1 三節點三角形單元 206
8.2.2 四節點四面體單元 209
8.3 雙線性單元彈簧元模型 212
8.3.1 四節點矩形單元 212
8.3.2 八節點長方體單元 216
8.3.3 任意四節點四邊形單元 218
8.4 其他單元彈簧元模型 221
8.5 彈簧元的程序實現 223
8.5.1 彈簧元求解靜力問題的過程 223
8.5.2 彈簧元求解線彈性動力問題的過程 224
8.5.3 強度準則及人工邊界處理 227
8.6 彈簧單元法的算例驗證 229
8.6.1 波場模擬中計算波速的驗證 229
8.6.2 時空離散對波動模擬的影響測試 229
8.6.3 動力吸收邊界測試 230
8.7 彈簧元結構層 231
8.7.1 結構層的概念 231
8.7.2 三棱柱彈簧元結構層 231
8.7.3 四面體組合彈簧元結構層 237
8.8 本章小結 239
參考文獻 239
第9章 地質體破裂及運動全過程計算方法 241
9.1 CDEM數值計算方法 243
9.1.1 基本概念及定義 243
9.1.2 基本控制方程 245
9.1.3 全域動態松弛求解 247
9.1.4 時間步長選取 248
9.1.5 阻尼系數選取 248
9.2 塊體邊界破裂計算 249
9.2.1 離散特征與破裂判斷 249
9.2.2 接觸本構描述 251
9.2.3 數值算例 255
9.3 塊體內部破裂計算 260
9.3.1 塊體破裂判斷 260
9.3.2 裂紋擴展方式 261
9.3.3 數值算例 263
9.4 基于應變強度分布的可破裂彈簧元 275
9.4.1 彈簧元應變強度分布描述 275
9.4.2 彈簧元損傷破裂的實現 278
9.5 塊體運動破壞過程的接觸檢測方法 281
9.5.1 接觸邊-半彈簧的概念 282
9.5.2 接觸邊與目標面的幾何關系 283
9.5.3 接觸力的計算 285
9.5.4 數值算例 288
9.6 本章小結 301
參考文獻 303
第10章 裂隙滲流與孔隙滲流的基本模型與方法 305
10.1 概述 305
10.1.1 滑坡滑動與滲流力學 305
10.1.2 滲流誘發滑坡的力學機理 305
10.1.3 本章研究內容與技術路線 306
10.2 滑坡滲流基本理論與模型 307
10.2.1 滑坡滲流物理參數 307
10.2.2 滑坡滲流的基本理論 308
10.2.3 滑坡滲流物理模型 309
10.2.4 滑坡滲流數學模型 310
10.3 傳統滲流數值求解方法 311
10.3.1 孔隙滲流有限單元法 311
10.3.2 裂隙滲流有限單元法 314
10.3.3 孔隙滲流有限體積法 319
10.4 非穩態裂隙流的N-S方程有限差分法 323
10.4.1 非穩態裂隙滲流數值模型 324
10.4.2 非穩態裂隙滲流數值方法 325
10.4.3 自由表面處理 326
10.4.4 邊界條件 327
10.4.5 算例驗證 328
10.5 二維孔隙滲流彈簧元法 332
10.5.1 基本原理 332
10.5.2 算例驗證 336
10.6 孔隙-裂隙耦合滲流中心型有限體積法 339
10.6.1 基本原理 340
10.6.2 算例驗證 344
10.7 基于CDEM的滲流-應力-破裂耦合模型與求解 349
10.7.1 滲流場計算模型 349
10.7.2 應力場與破裂場計算模型 351
10.7.3 滲流-應力耦合模型 352
10.7.4 孔隙-裂隙滲流耦合模型 353
10.7.5 算例研究 354
10.8 本章小結 362
參考文獻 364
第11章 滑坡試驗及現場監測方法研究 369
11.1 基于等應力邊界加載的土石混合體三軸試驗 370
11.2 滑坡物理模型試驗系統 373
11.2.1 滑坡平臺起降控制系統 374
11.2.2 滑坡平臺水動力誘發系統 375
11.2.3 滑坡平臺多物理量測量系統 375
11.2.4 不同類型滑坡機理研究 376
11.2.5 案例分析 378
11.2.6 小結 381
11.3 土石混合體原位剪切試驗系統 381
11.3.1 實施效果 382
11.3.2 數值計算結果對比 382
11.4 基于物聯網的滑坡監測系統 385
11.4.1 傳感器子系統 385
11.4.2 數據采集及傳輸子系統 387
11.4.3 監測數據管理子系統 389
11.5 典型滑坡監測預警應用案例 392
11.5.1 唐家山堰塞湖壩體變形應急監測 392
11.5.2 三峽庫區涼水井滑坡應急監測預警 393
11.6 本章小結 395
參考文獻 395
第12章 滑坡災害的評價方法 397
12.1 基于破裂度的滑坡危險性評價方法 398
12.1.1 地裂縫的基本表象與數值模擬中的破裂面積 399
12.1.2 災變破裂面積與破裂度 399
12.1.3 破裂度與強度參數之間的關系 400
12.1.4 凝聚力對地表破裂度與滑面破裂度的影響 402
12.1.5 破裂度與滑坡穩定性之間的關系 404
12.1.6 復雜條件下的破裂度演化規律 404
12.1.7 破裂度計算的網格依賴性 409
12.1.8 基于破裂度的滑坡危險性評價方法計算步驟 409
12.1.9 破裂度在涼水井滑坡中的應用 410
12.1.10 破裂度評價方法與安全系數之間的關系 412
12.2 基于地表位移和裂縫的滑坡參數及內部破裂狀態反演方法 412
12.2.1 地表位移裂縫反演方法的基本概念和分析步驟 413
12.2.2 地表位移裂縫反演方法的可行性驗證 413
12.2.3 地表位移裂縫反演方法的典型案例分析 414
12.3 基于可靠度的滑坡失穩概率分析 418
12.3.1 拉丁超立方抽樣基本原理 419
12.3.2 邊坡可靠度分析方法 421
12.3.3 典型案例分析 422
12.4 本章小結 429
參考文獻 429
第13章 地震誘發滑坡災害的機理與方法 430
13.1 地震波及其傳播規律 431
13.1.1 地震波的分類 431
13.1.2 地震應力波在材料交界面處的透反射 432
13.1.3 地震應力波在自由表面的反射拉伸作用 437
13.1.4 地震誘發邊坡失穩破壞的原因及過程 440
13.2 地震下邊坡穩定性的評價方法 441
13.2.1 擬靜力法 441
13.2.2 永久位移法 443
13.2.3 基于數值模擬的破裂度評價法 444
13.3 通過爆炸波模擬地震波的模型試驗 447
13.3.1 試驗原理及方法 447
13.3.2 基于量綱分析的試驗模型設計 448
13.3.3 順層邊坡的模型試驗研究 450
13.3.4 基覆邊坡的模型試驗研究 460
13.4 地震作用下邊坡破壞機理及模式的數值分析 466
13.4.1 順層邊坡的破壞模式分析 466
13.4.2 基覆邊坡的破壞模式分析 472
13.4.3 斷層觸發滑坡模式的數值模擬 478
13.5 本章小結 487
參考文獻 488
第14章 地質災害預測的工程案例分析 490
14.1 武隆雞尾山滑坡失穩成災過程再現 490
14.1.1 工程概況 490
14.1.2 滑源區啟動機制數值模擬研究 494
14.1.3 高速遠程運動特征數值模擬研究 504
14.1.4 結論 507
14.2 庫水漲落及降雨對云陽涼水井滑坡的影響 507
14.2.1 滑坡概況 507
14.2.2 工程地質分析 509
14.2.3 數值分析內容 510
14.2.4 循環庫水漲落的影響 510
14.2.5 庫水漲落及降雨的聯合作用 513
14.2.6 不同條件組合下涼水井滑坡的失穩分析 515
14.2.7 結論 516
14.3 庫水漲落及降雨對茅坪滑坡穩定性的影響 517
14.3.1 滑坡概況 517
14.3.2 數值分析內容 518
14.3.3 滑坡體當前狀態的反演 518
14.3.4 茅坪滑坡失穩條件分析 526
14.3.5 結論 529
14.4 動態開采對白音華露天礦邊坡穩定性的影響 529
14.4.1 工程地質概況 529
14.4.2 數值分析內容 530
14.4.3 不同開采深度對邊坡穩定性的影響 531
14.4.4 不同弱層暴露寬度對邊坡穩定性的影響 534
14.4.5 結論 536
14.5 錫林浩特勝利東二礦的破壞模式及破壞機理分析 537
14.5.1 工程概況 537
14.5.2 數值分析的目的及方案 539
14.5.3 數值分析過程及結果 540
14.5.4 結論 542
14.6 強震作用下唐家山順層滑坡失穩過程再現 542
14.6.1 工程地質概況 542
14.6.2 計算模型及參數 543
14.6.3 計算結果分析 544
14.7 地震作用下涪陵五中滑坡的穩定性分析 544
14.7.1 滑坡概況 544
14.7.2 數值分析內容 546
14.7.3 滑移過程再現 546
14.7.4 治理后邊坡的靜力穩定性分析 549
14.7.5 治理后邊坡的地震穩定性分析 551
14.7.6 結論 556
14.8 本章小結 557
參考文獻 557
附錄 組成無量綱量的方法 558
索引 561
1.1 滑坡的定義、現象與學科定位 1
1.1.1 滑坡的定義 1
1.1.2 滑坡災害的基本現象 1
1.1.3 研究滑坡災害的學科定位 1
1.2 地質體及其力學特性 2
1.3 滑坡體的力學分類 4
1.3.1 滑坡介質的材料特性分類 5
1.3.2 邊界條件的分類 7
1.3.3 力學狀態分類 8
1.3.4 基本方程的分類 8
1.4 滑坡災害防治中的工程問題 9
1.4.1 現有地質體穩定性判斷方法的適用范圍 9
1.4.2 探測地質體力學特性的方法 10
1.4.3 滑坡災害防治的設計依據 10
1.4.4 水對滑坡的作用及防治措施 11
1.4.5 滑坡災害風險評估 12
1.5 滑坡災害防治中的關鍵力學問題 12
1.5.1 強度理論的局限性 12
1.5.2 固體的漸進破壞過程 14
1.5.3 連續與非連續模型的耦合 15
1.5.4 流體與固體的耦合 15
1.5.5 歐拉與拉格朗日坐標系的耦合 16
1.6 本章小結 16
參考文獻 16
第2章 滑坡災害防治的方法論 18
2.1 錢學森的工程科學思想 18
2.1.1 工程科學的定義 18
2.1.2 工程科學的工程性與科學性 19
2.1.3 工程科學的方法論 22
2.2 數值模擬是工程科學的重要組成部分 25
2.3 滑坡研究的方法 26
2.4 滑坡災害研究的系統性 29
2.5 本章小結 31
參考文獻 31
第3章 現階段滑坡災害防治的理念與技術框架 32
3.1 滑坡的基本特性 32
3.1.1 滑坡的特殊性 32
3.1.2 滑坡的結構性 33
3.1.3 滑坡的動態演化性 34
3.2 滑坡演化的五個破壞階段 34
3.3 基于破裂演化原理的工程地質災害防災理念 35
3.3.1 理念一：將地質災害成災過程的預測轉化為地質體破壞狀態的判斷 36
3.3.2 理念二：現場監測和數值模擬相結合，建立可測物理量與內部破壞狀態之間的聯系 38
3.4 基于數值模擬的滑坡災害預警系統技術框架 39
3.5 本章小結 42
第4章 滑坡地質勘探方法及與力學分析的相關性 43
4.1 踏勘 43
4.1.1 地形地貌 43
4.1.2 地質構造 45
4.1.3 地層巖性 46
4.1.4 水文地質條件 46
4.1.5 地表地質現象 47
4.2 勘探 50
4.2.1 地層 50
4.2.2 巖體結構 52
4.2.3 地下水 54
4.2.4 巖性試驗 56
4.2.5 鉆孔取樣及土工試驗 58
4.2.6 探槽 61
4.2.7 大剪試驗 62
4.3 物探 64
4.3.1 地層地震波 64
4.3.2 地質雷達 66
4.3.3 電法 66
4.4 工程地質報告 67
4.5 本章小結 68
參考文獻 69
第5章 量綱分析方法及在滑坡防治中的應用 70
5.1 量綱分析中的基本概念與定理 70
5.1.1 基本概念 70
5.1.2 Ⅱ定理的表述與理解 71
5.1.3 斜面上的滑塊啟動與運動 71
5.2 量綱分析的基本方法 76
5.2.1 確定因變量 77
5.2.2 確定自變量 77
5.2.3 選出主參量，構建無量綱量 78
5.2.4 給出無量綱函數的一般表達式 78
5.2.5 利用量綱分析，尋求基本規律 78
5.3 量綱分析在滑坡研究中的作用 85
5.3.1 量綱分析用于學科定位 85
5.3.2 明確研究目標及研究內容 87
5.3.3 找出關鍵問題 87
5.4 量綱分析在其他分析方法中的作用 89
5.4.1 在室內試驗中的重要作用 89
5.4.2 量綱分析用于簡化基本方程，抽象合理模型 93
5.4.3 量綱分析在數值分析中的作用 96
5.5 量綱分析在滑坡及防治中的應用案例 102
5.5.1 承壓水誘發堆積體滑坡試驗 102
5.5.2 地震作用下順層巖質邊坡的破壞 104
5.5.3 應用量綱分析法建立樁間距的計算模型 105
5.6 本章小結 106
第6章 描述滑坡災害體運動規律的基本方程 107
6.1 基于牛頓定律建立的運動方程 107
6.1.1 質點及剛體運動的運動方程 108
6.1.2 固體介質的基本方程 109
6.1.3 流體介質的基本方程 114
6.1.4 流體彈塑性 116
6.2 基于分析力學建立的運動方程 117
6.2.1 質點-剛體運動的運動方程 118
6.2.2 固體介質的基本方程 119
6.2.3 流體介質的基本方程 120
6.3 基于分析力學的連續-非連續介質力學 122
6.3.1 拉格朗日坐標系 122
6.3.2 歐拉坐標系 122
6.3.3 力學問題與描述之間的關系 122
6.3.4 新的描述方法 123
6.3.5 連續-非連續介質力學 124
6.3.6 拉格朗日方程用于具體數值方法 126
6.4 力學方程表達中的本構關系和強度 126
6.4.1 線性彈性本構關系 127
6.4.2 塑性本構關系 127
6.4.3 莫爾-庫侖強度準則 128
6.4.4 基于代表性體積單元的本構關系 129
6.5 滑坡中常用的數值解法 130
6.5.1 有限差分法 130
6.5.2 有限單元法 132
6.5.3 離散元法 135
6.5.4 剛體極限平衡方法 135
6.5.5 融合了離散和連續描述的方法 137
6.5.6 各種方法的適用范圍 139
6.6 本章小結 139
參考文獻 140
第7章 應變強度分布本構模型的基本理論 142
7.1 地質體的非連續、非均勻特性與兩尺度力學模型 143
7.1.1 建立兩尺度模型的必要性 143
7.1.2 宏觀尺度模型 143
7.1.3 表征元尺度模型 145
7.1.4 兩尺度模型與材料本構關系之間的關系 146
7.2 傳統的理論本構模型及存在的問題 146
7.3 應變強度分布本構模型的概念和基本假設 147
7.4 界面應變強度分布本構 149
7.4.1 界面力學行為 149
7.4.2 基本概念和假設 149
7.4.3 界面的破裂度與完整度 149
7.4.4 界面拉伸破裂度與完整度 150
7.4.5 界面剪切破裂度 150
7.4.6 界面拉剪聯合破裂度 151
7.4.7 幾類常用分布下的破裂度和完整度 152
7.4.8 界面拉伸應力-應變關系破裂度和完整度曲線 155
7.4.9 界面拉伸應力-應變關系 156
7.4.10 界面剪切應力-應變關系 158
7.4.11 界面在拉剪聯合作用下的應力-應變關系 159
7.4.12 界面在拉剪聯合作用下的應力-應變關系 160
7.5 塊體應變強度分布本構模型 161
7.5.1 微元體均勻破裂損傷模型 161
7.5.2 正交各向異性損傷模型 164
7.5.3 八面體剪切破裂損傷模型 166
7.5.4 三階段損傷破裂模型 169
7.6 應變強度分布模型的參數確定方法 176
7.6.1 試驗曲線反演分布參數 176
7.6.2 數值模擬與試驗數據聯合反演分布參數 178
7.7 考慮初始破裂場的應變強度分布模型 180
7.8 本章小結 181
參考文獻 181
第8章 彈簧元的基本模型與計算方法 184
8.1 彈簧元方法的基本概念與理論基礎 185
8.1.1 探索彈簧元方法的技術途徑 185
8.1.2 彈簧元方法物理模型及位移模態選取 187
8.1.3 彈簧元方法的理論基礎及特點 198
8.1.4 彈簧元單元的構建及標定步驟 205
8.1.5 彈簧元方法的實用性 206
8.2 常應變單元彈簧元模型 206
8.2.1 三節點三角形單元 206
8.2.2 四節點四面體單元 209
8.3 雙線性單元彈簧元模型 212
8.3.1 四節點矩形單元 212
8.3.2 八節點長方體單元 216
8.3.3 任意四節點四邊形單元 218
8.4 其他單元彈簧元模型 221
8.5 彈簧元的程序實現 223
8.5.1 彈簧元求解靜力問題的過程 223
8.5.2 彈簧元求解線彈性動力問題的過程 224
8.5.3 強度準則及人工邊界處理 227
8.6 彈簧單元法的算例驗證 229
8.6.1 波場模擬中計算波速的驗證 229
8.6.2 時空離散對波動模擬的影響測試 229
8.6.3 動力吸收邊界測試 230
8.7 彈簧元結構層 231
8.7.1 結構層的概念 231
8.7.2 三棱柱彈簧元結構層 231
8.7.3 四面體組合彈簧元結構層 237
8.8 本章小結 239
參考文獻 239
第9章 地質體破裂及運動全過程計算方法 241
9.1 CDEM數值計算方法 243
9.1.1 基本概念及定義 243
9.1.2 基本控制方程 245
9.1.3 全域動態松弛求解 247
9.1.4 時間步長選取 248
9.1.5 阻尼系數選取 248
9.2 塊體邊界破裂計算 249
9.2.1 離散特征與破裂判斷 249
9.2.2 接觸本構描述 251
9.2.3 數值算例 255
9.3 塊體內部破裂計算 260
9.3.1 塊體破裂判斷 260
9.3.2 裂紋擴展方式 261
9.3.3 數值算例 263
9.4 基于應變強度分布的可破裂彈簧元 275
9.4.1 彈簧元應變強度分布描述 275
9.4.2 彈簧元損傷破裂的實現 278
9.5 塊體運動破壞過程的接觸檢測方法 281
9.5.1 接觸邊-半彈簧的概念 282
9.5.2 接觸邊與目標面的幾何關系 283
9.5.3 接觸力的計算 285
9.5.4 數值算例 288
9.6 本章小結 301
參考文獻 303
第10章 裂隙滲流與孔隙滲流的基本模型與方法 305
10.1 概述 305
10.1.1 滑坡滑動與滲流力學 305
10.1.2 滲流誘發滑坡的力學機理 305
10.1.3 本章研究內容與技術路線 306
10.2 滑坡滲流基本理論與模型 307
10.2.1 滑坡滲流物理參數 307
10.2.2 滑坡滲流的基本理論 308
10.2.3 滑坡滲流物理模型 309
10.2.4 滑坡滲流數學模型 310
10.3 傳統滲流數值求解方法 311
10.3.1 孔隙滲流有限單元法 311
10.3.2 裂隙滲流有限單元法 314
10.3.3 孔隙滲流有限體積法 319
10.4 非穩態裂隙流的N-S方程有限差分法 323
10.4.1 非穩態裂隙滲流數值模型 324
10.4.2 非穩態裂隙滲流數值方法 325
10.4.3 自由表面處理 326
10.4.4 邊界條件 327
10.4.5 算例驗證 328
10.5 二維孔隙滲流彈簧元法 332
10.5.1 基本原理 332
10.5.2 算例驗證 336
10.6 孔隙-裂隙耦合滲流中心型有限體積法 339
10.6.1 基本原理 340
10.6.2 算例驗證 344
10.7 基于CDEM的滲流-應力-破裂耦合模型與求解 349
10.7.1 滲流場計算模型 349
10.7.2 應力場與破裂場計算模型 351
10.7.3 滲流-應力耦合模型 352
10.7.4 孔隙-裂隙滲流耦合模型 353
10.7.5 算例研究 354
10.8 本章小結 362
參考文獻 364
第11章 滑坡試驗及現場監測方法研究 369
11.1 基于等應力邊界加載的土石混合體三軸試驗 370
11.2 滑坡物理模型試驗系統 373
11.2.1 滑坡平臺起降控制系統 374
11.2.2 滑坡平臺水動力誘發系統 375
11.2.3 滑坡平臺多物理量測量系統 375
11.2.4 不同類型滑坡機理研究 376
11.2.5 案例分析 378
11.2.6 小結 381
11.3 土石混合體原位剪切試驗系統 381
11.3.1 實施效果 382
11.3.2 數值計算結果對比 382
11.4 基于物聯網的滑坡監測系統 385
11.4.1 傳感器子系統 385
11.4.2 數據采集及傳輸子系統 387
11.4.3 監測數據管理子系統 389
11.5 典型滑坡監測預警應用案例 392
11.5.1 唐家山堰塞湖壩體變形應急監測 392
11.5.2 三峽庫區涼水井滑坡應急監測預警 393
11.6 本章小結 395
參考文獻 395
第12章 滑坡災害的評價方法 397
12.1 基于破裂度的滑坡危險性評價方法 398
12.1.1 地裂縫的基本表象與數值模擬中的破裂面積 399
12.1.2 災變破裂面積與破裂度 399
12.1.3 破裂度與強度參數之間的關系 400
12.1.4 凝聚力對地表破裂度與滑面破裂度的影響 402
12.1.5 破裂度與滑坡穩定性之間的關系 404
12.1.6 復雜條件下的破裂度演化規律 404
12.1.7 破裂度計算的網格依賴性 409
12.1.8 基于破裂度的滑坡危險性評價方法計算步驟 409
12.1.9 破裂度在涼水井滑坡中的應用 410
12.1.10 破裂度評價方法與安全系數之間的關系 412
12.2 基于地表位移和裂縫的滑坡參數及內部破裂狀態反演方法 412
12.2.1 地表位移裂縫反演方法的基本概念和分析步驟 413
12.2.2 地表位移裂縫反演方法的可行性驗證 413
12.2.3 地表位移裂縫反演方法的典型案例分析 414
12.3 基于可靠度的滑坡失穩概率分析 418
12.3.1 拉丁超立方抽樣基本原理 419
12.3.2 邊坡可靠度分析方法 421
12.3.3 典型案例分析 422
12.4 本章小結 429
參考文獻 429
第13章 地震誘發滑坡災害的機理與方法 430
13.1 地震波及其傳播規律 431
13.1.1 地震波的分類 431
13.1.2 地震應力波在材料交界面處的透反射 432
13.1.3 地震應力波在自由表面的反射拉伸作用 437
13.1.4 地震誘發邊坡失穩破壞的原因及過程 440
13.2 地震下邊坡穩定性的評價方法 441
13.2.1 擬靜力法 441
13.2.2 永久位移法 443
13.2.3 基于數值模擬的破裂度評價法 444
13.3 通過爆炸波模擬地震波的模型試驗 447
13.3.1 試驗原理及方法 447
13.3.2 基于量綱分析的試驗模型設計 448
13.3.3 順層邊坡的模型試驗研究 450
13.3.4 基覆邊坡的模型試驗研究 460
13.4 地震作用下邊坡破壞機理及模式的數值分析 466
13.4.1 順層邊坡的破壞模式分析 466
13.4.2 基覆邊坡的破壞模式分析 472
13.4.3 斷層觸發滑坡模式的數值模擬 478
13.5 本章小結 487
參考文獻 488
第14章 地質災害預測的工程案例分析 490
14.1 武隆雞尾山滑坡失穩成災過程再現 490
14.1.1 工程概況 490
14.1.2 滑源區啟動機制數值模擬研究 494
14.1.3 高速遠程運動特征數值模擬研究 504
14.1.4 結論 507
14.2 庫水漲落及降雨對云陽涼水井滑坡的影響 507
14.2.1 滑坡概況 507
14.2.2 工程地質分析 509
14.2.3 數值分析內容 510
14.2.4 循環庫水漲落的影響 510
14.2.5 庫水漲落及降雨的聯合作用 513
14.2.6 不同條件組合下涼水井滑坡的失穩分析 515
14.2.7 結論 516
14.3 庫水漲落及降雨對茅坪滑坡穩定性的影響 517
14.3.1 滑坡概況 517
14.3.2 數值分析內容 518
14.3.3 滑坡體當前狀態的反演 518
14.3.4 茅坪滑坡失穩條件分析 526
14.3.5 結論 529
14.4 動態開采對白音華露天礦邊坡穩定性的影響 529
14.4.1 工程地質概況 529
14.4.2 數值分析內容 530
14.4.3 不同開采深度對邊坡穩定性的影響 531
14.4.4 不同弱層暴露寬度對邊坡穩定性的影響 534
14.4.5 結論 536
14.5 錫林浩特勝利東二礦的破壞模式及破壞機理分析 537
14.5.1 工程概況 537
14.5.2 數值分析的目的及方案 539
14.5.3 數值分析過程及結果 540
14.5.4 結論 542
14.6 強震作用下唐家山順層滑坡失穩過程再現 542
14.6.1 工程地質概況 542
14.6.2 計算模型及參數 543
14.6.3 計算結果分析 544
14.7 地震作用下涪陵五中滑坡的穩定性分析 544
14.7.1 滑坡概況 544
14.7.2 數值分析內容 546
14.7.3 滑移過程再現 546
14.7.4 治理后邊坡的靜力穩定性分析 549
14.7.5 治理后邊坡的地震穩定性分析 551
14.7.6 結論 556
14.8 本章小結 557
參考文獻 557
附錄 組成無量綱量的方法 558
索引 561
序一
序二
前言目錄
序一
序二
前言
第1章 緒論 1
1.1 滑坡的定義、現象與學科定位 1
1.1.1 滑坡的定義 1
1.1.2 滑坡災害的基本現象 1
1.1.3 研究滑坡災害的學科定位 1
1.2 地質體及其力學特性 2
1.3 滑坡體的力學分類 4
1.3.1 滑坡介質的材料特性分類 5
1.3.2 邊界條件的分類 7
1.3.3 力學狀態分類 8
1.3.4 基本方程的分類 8
1.4 滑坡災害防治中的工程問題 9
1.4.1 現有地質體穩定性判斷方法的適用范圍 9
1.4.2 探測地質體力學特性的方法 10
1.4.3 滑坡災害防治的設計依據 10
1.4.4 水對滑坡的作用及防治措施 11
1.4.5 滑坡災害風險評估 12
1.5 滑坡災害防治中的關鍵力學問題 12
1.5.1 強度理論的局限性 12
1.5.2 固體的漸進破壞過程 14
1.5.3 連續與非連續模型的耦合 15
1.5.4 流體與固體的耦合 15
1.5.5 歐拉與拉格朗日坐標系的耦合 16
1.6 本章小結 16
參考文獻 16
第2章 滑坡災害防治的方法論 18
2.1 錢學森的工程科學思想 18
2.1.1 工程科學的定義 18
2.1.2 工程科學的工程性與科學性 19
2.1.3 工程科學的方法論 22
2.2 數值模擬是工程科學的重要組成部分 25
2.3 滑坡研究的方法 26
2.4 滑坡災害研究的系統性 29
2.5 本章小結 31
參考文獻 31
第3章 現階段滑坡災害防治的理念與技術框架 32
3.1 滑坡的基本特性 32
3.1.1 滑坡的特殊性 32
3.1.2 滑坡的結構性 33
3.1.3 滑坡的動態演化性 34
3.2 滑坡演化的五個破壞階段 34
3.3 基于破裂演化原理的工程地質災害防災理念 35
3.3.1 理念一：將地質災害成災過程的預測轉化為地質體破壞狀態的判斷 36
3.3.2 理念二：現場監測和數值模擬相結合，建立可測物理量與內部破壞狀態之間的聯系 38
3.4 基于數值模擬的滑坡災害預警系統技術框架 39
3.5 本章小結 42
第4章 滑坡地質勘探方法及與力學分析的相關性 43
4.1 踏勘 43
4.1.1 地形地貌 43
4.1.2 地質構造 45
4.1.3 地層巖性 46
4.1.4 水文地質條件 46
4.1.5 地表地質現象 47
4.2 勘探 50
4.2.1 地層 50
4.2.2 巖體結構 52
4.2.3 地下水 54
4.2.4 巖性試驗 56
4.2.5 鉆孔取樣及土工試驗 58
4.2.6 探槽 61
4.2.7 大剪試驗 62
4.3 物探 64
4.3.1 地層地震波 64
4.3.2 地質雷達 66
4.3.3 電法 66
4.4 工程地質報告 67
4.5 本章小結 68
參考文獻 69
第5章 量綱分析方法及在滑坡防治中的應用 70
5.1 量綱分析中的基本概念與定理 70
5.1.1 基本概念 70
5.1.2 Ⅱ定理的表述與理解 71
5.1.3 斜面上的滑塊啟動與運動 71
5.2 量綱分析的基本方法 76
5.2.1 確定因變量 77
5.2.2 確定自變量 77
5.2.3 選出主參量，構建無量綱量 78
5.2.4 給出無量綱函數的一般表達式 78
5.2.5 利用量綱分析，尋求基本規律 78
5.3 量綱分析在滑坡研究中的作用 85
5.3.1 量綱分析用于學科定位 85
5.3.2 明確研究目標及研究內容 87
5.3.3 找出關鍵問題 87
5.4 量綱分析在其他分析方法中的作用 89
5.4.1 在室內試驗中的重要作用 89
5.4.2 量綱分析用于簡化基本方程，抽象合理模型 93
5.4.3 量綱分析在數值分析中的作用 96
5.5 量綱分析在滑坡及防治中的應用案例 102
5.5.1 承壓水誘發堆積體滑坡試驗 102
5.5.2 地震作用下順層巖質邊坡的破壞 104
5.5.3 應用量綱分析法建立樁間距的計算模型 105
5.6 本章小結 106
第6章 描述滑坡災害體運動規律的基本方程 107
6.1 基于牛頓定律建立的運動方程 107
6.1.1 質點及剛體運動的運動方程 108
6.1.2 固體介質的基本方程 109
6.1.3 流體介質的基本方程 114
6.1.4 流體彈塑性 116
6.2 基于分析力學建立的運動方程 117
6.2.1 質點-剛體運動的運動方程 118
6.2.2 固體介質的基本方程 119
6.2.3 流體介質的基本方程 120
6.3 基于分析力學的連續-非連續介質力學 122
6.3.1 拉格朗日坐標系 122
6.3.2 歐拉坐標系 122
6.3.3 力學問題與描述之間的關系 122
6.3.4 新的描述方法 123
6.3.5 連續-非連續介質力學 124
6.3.6 拉格朗日方程用于具體數值方法 126
6.4 力學方程表達中的本構關系和強度 126
6.4.1 線性彈性本構關系 127
6.4.2 塑性本構關系 127
6.4.3 莫爾-庫侖強度準則 128
6.4.4 基于代表性體積單元的本構關系 129
6.5 滑坡中常用的數值解法 130
6.5.1 有限差分法 130
6.5.2 有限單元法 132
6.5.3 離散元法 135
6.5.4 剛體極限平衡方法 135
6.5.5 融合了離散和連續描述的方法 137
6.5.6 各種方法的適用范圍 139
6.6 本章小結 139
參考文獻 140
第7章 應變強度分布本構模型的基本理論 142
7.1 地質體的非連續、非均勻特性與兩尺度力學模型 143
7.1.1 建立兩尺度模型的必要性 143
7.1.2 宏觀尺度模型 143
7.1.3 表征元尺度模型 145
7.1.4 兩尺度模型與材料本構關系之間的關系 146
7.2 傳統的理論本構模型及存在的問題 146
7.3 應變強度分布本構模型的概念和基本假設 147
7.4 界面應變強度分布本構 149
7.4.1 界面力學行為 149
7.4.2 基本概念和假設 149
7.4.3 界面的破裂度與完整度 149
7.4.4 界面拉伸破裂度與完整度 150
7.4.5 界面剪切破裂度 150
7.4.6 界面拉剪聯合破裂度 151
7.4.7 幾類常用分布下的破裂度和完整度 152
7.4.8 界面拉伸應力-應變關系破裂度和完整度曲線 155
7.4.9 界面拉伸應力-應變關系 156
7.4.10 界面剪切應力-應變關系 158
7.4.11 界面在拉剪聯合作用下的應力-應變關系 159
7.4.12 界面在拉剪聯合作用下的應力-應變關系 160
7.5 塊體應變強度分布本構模型 161
7.5.1 微元體均勻破裂損傷模型 161
7.5.2 正交各向異性損傷模型 164
7.5.3 八面體剪切破裂損傷模型 166
7.5.4 三階段損傷破裂模型 169
7.6 應變強度分布模型的參數確定方法 176
7.6.1 試驗曲線反演分布參數 176
7.6.2 數值模擬與試驗數據聯合反演分布參數 178
7.7 考慮初始破裂場的應變強度分布模型 180
7.8 本章小結 181
參考文獻 181
第8章 彈簧元的基本模型與計算方法 184
8.1 彈簧元方法的基本概念與理論基礎 185
8.1.1 探索彈簧元方法的技術途徑 185
8.1.2 彈簧元方法物理模型及位移模態選取 187
8.1.3 彈簧元方法的理論基礎及特點 198
8.1.4 彈簧元單元的構建及標定步驟 205
8.1.5 彈簧元方法的實用性 206
8.2 常應變單元彈簧元模型 206
8.2.1 三節點三角形單元 206
8.2.2 四節點四面體單元 209
8.3 雙線性單元彈簧元模型 212
8.3.1 四節點矩形單元 212
8.3.2 八節點長方體單元 216
8.3.3 任意四節點四邊形單元 218
8.4 其他單元彈簧元模型 221
8.5 彈簧元的程序實現 223
8.5.1 彈簧元求解靜力問題的過程 223
8.5.2 彈簧元求解線彈性動力問題的過程 224
8.5.3 強度準則及人工邊界處理 227
8.6 彈簧單元法的算例驗證 229
8.6.1 波場模擬中計算波速的驗證 229
8.6.2 時空離散對波動模擬的影響測試 229
8.6.3 動力吸收邊界測試 230
8.7 彈簧元結構層 231
8.7.1 結構層的概念 231
8.7.2 三棱柱彈簧元結構層 231
8.7.3 四面體組合彈簧元結構層 237
8.8 本章小結 239
參考文獻 239
第9章 地質體破裂及運動全過程計算方法 241
9.1 CDEM數值計算方法 243
9.1.1 基本概念及定義 243
9.1.2 基本控制方程 245
9.1.3 全域動態松弛求解 247
9.1.4 時間步長選取 248
9.1.5 阻尼系數選取 248
9.2 塊體邊界破裂計算 249
9.2.1 離散特征與破裂判斷 249
9.2.2 接觸本構描述 251
9.2.3 數值算例 255
9.3 塊體內部破裂計算 260
9.3.1 塊體破裂判斷 260
9.3.2 裂紋擴展方式 261
9.3.3 數值算例 263
9.4 基于應變強度分布的可破裂彈簧元 275
9.4.1 彈簧元應變強度分布描述 275
9.4.2 彈簧元損傷破裂的實現 278
9.5 塊體運動破壞過程的接觸檢測方法 281
9.5.1 接觸邊-半彈簧的概念 282
9.5.2 接觸邊與目標面的幾何關系 283
9.5.3 接觸力的計算 285
9.5.4 數值算例 288
9.6 本章小結 301
參考文獻 303
第10章 裂隙滲流與孔隙滲流的基本模型與方法 305
10.1 概述 305
10.1.1 滑坡滑動與滲流力學 305
10.1.2 滲流誘發滑坡的力學機理 305
10.1.3 本章研究內容與技術路線 306
10.2 滑坡滲流基本理論與模型 307
10.2.1 滑坡滲流物理參數 307
10.2.2 滑坡滲流的基本理論 308
10.2.3 滑坡滲流物理模型 309
10.2.4 滑坡滲流數學模型 310
10.3 傳統滲流數值求解方法 311
10.3.1 孔隙滲流有限單元法 311
10.3.2 裂隙滲流有限單元法 314
10.3.3 孔隙滲流有限體積法 319
10.4 非穩態裂隙流的N-S方程有限差分法 323
10.4.1 非穩態裂隙滲流數值模型 324
10.4.2 非穩態裂隙滲流數值方法 325
10.4.3 自由表面處理 326
10.4.4 邊界條件 327
10.4.5 算例驗證 328
10.5 二維孔隙滲流彈簧元法 332
10.5.1 基本原理 332
10.5.2 算例驗證 336
10.6 孔隙-裂隙耦合滲流中心型有限體積法 339
10.6.1 基本原理 340
10.6.2 算例驗證 344
10.7 基于CDEM的滲流-應力-破裂耦合模型與求解 349
10.7.1 滲流場計算模型 349
10.7.2 應力場與破裂場計算模型 351
10.7.3 滲流-應力耦合模型 352
10.7.4 孔隙-裂隙滲流耦合模型 353
10.7.5 算例研究 354
10.8 本章小結 362
參考文獻 364
第11章 滑坡試驗及現場監測方法研究 369
11.1 基于等應力邊界加載的土石混合體三軸試驗 370
11.2 滑坡物理模型試驗系統 373
11.2.1 滑坡平臺起降控制系統 374
11.2.2 滑坡平臺水動力誘發系統 375
11.2.3 滑坡平臺多物理量測量系統 375
11.2.4 不同類型滑坡機理研究 376
11.2.5 案例分析 378
11.2.6 小結 381
11.3 土石混合體原位剪切試驗系統 381
11.3.1 實施效果 382
11.3.2 數值計算結果對比 382
11.4 基于物聯網的滑坡監測系統 385
11.4.1 傳感器子系統 385
11.4.2 數據采集及傳輸子系統 387
11.4.3 監測數據管理子系統 389
11.5 典型滑坡監測預警應用案例 392
11.5.1 唐家山堰塞湖壩體變形應急監測 392
11.5.2 三峽庫區涼水井滑坡應急監測預警 393
11.6 本章小結 395
參考文獻 395
第12章 滑坡災害的評價方法 397
12.1 基于破裂度的滑坡危險性評價方法 398
12.1.1 地裂縫的基本表象與數值模擬中的破裂面積 399
12.1.2 災變破裂面積與破裂度 399
12.1.3 破裂度與強度參數之間的關系 400
12.1.4 凝聚力對地表破裂度與滑面破裂度的影響 402
12.1.5 破裂度與滑坡穩定性之間的關系 404
12.1.6 復雜條件下的破裂度演化規律 404
12.1.7 破裂度計算的網格依賴性 409
12.1.8 基于破裂度的滑坡危險性評價方法計算步驟 409
12.1.9 破裂度在涼水井滑坡中的應用 410
12.1.10 破裂度評價方法與安全系數之間的關系 412
12.2 基于地表位移和裂縫的滑坡參數及內部破裂狀態反演方法 412
12.2.1 地表位移裂縫反演方法的基本概念和分析步驟 413
12.2.2 地表位移裂縫反演方法的可行性驗證 413
12.2.3 地表位移裂縫反演方法的典型案例分析 414
12.3 基于可靠度的滑坡失穩概率分析 418
12.3.1 拉丁超立方抽樣基本原理 419
12.3.2 邊坡可靠度分析方法 421
12.3.3 典型案例分析 422
12.4 本章小結 429
參考文獻 429
第13章 地震誘發滑坡災害的機理與方法 430
13.1 地震波及其傳播規律 431
13.1.1 地震波的分類 431
13.1.2 地震應力波在材料交界面處的透反射 432
13.1.3 地震應力波在自由表面的反射拉伸作用 437
13.1.4 地震誘發邊坡失穩破壞的原因及過程 440
13.2 地震下邊坡穩定性的評價方法 441
13.2.1 擬靜力法 441
13.2.2 永久位移法 443
13.2.3 基于數值模擬的破裂度評價法 444
13.3 通過爆炸波模擬地震波的模型試驗 447
13.3.1 試驗原理及方法 447
13.3.2 基于量綱分析的試驗模型設計 448
13.3.3 順層邊坡的模型試驗研究 450
13.3.4 基覆邊坡的模型試驗研究 460
13.4 地震作用下邊坡破壞機理及模式的數值分析 466
13.4.1 順層邊坡的破壞模式分析 466
13.4.2 基覆邊坡的破壞模式分析 472
13.4.3 斷層觸發滑坡模式的數值模擬 478
13.5 本章小結 487
參考文獻 488
第14章 地質災害預測的工程案例分析 490
14.1 武隆雞尾山滑坡失穩成災過程再現 490
14.1.1 工程概況 490
14.1.2 滑源區啟動機制數值模擬研究 494
14.1.3 高速遠程運動特征數值模擬研究 504
14.1.4 結論 507
14.2 庫水漲落及降雨對云陽涼水井滑坡的影響 507
14.2.1 滑坡概況 507
14.2.2 工程地質分析 509
14.2.3 數值分析內容 510
14.2.4 循環庫水漲落的影響 510
14.2.5 庫水漲落及降雨的聯合作用 513
14.2.6 不同條件組合下涼水井滑坡的失穩分析 515
14.2.7 結論 516
14.3 庫水漲落及降雨對茅坪滑坡穩定性的影響 517
14.3.1 滑坡概況 517
14.3.2 數值分析內容 518
14.3.3 滑坡體當前狀態的反演 518
14.3.4 茅坪滑坡失穩條件分析 526
14.3.5 結論 529
14.4 動態開采對白音華露天礦邊坡穩定性的影響 529
14.4.1 工程地質概況 529
14.4.2 數值分析內容 530
14.4.3 不同開采深度對邊坡穩定性的影響 531
14.4.4 不同弱層暴露寬度對邊坡穩定性的影響 534
14.4.5 結論 536
14.5 錫林浩特勝利東二礦的破壞模式及破壞機理分析 537
14.5.1 工程概況 537
14.5.2 數值分析的目的及方案 539
14.5.3 數值分析過程及結果 540
14.5.4 結論 542
14.6 強震作用下唐家山順層滑坡失穩過程再現 542
14.6.1 工程地質概況 542
14.6.2 計算模型及參數 543
14.6.3 計算結果分析 544
14.7 地震作用下涪陵五中滑坡的穩定性分析 544
14.7.1 滑坡概況 544
14.7.2 數值分析內容 546
14.7.3 滑移過程再現 546
14.7.4 治理后邊坡的靜力穩定性分析 549
14.7.5 治理后邊坡的地震穩定性分析 551
14.7.6 結論 556
14.8 本章小結 557
參考文獻 557
附錄 組成無量綱量的方法 558
索引 561
1.1 滑坡的定義、現象與學科定位 1
1.1.1 滑坡的定義 1
1.1.2 滑坡災害的基本現象 1
1.1.3 研究滑坡災害的學科定位 1
1.2 地質體及其力學特性 2
1.3 滑坡體的力學分類 4
1.3.1 滑坡介質的材料特性分類 5
1.3.2 邊界條件的分類 7
1.3.3 力學狀態分類 8
1.3.4 基本方程的分類 8
1.4 滑坡災害防治中的工程問題 9
1.4.1 現有地質體穩定性判斷方法的適用范圍 9
1.4.2 探測地質體力學特性的方法 10
1.4.3 滑坡災害防治的設計依據 10
1.4.4 水對滑坡的作用及防治措施 11
1.4.5 滑坡災害風險評估 12
1.5 滑坡災害防治中的關鍵力學問題 12
1.5.1 強度理論的局限性 12
1.5.2 固體的漸進破壞過程 14
1.5.3 連續與非連續模型的耦合 15
1.5.4 流體與固體的耦合 15
1.5.5 歐拉與拉格朗日坐標系的耦合 16
1.6 本章小結 16
參考文獻 16
第2章 滑坡災害防治的方法論 18
2.1 錢學森的工程科學思想 18
2.1.1 工程科學的定義 18
2.1.2 工程科學的工程性與科學性 19
2.1.3 工程科學的方法論 22
2.2 數值模擬是工程科學的重要組成部分 25
2.3 滑坡研究的方法 26
2.4 滑坡災害研究的系統性 29
2.5 本章小結 31
參考文獻 31
第3章 現階段滑坡災害防治的理念與技術框架 32
3.1 滑坡的基本特性 32
3.1.1 滑坡的特殊性 32
3.1.2 滑坡的結構性 33
3.1.3 滑坡的動態演化性 34
3.2 滑坡演化的五個破壞階段 34
3.3 基于破裂演化原理的工程地質災害防災理念 35
3.3.1 理念一：將地質災害成災過程的預測轉化為地質體破壞狀態的判斷 36
3.3.2 理念二：現場監測和數值模擬相結合，建立可測物理量與內部破壞狀態之間的聯系 38
3.4 基于數值模擬的滑坡災害預警系統技術框架 39
3.5 本章小結 42
第4章 滑坡地質勘探方法及與力學分析的相關性 43
4.1 踏勘 43
4.1.1 地形地貌 43
4.1.2 地質構造 45
4.1.3 地層巖性 46
4.1.4 水文地質條件 46
4.1.5 地表地質現象 47
4.2 勘探 50
4.2.1 地層 50
4.2.2 巖體結構 52
4.2.3 地下水 54
4.2.4 巖性試驗 56
4.2.5 鉆孔取樣及土工試驗 58
4.2.6 探槽 61
4.2.7 大剪試驗 62
4.3 物探 64
4.3.1 地層地震波 64
4.3.2 地質雷達 66
4.3.3 電法 66
4.4 工程地質報告 67
4.5 本章小結 68
參考文獻 69
第5章 量綱分析方法及在滑坡防治中的應用 70
5.1 量綱分析中的基本概念與定理 70
5.1.1 基本概念 70
5.1.2 Ⅱ定理的表述與理解 71
5.1.3 斜面上的滑塊啟動與運動 71
5.2 量綱分析的基本方法 76
5.2.1 確定因變量 77
5.2.2 確定自變量 77
5.2.3 選出主參量，構建無量綱量 78
5.2.4 給出無量綱函數的一般表達式 78
5.2.5 利用量綱分析，尋求基本規律 78
5.3 量綱分析在滑坡研究中的作用 85
5.3.1 量綱分析用于學科定位 85
5.3.2 明確研究目標及研究內容 87
5.3.3 找出關鍵問題 87
5.4 量綱分析在其他分析方法中的作用 89
5.4.1 在室內試驗中的重要作用 89
5.4.2 量綱分析用于簡化基本方程，抽象合理模型 93
5.4.3 量綱分析在數值分析中的作用 96
5.5 量綱分析在滑坡及防治中的應用案例 102
5.5.1 承壓水誘發堆積體滑坡試驗 102
5.5.2 地震作用下順層巖質邊坡的破壞 104
5.5.3 應用量綱分析法建立樁間距的計算模型 105
5.6 本章小結 106
第6章 描述滑坡災害體運動規律的基本方程 107
6.1 基于牛頓定律建立的運動方程 107
6.1.1 質點及剛體運動的運動方程 108
6.1.2 固體介質的基本方程 109
6.1.3 流體介質的基本方程 114
6.1.4 流體彈塑性 116
6.2 基于分析力學建立的運動方程 117
6.2.1 質點-剛體運動的運動方程 118
6.2.2 固體介質的基本方程 119
6.2.3 流體介質的基本方程 120
6.3 基于分析力學的連續-非連續介質力學 122
6.3.1 拉格朗日坐標系 122
6.3.2 歐拉坐標系 122
6.3.3 力學問題與描述之間的關系 122
6.3.4 新的描述方法 123
6.3.5 連續-非連續介質力學 124
6.3.6 拉格朗日方程用于具體數值方法 126
6.4 力學方程表達中的本構關系和強度 126
6.4.1 線性彈性本構關系 127
6.4.2 塑性本構關系 127
6.4.3 莫爾-庫侖強度準則 128
6.4.4 基于代表性體積單元的本構關系 129
6.5 滑坡中常用的數值解法 130
6.5.1 有限差分法 130
6.5.2 有限單元法 132
6.5.3 離散元法 135
6.5.4 剛體極限平衡方法 135
6.5.5 融合了離散和連續描述的方法 137
6.5.6 各種方法的適用范圍 139
6.6 本章小結 139
參考文獻 140
第7章 應變強度分布本構模型的基本理論 142
7.1 地質體的非連續、非均勻特性與兩尺度力學模型 143
7.1.1 建立兩尺度模型的必要性 143
7.1.2 宏觀尺度模型 143
7.1.3 表征元尺度模型 145
7.1.4 兩尺度模型與材料本構關系之間的關系 146
7.2 傳統的理論本構模型及存在的問題 146
7.3 應變強度分布本構模型的概念和基本假設 147
7.4 界面應變強度分布本構 149
7.4.1 界面力學行為 149
7.4.2 基本概念和假設 149
7.4.3 界面的破裂度與完整度 149
7.4.4 界面拉伸破裂度與完整度 150
7.4.5 界面剪切破裂度 150
7.4.6 界面拉剪聯合破裂度 151
7.4.7 幾類常用分布下的破裂度和完整度 152
7.4.8 界面拉伸應力-應變關系破裂度和完整度曲線 155
7.4.9 界面拉伸應力-應變關系 156
7.4.10 界面剪切應力-應變關系 158
7.4.11 界面在拉剪聯合作用下的應力-應變關系 159
7.4.12 界面在拉剪聯合作用下的應力-應變關系 160
7.5 塊體應變強度分布本構模型 161
7.5.1 微元體均勻破裂損傷模型 161
7.5.2 正交各向異性損傷模型 164
7.5.3 八面體剪切破裂損傷模型 166
7.5.4 三階段損傷破裂模型 169
7.6 應變強度分布模型的參數確定方法 176
7.6.1 試驗曲線反演分布參數 176
7.6.2 數值模擬與試驗數據聯合反演分布參數 178
7.7 考慮初始破裂場的應變強度分布模型 180
7.8 本章小結 181
參考文獻 181
第8章 彈簧元的基本模型與計算方法 184
8.1 彈簧元方法的基本概念與理論基礎 185
8.1.1 探索彈簧元方法的技術途徑 185
8.1.2 彈簧元方法物理模型及位移模態選取 187
8.1.3 彈簧元方法的理論基礎及特點 198
8.1.4 彈簧元單元的構建及標定步驟 205
8.1.5 彈簧元方法的實用性 206
8.2 常應變單元彈簧元模型 206
8.2.1 三節點三角形單元 206
8.2.2 四節點四面體單元 209
8.3 雙線性單元彈簧元模型 212
8.3.1 四節點矩形單元 212
8.3.2 八節點長方體單元 216
8.3.3 任意四節點四邊形單元 218
8.4 其他單元彈簧元模型 221
8.5 彈簧元的程序實現 223
8.5.1 彈簧元求解靜力問題的過程 223
8.5.2 彈簧元求解線彈性動力問題的過程 224
8.5.3 強度準則及人工邊界處理 227
8.6 彈簧單元法的算例驗證 229
8.6.1 波場模擬中計算波速的驗證 229
8.6.2 時空離散對波動模擬的影響測試 229
8.6.3 動力吸收邊界測試 230
8.7 彈簧元結構層 231
8.7.1 結構層的概念 231
8.7.2 三棱柱彈簧元結構層 231
8.7.3 四面體組合彈簧元結構層 237
8.8 本章小結 239
參考文獻 239
第9章 地質體破裂及運動全過程計算方法 241
9.1 CDEM數值計算方法 243
9.1.1 基本概念及定義 243
9.1.2 基本控制方程 245
9.1.3 全域動態松弛求解 247
9.1.4 時間步長選取 248
9.1.5 阻尼系數選取 248
9.2 塊體邊界破裂計算 249
9.2.1 離散特征與破裂判斷 249
9.2.2 接觸本構描述 251
9.2.3 數值算例 255
9.3 塊體內部破裂計算 260
9.3.1 塊體破裂判斷 260
9.3.2 裂紋擴展方式 261
9.3.3 數值算例 263
9.4 基于應變強度分布的可破裂彈簧元 275
9.4.1 彈簧元應變強度分布描述 275
9.4.2 彈簧元損傷破裂的實現 278
9.5 塊體運動破壞過程的接觸檢測方法 281
9.5.1 接觸邊-半彈簧的概念 282
9.5.2 接觸邊與目標面的幾何關系 283
9.5.3 接觸力的計算 285
9.5.4 數值算例 288
9.6 本章小結 301
參考文獻 303
第10章 裂隙滲流與孔隙滲流的基本模型與方法 305
10.1 概述 305
10.1.1 滑坡滑動與滲流力學 305
10.1.2 滲流誘發滑坡的力學機理 305
10.1.3 本章研究內容與技術路線 306
10.2 滑坡滲流基本理論與模型 307
10.2.1 滑坡滲流物理參數 307
10.2.2 滑坡滲流的基本理論 308
10.2.3 滑坡滲流物理模型 309
10.2.4 滑坡滲流數學模型 310
10.3 傳統滲流數值求解方法 311
10.3.1 孔隙滲流有限單元法 311
10.3.2 裂隙滲流有限單元法 314
10.3.3 孔隙滲流有限體積法 319
10.4 非穩態裂隙流的N-S方程有限差分法 323
10.4.1 非穩態裂隙滲流數值模型 324
10.4.2 非穩態裂隙滲流數值方法 325
10.4.3 自由表面處理 326
10.4.4 邊界條件 327
10.4.5 算例驗證 328
10.5 二維孔隙滲流彈簧元法 332
10.5.1 基本原理 332
10.5.2 算例驗證 336
10.6 孔隙-裂隙耦合滲流中心型有限體積法 339
10.6.1 基本原理 340
10.6.2 算例驗證 344
10.7 基于CDEM的滲流-應力-破裂耦合模型與求解 349
10.7.1 滲流場計算模型 349
10.7.2 應力場與破裂場計算模型 351
10.7.3 滲流-應力耦合模型 352
10.7.4 孔隙-裂隙滲流耦合模型 353
10.7.5 算例研究 354
10.8 本章小結 362
參考文獻 364
第11章 滑坡試驗及現場監測方法研究 369
11.1 基于等應力邊界加載的土石混合體三軸試驗 370
11.2 滑坡物理模型試驗系統 373
11.2.1 滑坡平臺起降控制系統 374
11.2.2 滑坡平臺水動力誘發系統 375
11.2.3 滑坡平臺多物理量測量系統 375
11.2.4 不同類型滑坡機理研究 376
11.2.5 案例分析 378
11.2.6 小結 381
11.3 土石混合體原位剪切試驗系統 381
11.3.1 實施效果 382
11.3.2 數值計算結果對比 382
11.4 基于物聯網的滑坡監測系統 385
11.4.1 傳感器子系統 385
11.4.2 數據采集及傳輸子系統 387
11.4.3 監測數據管理子系統 389
11.5 典型滑坡監測預警應用案例 392
11.5.1 唐家山堰塞湖壩體變形應急監測 392
11.5.2 三峽庫區涼水井滑坡應急監測預警 393
11.6 本章小結 395
參考文獻 395
第12章 滑坡災害的評價方法 397
12.1 基于破裂度的滑坡危險性評價方法 398
12.1.1 地裂縫的基本表象與數值模擬中的破裂面積 399
12.1.2 災變破裂面積與破裂度 399
12.1.3 破裂度與強度參數之間的關系 400
12.1.4 凝聚力對地表破裂度與滑面破裂度的影響 402
12.1.5 破裂度與滑坡穩定性之間的關系 404
12.1.6 復雜條件下的破裂度演化規律 404
12.1.7 破裂度計算的網格依賴性 409
12.1.8 基于破裂度的滑坡危險性評價方法計算步驟 409
12.1.9 破裂度在涼水井滑坡中的應用 410
12.1.10 破裂度評價方法與安全系數之間的關系 412
12.2 基于地表位移和裂縫的滑坡參數及內部破裂狀態反演方法 412
12.2.1 地表位移裂縫反演方法的基本概念和分析步驟 413
12.2.2 地表位移裂縫反演方法的可行性驗證 413
12.2.3 地表位移裂縫反演方法的典型案例分析 414
12.3 基于可靠度的滑坡失穩概率分析 418
12.3.1 拉丁超立方抽樣基本原理 419
12.3.2 邊坡可靠度分析方法 421
12.3.3 典型案例分析 422
12.4 本章小結 429
參考文獻 429
第13章 地震誘發滑坡災害的機理與方法 430
13.1 地震波及其傳播規律 431
13.1.1 地震波的分類 431
13.1.2 地震應力波在材料交界面處的透反射 432
13.1.3 地震應力波在自由表面的反射拉伸作用 437
13.1.4 地震誘發邊坡失穩破壞的原因及過程 440
13.2 地震下邊坡穩定性的評價方法 441
13.2.1 擬靜力法 441
13.2.2 永久位移法 443
13.2.3 基于數值模擬的破裂度評價法 444
13.3 通過爆炸波模擬地震波的模型試驗 447
13.3.1 試驗原理及方法 447
13.3.2 基于量綱分析的試驗模型設計 448
13.3.3 順層邊坡的模型試驗研究 450
13.3.4 基覆邊坡的模型試驗研究 460
13.4 地震作用下邊坡破壞機理及模式的數值分析 466
13.4.1 順層邊坡的破壞模式分析 466
13.4.2 基覆邊坡的破壞模式分析 472
13.4.3 斷層觸發滑坡模式的數值模擬 478
13.5 本章小結 487
參考文獻 488
第14章 地質災害預測的工程案例分析 490
14.1 武隆雞尾山滑坡失穩成災過程再現 490
14.1.1 工程概況 490
14.1.2 滑源區啟動機制數值模擬研究 494
14.1.3 高速遠程運動特征數值模擬研究 504
14.1.4 結論 507
14.2 庫水漲落及降雨對云陽涼水井滑坡的影響 507
14.2.1 滑坡概況 507
14.2.2 工程地質分析 509
14.2.3 數值分析內容 510
14.2.4 循環庫水漲落的影響 510
14.2.5 庫水漲落及降雨的聯合作用 513
14.2.6 不同條件組合下涼水井滑坡的失穩分析 515
14.2.7 結論 516
14.3 庫水漲落及降雨對茅坪滑坡穩定性的影響 517
14.3.1 滑坡概況 517
14.3.2 數值分析內容 518
14.3.3 滑坡體當前狀態的反演 518
14.3.4 茅坪滑坡失穩條件分析 526
14.3.5 結論 529
14.4 動態開采對白音華露天礦邊坡穩定性的影響 529
14.4.1 工程地質概況 529
14.4.2 數值分析內容 530
14.4.3 不同開采深度對邊坡穩定性的影響 531
14.4.4 不同弱層暴露寬度對邊坡穩定性的影響 534
14.4.5 結論 536
14.5 錫林浩特勝利東二礦的破壞模式及破壞機理分析 537
14.5.1 工程概況 537
14.5.2 數值分析的目的及方案 539
14.5.3 數值分析過程及結果 540
14.5.4 結論 542
14.6 強震作用下唐家山順層滑坡失穩過程再現 542
14.6.1 工程地質概況 542
14.6.2 計算模型及參數 543
14.6.3 計算結果分析 544
14.7 地震作用下涪陵五中滑坡的穩定性分析 544
14.7.1 滑坡概況 544
14.7.2 數值分析內容 546
14.7.3 滑移過程再現 546
14.7.4 治理后邊坡的靜力穩定性分析 549
14.7.5 治理后邊坡的地震穩定性分析 551
14.7.6 結論 556
14.8 本章小結 557
參考文獻 557
附錄 組成無量綱量的方法 558
索引 561
展開全部
滑坡研究中的力學方法 作者簡介
李世海，男，1958年生，中國科學院力學研究所研究員、中國科學院大學崗位教授，博士生導師，973項目首席科學家，中國巖石力學與工程學會常務理事，中國爆破工程協會理事。主要從事地質體漸進破壞過程的理論乖和數值分析方法研究，提出了用于評價地質體材料損傷狀態的應變強度分布準則、評價地質體破裂狀態的單元破裂算法、分析滑坡體當前狀態的破裂度評價體系，以及基于拉格朗日方程的廣義單元法，帶領團隊發展了具有獨立知識產權的連續-非連續單元法（CDEM）系列軟件，相應的CPU+GPU力學軟件將單機版CPU軟件計算速度提高了兩個量級，已經服務于數十家國內高校、科研單位，參與滑坡、水電、礦山重大工程難題項目咨詢。近五年發表學術論文65篇，其中SCI/EI收錄27篇，授權發明專利及軟件著作權22項。
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