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巖土力學與工程離散單元法(精) 版權信息
- ISBN：9787030723840
- 條形碼：9787030723840 ; 978-7-03-072384-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
巖土力學與工程離散單元法(精) 內容簡介
本書主要介紹了巖土力學與工程離散單元法的基本原理、數值方法與應用案例，包括：緒論，塊體系統的運動、變形和傳熱控制方程，巖石裂隙和巖體本構模型，裂隙巖體中流體流動的基本控制方程和流動模型，裂隙系統的現場測繪和隨機模擬，數值軟件中塊體系統識別、追蹤和構建的方法與過程，顯式離散單元法、非連續變形分析方法、離散裂隙網絡方法的基本原理和應用，顆粒材料離散單元法的基本原理以及離散單元法在地質、地球物理和巖石工程中的經典應用案例。 本書是井蘭如（Lanru Jing）和奧文·斯特凡松（Ove Stephansson）教授所著Fundamentals of Discrete Element Methods for Rock Engineering: Theory andApplications的中文譯本，可作為高等院校土木工程、礦業工程、水利工程和地質工程等專業高年級本科生和研究生教材，也可供相關領域研究人員、數值方法開發人員和相關行業專業技術人員使用或參考。
巖土力學與工程離散單元法(精) 目錄
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 非連續介質的數學模型 7
1.2.1 基于連續介質的數值方法和均勻化 8
1.2.2 非連續介質離散單元法基本特征 10
1.3 DEM的發展歷程 13
參考文獻 17
第2章 塊體系統的運動、變形和傳熱控制方程 21
2.1 質點的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轉動方程——一般形式和特殊形式 26
2.5 Euler轉動方程——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模型基礎 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 巖石裂隙本構模型 52
3.3.1 Goodman經驗模型 52
3.3.2 Barton-Bandis經驗模型(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模型 64
3.4 裂隙巖體等效連續本構模型 65
3.4.1 小變形彈性連續介質本構模型 66
3.4.2 含有成組貫穿裂隙巖體的等效彈性本構模型 74
3.4.3 含有隨機分布且有限長度裂隙巖體的本構模型 81
3.4.4 裂隙巖體彈塑性本構模型 88
3.5 總結 96
3.5.1 巖石材料和巖體的經典本構模型 97
3.5.2 巖石裂隙本構模型 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 多孔連續介質中流體流動的控制方程 113
4.1.1 多孔介質中流體流動的連續性方程 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 120
4.3 粗糙裂隙中流體流動經驗模型 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 裂隙系統的基本特征——現場測繪和隨機模擬 148
5.1 引言 148
5.2 裂隙的現場測繪與幾何性質 149
5.2.1 幾何參數與現場測繪 149
5.2.2 裂隙系統參數識別的數據處理 153
5.3 裂隙幾何參數的統計分布 161
5.3.1 統計學原理 161
5.3.2 隨機裂隙系統模型的統計技術 163
5.4 特定場地條件下的裂隙系統綜合表征 170
參考文獻 173
第6章 塊體系統組合拓撲表征的理論基礎 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據集 193
6.6 用邊界算子進行塊體追蹤 194
參考文獻 195
第7章 塊體系統構建的數值方法 196
7.1 引言 196
7.2 采用邊界算子方法的二維塊體系統構建 198
7.2.1 裂隙相交及邊集合的形成 200
7.2.2 邊的規則化 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構建 212
7.3.1 裂隙表征與坐標系 212
7.3.2 裂隙交線 214
7.3.3 面和邊的規則化 217
7.3.4 三維塊體追蹤 222
7.4 總結 229
參考文獻 230
第8章 塊體系統的顯式離散單元法——DtME 231
8.1 引言 231
8.2 導數的有限差分近似 233
8.2.1 矩形單元的規則網格 233
8.2.2 一般形狀單元網格——有限體積法 235
8.3 動態松弛方法和靜態松弛方法 236
8.3.1 一般概念 236
8.3.2 塊體系統的動態松弛方法 239
8.3.3 DEM中剛體系統的靜態松弛方法 242
8.3.4 多孔介質中流體流動的動態松弛方法 250
8.4 可變形連續體應力分析的動態松弛方法 252
8.5 塊體幾何的表征和內部離散化 255
8.5.1 內部三角剖分和Voronoi網格 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 鏈表數據結構 282
8.12 熱-水-力耦合分析 284
8.12.1 采用域結構的流動和水-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 303
參考文獻 304
第9章 塊體系統的隱式離散單元法——非連續變形分析方法 315
9.1 能量*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*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 三角形有限元網格的可變形塊體 326
9.5 四邊形有限元網格的可變形塊體 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*小化 334
9.6.2 質量慣性——動能*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 361
參考文獻 362
第10章 離散裂隙網絡法 366
10.1 引言 366
10.2 裂隙網絡表征 368
10.2.1 單裂隙 368
10.2.2 裂隙網絡 370
10.3 裂隙網絡內滲流場的求解 372
10.3.1 FEM求解技術 373
10.3.2 BEM求解技術 376
10.3.3 考慮巖石基質滲透和裂隙傳導的BEM方法 379
10.3.4 管網和通道格子模型 383
10.4 逾滲理論 383
10.5 組合拓撲理論 387
10.6 總結 390
10.6.1 裂隙測繪質量與數據估計 390
10.6.2 分形或冪律表征的尺度效應 391
10.6.3 網絡連通性 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 數值穩定性與時間積分問題 421
11.4.1 FEM網格與DEM顆粒系統的類比 421
11.4.2 接觸單元的剛度矩陣 423
11.4.3 接觸單元的質量矩陣 426
11.4.4 特征值計算 429
11.4.5 檢測數值不穩定性的能量平衡方法 429
11.5 顆粒系統的Cosserat連續體等效 431
11.5.1 基本概念 431
11.5.2 顆粒系統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連續體與顆粒系統靜力學和運動學變量的微宏觀等效表達 438
11.6 總結 439
參考文獻 440
第12章 DEM在地質、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 地質結構與過程 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 464
12.3 地下土木結構 468
12.3.1 隧道工程 468
12.3.2 巖石洞室 473
12.4 礦山結構 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-力性質的推導 506
12.8.1 裂隙巖體連續介質近似的基本概念 506
12.8.2 使用DEM確定裂隙巖體REV和推導等效連續介質滲透性 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
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巖土力學與工程離散單元法(精) 節選
第1章 緒論 本書主要介紹離散單元法的基本原理和應用實例。針對巖體構造，無論是哪種數值模擬方法，其建模困難的主要原因就是巖體屬于一種天然的地質材料，其物理和工程性質不能像金屬和塑料那樣通過制作過程來建立或確定。自然界中巖體性質可描述為DIANE，即不連續、非均勻、各向異性和非彈性(Harrison and Hudson，2000)。巖體是預加載的，即巖體處于應力作用下，除受到重力作用外，還不斷受到地殼上部動態運動的影響，如構造運動、地震、陸地抬升/沉降、冰川旋回和潮汐等。巖體是一種裂隙性孔隙介質，在復雜的地應力、溫度和流體壓力條件下，其內部含有液相或氣相流體(如水、油、天然氣和空氣)。多樣性的巖體成分和漫長的形成過程使巖體構造很復雜，對其數學建模存在困難。然而，數值建模在巖體工程項目設計和性能評價中不可缺少。靜/動態加載條件下裂隙巖體幾何結構和本構關系的演化、流體流動和壓力、溫度梯度和地球化學反應的耦合過程相關的理論在很多巖體工程問題的解決方案中必不可少，對于環境要求高的巖體工程問題更是如此。 為了充分反映裂隙巖體的物理和地球化學性質以及工程擾動的影響，數值方法應該具有表示幾何系統(特別是裂隙幾何系統及其影響)、邊界和初始條件、自然和工程擾動歷史、巖石基質和裂隙的本構方程(包括尺寸和時間效應)的能力。對于有環境影響的工程，數值方法還必須考慮物理和化學的耦合，并且需要在三維空間中開展研究。 目前，還不存在包羅萬象的數值模型，主要原因是關于裂隙和裂隙巖體物理性質的認識是有限的，用來表示復雜裂隙幾何系統及其演化的手段是有限的，解決大型和超大型問題的計算能力是有限的(即使計算能力在不斷提高)。對于很多具有復雜結構條件的實際巖體工程問題，數值方法仍然是一種主要的研究方法，它能夠幫助我們理解工程問題，針對巖體工程結構中的不確定性提供設計和運行方面的指導，并且為研究巖體的基本行為提供更深入的理解。但是，對于簡單的巖體工程項目(如隧道設計和邊坡穩定性分析)，這類工程包含足夠的巖體構造和裂隙信息，數值方法在解決這類工程問題時已經成為一個有價值和可靠的設計工具。“模型”和“計算”現在已經成為巖體力學和巖體工程中不可缺少的組成部分。數值方法和計算已經成為行之有效的工具，其用途是建立并驗證概念模型和數學理論。這些模型和理論綜合了地質、物理、建筑技術、經濟及其相互作用等多種信息，*重要的是可以在一個模型或者平臺上研究這些因素的影響。這一成就極大地推動了基于質量、動量和能量守恒定律建立的現代巖體力學的發展，使巖體力學巖體強度評價與支護設計的傳統經驗方法過渡到可以基于現代連續介質力學的理性主義設計。 1.1 裂隙巖體的特性 地殼巖體主要由兩大部分組成：完整巖塊和不連續面。天然的巖體不連續面包括斷層、節理、巖脈、裂隙帶、層理面和其他類型的軟弱不連續面，這些不連續面對裂隙巖體整體的強度、可變形性和滲透性有重要影響。巖體工程的穩定性、運行性能或油/地熱資源儲庫中裂隙巖體的滲透性等性能都受到不連續面的力、熱和水力性質的影響，有時候這種影響是非常顯著的。正是這些天然不連續面的存在，使得裂隙巖體成為復雜的材料，其性質和完整巖塊大相徑庭。 巖體中包含不同尺寸的不連續面。大規模地質結構，如斷層、巖脈和裂隙帶，通常在尺寸上延伸數十、數百米甚至數千米，且一般具有構造成因(如斷層)作用，但它們在工程中數量非常有限(圖1.1)。微觀尺度的不連續面(如晶界和微裂隙)在巖塊中的分布更為隨機，且數量極為龐大，常用標準試樣的室內試驗結果已包含其對完整巖體的影響。在上述兩種極端尺寸情況之間的不連續面通常為節理、層理面、片理或爆破等工程事件引起的人工裂隙，它們的尺寸通常從幾厘米到幾十米不等(圖1.2)，依據其聚集方向，這些不連續面常常以集合(組)的形式出現。它們經常大量出現在巖體中，并把巖體切割成復雜形狀的塊體。這些不連續面的存在使得巖體在結構上不均勻，在力學變形和流體流動性質方面具有高度的不連續和非線性。由于它們數量大且幾何形狀復雜，在數值模型中如何考慮這類不連續面是一項極具挑戰性的工作。圖1.3給出了不同晶粒尺寸和人工微裂紋大理石試樣的微觀結構圖像。 巖體中存在的裂隙不一定都是地質作用造成的天然裂隙，它們也可以由人類活動產生，如在硬巖和軟巖中開挖和爆破引起的裂隙。這些裂隙是開挖損傷(或擾動)區的主要組成部分，可以導致開挖損傷區(EDZ)巖塊的變形、孔隙結構和孔隙度(進而滲透率)發生變化。圖1.4為在法國南部Tournemire的一條舊鐵路隧道與實驗巷道交匯處的開挖損傷區內由開挖引起的裂隙。這種人工形成的致密裂隙將在很大程度上改變開挖損傷區的水-力耦合特性和相關性能。 在巖石力學文獻中，對于同一實體，不連續面和裂隙這兩個術語可以互換使用。除非另有特別說明，裂隙一詞在本書中作為所有類型的天然或人工裂隙的統稱。在宏觀層面上，裂隙表面可以被簡化為名義上的平面，但在更大的尺度上，隨著波長和振幅的變化，它們會發生起伏。在微觀層面上，這些表面存在大量的小尺度微凸體。這些微凸體的存在是造成裂隙表面粗糙的原因，也是造成裂隙巖體力學和水力行為復雜性的主要因素。 三維空間中的裂隙可以用以下幾何參數來描述(圖1.5)：傾角、傾向、延展性(維度和形狀)和開度(裂隙的兩個相對表面之間的間距)。 巖體中的大多數裂隙是預先存在的天然裂隙。雖然這些裂隙是通過地質過程自然發生的，但它們的形成受力學原理控制。由于裂隙的地質模式和生成歷史，裂隙(方向)往往集中在一定的方向上。一組裂隙由許多方向(傾角和傾向)相同或相似的裂隙組成。裂隙組的幾何參數除方向外，還包括裂隙的跡長和間距(即相鄰兩段裂隙在垂直于平均裂隙面方向上的距離)。裂隙方向、跡長、間距、開度和其他幾何參數通常通過現場測量(包括測線映射、窗口映射或測井記錄，詳見第5章)來獲得。 圖1.5 與裂隙相關的幾何參數(為了說明開度，裂隙面間距被放大) 裂隙之間的連通方式主要有三種類型：多連通(連續)、不連通(孤立)和單連通(死端)(圖1.6)。多連通裂隙通常體積較大，與其他裂隙有多個(至少兩個)交叉點，可以在問題域邊界處截斷，也可以在巖塊內部存在死端。不連通裂隙完全位于一個單獨的巖塊內，與其他任何裂隙沒有交叉點。單連通裂隙與其他裂隙只有一個交叉點，其兩端位于一個或兩個相鄰的巖塊中。多連通或單連通裂隙死端端點之間的巖塊稱為巖橋，巖橋對巖體的強度和變形特性產生重要的影響。巖體的滲透性是由裂隙系統的連通性決定的，裂隙系統通常稱為裂隙網絡。需要注意的是，上述定義僅限于二維情景。實際工程中，裂隙是三維的，而且隱藏在地表以下，其連通性和延展模式可能與從可觀測窗口獲得的二維裂隙有很大不同。裂隙網絡模型幾何性質即形狀、密度(間距)、延展性、開度、方向和連通性的數學描述至今仍然是巖體力學和巖體工程中*重要的基本問題之一，且在唯一和定量表示方面具有*大的不確定性(Kulatilake，1991；Priest，1993；Jing，2003)。 巖體力學數值模擬的主要任務之一是能夠在計算模型中明確地描述裂隙系統(幾何和行為)，無論是顯式的(單個裂隙是用裂隙單元，如有限單元法中的薄層單元或離散單元法中的接觸單元，在計算模型中表示)還是隱式的(計算模型中不包含顯式裂隙單元，而是通過將裂隙巖體作為等效連續介質的本構規律來考慮對物理行為，如變形、強度和滲透性的影響，即系統和材料的概念化)。此外，在面向設計和性能評估的建模過程中，必須考慮巖體和工程結構之間的相互關系，以便能夠描述施工過程的影響。 為了在計算模型中準確表征巖體，從而抓住裂隙系統及其DIANE本質與工程影響等主要問題，在模型概化過程中必須包括以下特征(Jing and Hudson，2002)： (1)有關的物理過程及其偏微分方程的數學表達，特別是當需要同時考慮熱、水力和力學耦合過程時。 (2)巖塊和裂隙的相關機理和本構關系，以及相關的變量和參數。 (3)原巖應力的存在狀態(巖體地應力狀態)。 (4)賦存的溫度和水壓狀態(巖體具有多孔性，并能由自然熱能梯度或人工熱源加熱致裂，同時被地下水或其他地質流體完全或部分飽和)。 (5)天然裂隙的存在(裂隙巖體的不連續性)。 (6)不同部位上性質的變化(裂隙巖體的非均勻性)。 (7)不同方向上性質的變化(裂隙巖體的各向異性)。 (8)與時間/速率相關的力學行為(受時間影響的巖體性質，如蠕變以及塑性變形)。 (9)不同尺寸下性質的變化(巖體性質具有尺寸效應)。 (10)工程擾動的影響(工程施工活動改變問題的幾何特征，即移動邊界問題)。 這些特征能多大程度納入計算模型，取決于所涉及的物理化學過程的概化及所使用或所需的建模技術。因此，建模和任何后續的巖體工程設計都將包含主觀判斷。 巖體工程項目的規模越來越大，對環境影響評價的要求越來越高，因此對建模的要求也越來越高，可能需要一個真正完全耦合的傳熱-水力-力學-化學(thermal-hydrological-mechanical-chemical，THMC)模型來解決一些重要的環境問題，如放射性廢物儲庫和地熱儲層的性能和安全評估，這對裂隙系統特征及裂隙巖體的耦合材料特性和參數有更高的要求。因此，如何為現有的問題開發有效的模型成為一個挑戰。模型不必是完備和完美的，但它必須滿足工程的需求。 因此，巖體力學建模和巖體工程設計既是一門科學，又是一門藝術。它們建立在連續介質力學的科學基礎上，但需要通過長期實踐積累的經驗來進行判斷。現實情況是，進行巖體工程設計和分析的數據永遠不可能是完備的且經常是不夠充分的，即使它們可以在模型中得到完美的定義。
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