复杂岩体多场广义耦合分析导论

前言

第1章绪论

1.1研究对象

1.1.1复杂岩体

1.1.2多场耦合

1.1.3工程作用

1.1.4多场广义耦合

1.2研究意义

1.2.1岩石力学研究的热点

1.2.2重大工程建设的需求

1.2.3岩石力学发展的产物

1.3研究现状

1.3.1单裂隙渗流模型与耦合机理研究

1.3.2岩体渗流模型与耦合机理研究

1.3.3岩体渗流介质类型与参数研究

1.3.4岩体多场耦合数值分析研究

1.3.5核废料处置THMC耦合研究

1.4研究内容与研究方法

1.4.1研究内容

1.4.2研究方法

主要参考文献

第2章岩体地质特征与赋存环境研究

2.1地质结构面

2.1.1地质结构面的成因

2.1.2地质结构面的分级

2.1.3地质结构面的特征

2.2岩体结构特征

2.2.1地质结构

2.2.2岩体结构特征

2.2.3岩体质量分类

2.3结构面的模型与模拟

2.3.1结构面的物理模型

2.3.2结构面的张量模型

2.3.3结构面的分形结构

2.3.4结构面网络的模拟

2.4岩体赋存环境特征

2.4.1地应力场

2.4.2地下水渗流场

2.4.3地温场

主要参考文献

第3章岩体变形与渗透特性研究

3.1岩块及结构面变形特性的一般性描述

3.1.1岩块的变形特性

3.1.2结构面的变形特性

3.2结构面变形的P1esha模型

3.2.1模型概化

3.2.2本构关系

3.2.3结构面的剪胀演化

3.3结构面变形的界面层模型

3.3.1界面层的弹性本构模型

3.3.2界面层弹塑性本构模型

3.4结构面的渗透特性

3.4.1光滑平行板模型

3.4.2立方定理的修正

3.5结构面的非饱和渗透特性

3.5.1结构面非饱和渗流机理

3.5.2入侵概念模型与张开度分布

3.5.3非饱和水力参数模型

3.6岩体的渗透特性与渗透张量

3.6.1岩体渗透介质类型

3.6.2岩体渗透张量

主要参考文献

第4章岩体表征单元体与力学参数研究

4.1岩体表征单元体

4.1.1表征单元体的概念

4.1.2岩体的尺度及其与REV的关系

4.1.3岩体力学模型的选取

4.1.4岩体表征单元体的存在性

4.2岩体表征单元体的确定方法

4.2.1能量叠加法（ESM）

4.2.2地质统计法（GSM）

4.2.3数值试验法（NSM）

4.3岩体力学参数

4.3.1岩体力学参数的含义与特征

4.3.2岩体力学参数的尺寸效应

4.3.3岩体力学参数的工程意义

4.4岩体力学参数取值方法

4.4.1基于岩体质量分类的参数取值方法

4.4.2基于岩体REV的参数取值方法

4.4.3岩体力学参数的反演分析

主要参考文献

第5章岩体多场耦合机理研究

5.1结构面渗流与变形耦合机理

5.1.1法向荷载作用下结构面渗流与变形的耦合机理

5.1.2压剪荷载作用下结构面渗流与变形的耦合机理

5.1.3结构面渗流的广义立方定理

5.2岩块渗流与变形耦合机理

5.2.1岩块渗流与变形耦合基本规律

5.2.2岩块渗流与变形耦合模型

5.3岩体渗流与变形耦合机理

5.3.1岩体渗流与变形耦合机理的研究方法

5.3.2岩体渗流与应力耦合模型

5.3.3应变敏感的岩体渗透张量模型

5.4岩体温度-变形-渗流耦合机理

5.4.1岩石温度与变形耦合机理

5.4.2岩石温度与渗流耦合机理

5.4.3岩体温度-变形-渗流耦合模型

主要参考文献

第6章岩体工程作用效应研究

6.1岩体开挖效应

6.1.1岩体开挖松动区的定义及形成机理

6.1.2岩体开挖的损伤区和破坏区

6.1.3岩体爆破开挖过程的动态卸载松动机理

6.1.4松动岩体的工程特性

6.2岩体开挖爆破损伤

6.2.1爆破开挖诱发的动力荷载

6.2.2爆炸荷载作用下岩体的动力损伤

6.3岩体的锚固效应

6.3.1锚杆支护的锚固机理

6.3.2岩体锚固系统及群锚效应

6.3.3加锚岩体的力学特性

6.4岩体灌浆加固效应

6.4.1灌浆充填机理

6.4.2灌浆流体运动规律

6.4.3岩体灌浆效果

主要参考文献

第7章岩体应力场有限单元法数值模拟研究

7.1有限单元法分析基本原理

7.2岩体地应力场数值模拟

7.2.1初始地应力场的位移反分析方法

7.2.2初始地应力场的回归反分析方法

7.2.3基于多源信息的初始地应力场反分析方法

7.3岩体施工开挖及锚固支护数值模拟

7.3.1岩体施工开挖数值模拟

7.3.2岩体锚固支护数值模拟

7.4工程实例

7.4.1工程概况

7.4.2有限元模型与计算条件

7.4.3边坡施工过程中的应力-变形分析

主要参考文献

第8章岩体渗流场有限单元法数值模拟研究

8.1渗流场有限元法分析原理

8.1.1连续介质渗流控制微分方程

8.1.2渗流方程定解条件

8.1.3渗流场的有限元计算格式

8.1.4渗流量的计算方法

8.2无压渗流及渗控结构数值模拟

8.2.1求解渗流自由面的加密高斯点法

8.2.2有自由面渗流问题的变分不等式方法

8.2.3排水孔幕数值模拟的SVA法

8.2.4分析算例

8.3岩体裂隙网络渗流分析

8.3.1结构面网络几何分析

8.3.2结构面网络渗流分析

8.3.3网络渗流算例

8.4降雨入渗非饱和渗流场数值模拟

8.4.1数学模型

8.4.2定解条件

8.4.3有限元计算格式

8.4.4降雨入渗工程算例

主要参考文献

第9章岩体应力场渗流场DDA数值模拟研究

9.1DDA方法分析原理

9.1.1块体单元的位移模式

9.1.2总体的平衡方程

9.1.3接触界面的约束条件

9.2岩体应力场DDA数值模拟

9.2.1位移收敛准则

9.2.2速度收敛准则

9.2.3加速度收敛准则

9.2.4算例与有效性检验

9.3岩体施工开挖DDA数值模拟

9.3.1岩体开挖的DDA计算方法

9.3.2算例分析

9.4岩体锚固支护DDA数值模拟

9.4.1锚杆计算模型

9.4.2锚杆单元的刚度矩阵

9.4.3锚杆单元的预应力矩阵

9.4.4算例分析

9.5基于DDA的岩体渗流一应力耦合分析

9.5.1裂隙网络的渗流分析

9.5.2作用于裂隙的水压荷载矩阵

9.5.3基于DDA的岩体水力耦合分析

9.5.4基于DDA的岩体非饱和水力耦合分析

主要参考文献

第10章岩体多场广义耦合数值模拟研究

10.1岩体多场耦合数学模型

10.1.1基本假设

10.1.2动量守恒方程

10.1.3水体质量守恒方程

10.1.4气体质量守恒方程

10.1.5能量守恒方程

10.1.6控制方程汇总

10.2岩体多场广义耦合数值计算格式

10.2.1问题描述

10.2.2有限元计算格式

10.3岩体THM耦合过程及数值模拟

10.3.1若干THM耦合数学模型的比较

10.3.2饱和岩体的THM耦合过程

10.3.3HM耦合过程

10.4岩体THM耦合过程算例

10.4.1HM耦合过程中坝基岩体渗透特性的演化规律

10.4.2深埋洞室开挖引起的HM耦合过程

10.4.3锦屏二级水电站岩体的HM耦合及隧洞涌水预测

主要参考文献

后记

　　本书围绕岩体多场耦合机理与模型、耦合过程与模拟两个关键科学问题，立足岩体地质特征与赋存环境研究，注重岩体多场耦合工程作用效应研究，强调岩体多场耦合的模型选择与参数选取。在论述岩体多场耦合机理与数值模拟方面，既以介绍笔者及团队的研究成果为主，又力图兼顾国内外的研究现状和主要成果。本书共分10章。第1章为绪论，介绍复杂岩体多场广义耦合的基本概念、研究思路、研究内容及研究方法等，力图描述复杂岩体多场广义耦合分析的总体架构；第2章为地质基础篇，论述岩体多场耦合研究涉及的岩体地质特征与赋存环境问题；第3、第4、第5和第6章为岩体多场广义耦合机理研究篇，涉及岩体变形和渗透特性、岩体介质模型与力学参数、岩体THM耦合及工程作用效应等若干问题；第7、第8、第9和第10章为岩体多场广义耦合数值模拟篇，从岩体应力场、渗流场及其耦合的数值模拟入手，重点阐述岩体THM多场耦合分析的数值模拟方法。　　本书以岩体多场广义耦合理论与应用为主题，重点闸述岩体多场耦合机理和耦合模型，提出了考虑结构面峰后力学特性的界面层模型、考虑结构面渗流与变形耦合的广义立方定理，探讨了岩体表征单元体（REV）分析方法及岩体力学参数取值方法，论述了岩体多场耦合的工程作用效应，系统介绍了岩体应力场、渗流场及其耦合的数值模拟方法。本书立足于岩体地质特征与赋存环境研究，注重岩体多场耦合工程作用效应研究，强调岩体多场耦合的模型选择与参数选取；在论述岩体多场耦合机理与数值模拟方面，既以作者及团队的研究成果为主，又力图兼顾国内外的研究现状与主要成果。　　本书适用于水利、水电、交通、矿山、石油、核废料处置等行业从事岩石力学和岩土工程的科研人员使用，也可作为高等院校和科研院所相关专业研究生的教学参考书。