裂隙巖體水力學(xué)基礎(chǔ)

前言

人類工程活動(dòng)的日益頻繁，涉及裂隙巖體邊坡的設(shè)計(jì)、水利水電工程滲流域控制、水庫(kù)誘發(fā)地震的預(yù)測(cè)、有害核廢料的處置、礦井的疏干降壓排水、石油和地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)以及地下水資源的開(kāi)發(fā)與利用等多方面。人類工程活動(dòng)的安全性，對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響程度，地質(zhì)環(huán)境對(duì)工程活動(dòng)的反作用以及工程體的穩(wěn)定性等問(wèn)題，是科學(xué)家最為關(guān)心的問(wèn)題之一。如何定量評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)人類工程在開(kāi)挖干擾力與自然力的作用下節(jié)理裂隙巖體與地下水相互作用關(guān)系，以及裂隙巖體與地下水耦合作用對(duì)人類工程體和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，是研究裂隙巖體水力學(xué)的主要任務(wù)，也是一項(xiàng)具有理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用前景的重大課題。巖體是一類力學(xué)性質(zhì)很復(fù)雜的介質(zhì)，屬非均勻各向異性介質(zhì)。裂隙巖體水力學(xué)是以水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)，并運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)、滲流力學(xué)和巖體力學(xué)的理論。損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)、流變力學(xué)、分形理論與巖體的變形研究有著特別密切的關(guān)系。由于巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致巖體滲流的非均質(zhì)性和各向異性；巖體裂隙空間是巖體的主要滲透通道，巖體裂隙顯著地受應(yīng)力環(huán)境的影響，因而巖體的變形實(shí)質(zhì)上是滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、損傷場(chǎng)三者相互耦合的結(jié)果，這已成為巖石力學(xué)具有挑戰(zhàn)性的課題之一。因此，為了適應(yīng)科技發(fā)展的需要，撰寫一本有關(guān)裂隙巖體水力學(xué)方面的專著很有必要。全書共八章，第一章簡(jiǎn)單回顧了裂隙巖體水力學(xué)的研究歷史與現(xiàn)狀。第二章通過(guò)研究裂隙巖體滲流的特點(diǎn)，提出了滲透結(jié)構(gòu)面的定義，而隙寬和粗糙性是描述滲透結(jié)構(gòu)面幾何特征的兩個(gè)最基本的參數(shù)。根據(jù)裂隙面分形維數(shù)、位錯(cuò)值和面積接觸率，采用分形幾何法模擬滲透結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)和張開(kāi)度分布情況，并基于立方定律，把滲透結(jié)構(gòu)面離散成為許多等大小的正方形網(wǎng)格，對(duì)滲透結(jié)構(gòu)面的滲流特性進(jìn)行數(shù)值模擬。第三章通過(guò)全應(yīng)力一應(yīng)變過(guò)程數(shù)控巖石滲透性及其斷裂斷口掃描電鏡試驗(yàn)研究，進(jìn)一步分析脆性巖石裂隙擴(kuò)展損傷機(jī)理。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)敘述了裂隙巖體水力學(xué)基本理論、方法和應(yīng)用。全書共八章：第一章介紹了裂隙巖體水力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀；第二章闡述了裂隙巖體滲透結(jié)構(gòu)面的水力特性；第三章探究了滲流對(duì)裂隙巖體損傷斷裂的影響和機(jī)制；第四章討論了裂隙巖體滲流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算模型與壩基裂隙巖體流變模型，提出了壩基裂隙巖體滲流與流變的耦合模型；第五章探討了滲流對(duì)裂隙巖體損傷演化的貢獻(xiàn)與滲透張量隨裂隙損傷發(fā)展的演化，給出了裂隙巖體非穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)與損傷場(chǎng)耦合方程；第六章與第七章介紹了紅山窯膨脹紅砂巖力學(xué)、變形特性以及濕化的試驗(yàn)研究；第八章通過(guò)對(duì)膨脹紅砂巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)量化和損傷演化規(guī)律分析，給出了初步的紅砂巖細(xì)觀本構(gòu)力學(xué)模型。本書可供從事巖石力學(xué)研究的科技人員閱讀，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)的研究生教材。

書籍目錄

前言第一章　緒論　1.1　問(wèn)題的提出　1.2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀　　1.2.1　巖體結(jié)構(gòu)對(duì)滲流的控制問(wèn)題　　1.2.2　滲流對(duì)巖體的作用問(wèn)題　　　1.2.3　裂隙巖體滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合問(wèn)題　　1.2.4　裂隙巖體多場(chǎng)耦合問(wèn)題研究　參考文獻(xiàn)第二章　裂隙巖體滲透結(jié)構(gòu)面的水力特性　2.1　滲透結(jié)構(gòu)面的提出　　2.1.1　裂隙巖體滲流研究特點(diǎn)　　　2.1.2　滲透結(jié)構(gòu)面　2.2　滲透結(jié)構(gòu)面的幾何特征描述　　2.2.1　隙寬　　2.2.2　粗糙性　　2.3　分形滲流結(jié)構(gòu)　　2.3.1　孔隙介質(zhì)的分形模型　　2.3.2　分形滲流結(jié)構(gòu)　2.4　分形滲透結(jié)構(gòu)滲透特性的數(shù)值模擬　　2.4.1　滲透結(jié)構(gòu)面的分形模擬　　2.4.2　滲透結(jié)構(gòu)面的滲流特性模擬　參考文獻(xiàn)第三章　滲透壓作用時(shí)裂隙巖體斷裂損傷機(jī)理的研究　3.1　概述　3.2　脆性巖石斷口斷裂機(jī)理的實(shí)驗(yàn)分析研究　　3.2.1　全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程數(shù)控巖石滲透性試驗(yàn)　　3.2.2　脆性巖石斷口斷裂機(jī)理分析與試驗(yàn)研究　3.3　滲流對(duì)裂隙巖體損傷斷裂的影響　　3.3.1　滲透水壓對(duì)巖體強(qiáng)度的影響　　3.3.2　地下水對(duì)泥板巖強(qiáng)度軟化的損傷力學(xué)分析　參考文獻(xiàn)第四章　壩基裂隙巖體滲流與流變的耦合模型研究　4.1　裂隙巖體滲流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算模型　　4.1.1　裂隙巖體滲流場(chǎng)計(jì)算模型概述　　4.1.2　裂隙巖體非穩(wěn)定滲流場(chǎng)計(jì)算的有限元模型　4.2　壩基裂隙巖體流變模型的研究　　4.2.1　基巖流變的基本特性及本構(gòu)模型　　4.2.2　工程應(yīng)用　4.3　壩基裂隙巖體滲流與流變耦合模型的研究　　4.3.1　壩基滲流與應(yīng)力耦合作用的機(jī)理及基本特性　　4.3.2　壩基滲流與流變耦合的分析模型及有限元分析方法　　4.3.3　工程應(yīng)用　參考文獻(xiàn)第五章　裂隙巖體滲流場(chǎng)與損傷場(chǎng)耦合模型研究　5.1　概述　5.2　滲流對(duì)裂隙巖體應(yīng)力場(chǎng)的力學(xué)效應(yīng)　5.3　滲流對(duì)裂隙巖體損傷演化的作用　　5.3.1　壓剪應(yīng)力狀態(tài)下滲流對(duì)裂隙損傷演化的影響　　5.3.2　拉剪應(yīng)力狀態(tài)下滲流對(duì)裂隙損傷演化的影響　5.4　滲透張量隨裂隙損傷的演化特征　5.5　裂隙巖體非穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)與損傷場(chǎng)耦合方程研究　　5.5.1　等效連續(xù)介質(zhì)滲流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型　　5.5.2　等效連續(xù)介質(zhì)巖體的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型　5.6　三峽工程永久船閘高邊坡裂隙巖體滲流損傷耦合變形研究　　5.6.1　三峽工程永久船閘高邊坡工程地質(zhì)概述　　5.6.2　裂隙巖體滲流損傷耦合變形的計(jì)算參數(shù)　　5.6.3　計(jì)算結(jié)果分析　參考文獻(xiàn)第六章　膨脹紅砂巖變形特性試驗(yàn)研究　6.1　概述　6.2　紅山窯膨脹紅砂巖變形性質(zhì)試驗(yàn)研究　　6.2.1　試樣采取和試件制備　　6.2.2　紅砂巖膨脹特性試驗(yàn)研究　6.3　紅砂巖膨脹力學(xué)特性試驗(yàn)研究　　6.3.1　膨脹力變化規(guī)律研究　　6.3.2　膨脹力與膨脹變形規(guī)律的研究　　6.3.3　彈性模量與吸水率的關(guān)系　6.4　紅山窯膨脹紅砂巖濕化特性試驗(yàn)研究　　6.4.1　紅砂巖微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)　　6.4.2　紅砂巖濕化性試驗(yàn)研究　　6.4.3　試驗(yàn)結(jié)果分析　　6.4.4　膨脹紅砂巖濕化機(jī)理　參考文獻(xiàn)第七章　膨脹紅砂巖本構(gòu)模型研究　7.1　概述　7.2　紅砂巖的抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系　　7.2.1　工程背景與試驗(yàn)方法　　7.2.2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析　7.3　膨脹紅砂巖本構(gòu)模型研究　　7.3.1　巖土類材料的本構(gòu)關(guān)系　　7.3.2　膨脹巖本構(gòu)模型　　　7.3.3　膨脹巖模型數(shù)值模擬及模型驗(yàn)證　　參考文獻(xiàn)第八章　膨脹紅砂巖細(xì)觀損傷力學(xué)試驗(yàn)研究　8.1　概述　　8.1.1　巖石細(xì)觀損傷研究的意義　　8.1.2　國(guó)內(nèi)外巖石細(xì)觀損傷研究現(xiàn)狀　8.2　紅砂巖細(xì)觀損傷演化試驗(yàn)研究　　8.2.1　試驗(yàn)簡(jiǎn)介　　8.2.2　紅砂巖RMT單軸壓縮試驗(yàn)　　　8.2.3　紅砂巖單軸壓縮細(xì)觀損傷試驗(yàn)　　8.2.4　試驗(yàn)成果　8.3　紅砂巖細(xì)觀量化及損傷演化規(guī)律分析　　8.3.1　程序概述　　8.3.2　細(xì)觀結(jié)構(gòu)信息量化　　8.3.3　微裂紋損傷演化規(guī)律分析　8.4　紅砂巖細(xì)觀本構(gòu)模型初探　　8.4.1　損傷變量的定義　　　8.4.2　紅砂巖峰值應(yīng)變前損傷本構(gòu)方程　　　8.4.3　紅砂巖峰值應(yīng)變后損傷本構(gòu)方程　　8.5　細(xì)觀本構(gòu)模型的驗(yàn)證　　8.5.1　引言　　8.5.2　本構(gòu)模型的驗(yàn)證與分析參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：由前所述，滲透結(jié)構(gòu)面具有明顯的分形特征，顯然，在滲透結(jié)構(gòu)面形態(tài)模擬和數(shù)值分析方面，采用分形維數(shù)法來(lái)描述滲透結(jié)構(gòu)面的粗糙度比JRc法更具優(yōu)越性，而且還可以達(dá)到定量化研究滲透結(jié)構(gòu)面分形特征及其水力特性的目的。為此，本節(jié)在前面兩節(jié)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值方法模擬滲透結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)和分形特征，進(jìn)而通過(guò)滲流數(shù)值分析來(lái)進(jìn)一步研究滲透結(jié)構(gòu)面的水力特性。如何采用數(shù)值方法來(lái)模擬滲透結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)和分形特征，是滲透結(jié)構(gòu)面滲流特性數(shù)值分析的基礎(chǔ)。在模擬滲透結(jié)構(gòu)面幾何形態(tài)時(shí)，可依據(jù)所提供資料的不同而采用不同的方法：一是樣條函數(shù)法，即根據(jù)已獲得的滲透結(jié)構(gòu)面粗糙度測(cè)量的樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行樣條插值，從而模擬生成整個(gè)研究區(qū)域的隙寬分布情況；二是概型分布法，根據(jù)隙寬的概率分布類型和分布參數(shù)，直接模擬滲透結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)；三是分形幾何法，根據(jù)滲透結(jié)構(gòu)面的分形維數(shù)，采用分形幾何理論生成隙寬分布情況。下面詳細(xì)介紹分形幾何法的原理及實(shí)現(xiàn)方法，其他方法可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。2.4.1滲透結(jié)構(gòu)面的分形模擬由于滲透結(jié)構(gòu)面具有分形特征，而滲透結(jié)構(gòu)面本身可以看成是由上下兩個(gè)裂隙面疊合而成的，故可用分形幾何理論來(lái)生成裂隙開(kāi)度的分布情況。分形幾何法就是根據(jù)裂隙面分形維數(shù)、裂隙面位錯(cuò)值（即上下兩裂隙面在地質(zhì)歷史時(shí)期的錯(cuò)距）和裂隙面上的面積接觸率（裂隙接觸部分面積占裂隙面總面積的百分比），采用自仿射分形模型，用逐次隨即累加法或隨機(jī)布朗函數(shù)法來(lái)模擬滲透結(jié)構(gòu)面的開(kāi)度分布情況。1.逐次隨機(jī)累加法逐次隨機(jī)累加法的基本思路是：先給定一個(gè)正方形區(qū)域和4個(gè)角點(diǎn)的高程。再相繼確定出正方形中心點(diǎn)和4個(gè)邊中點(diǎn)的高程。其中中心點(diǎn)的高程為4個(gè)角點(diǎn)高程的平均值加上一隨機(jī)值，同時(shí)4個(gè)角點(diǎn)高程也加上一隨機(jī)值；邊中點(diǎn)的高程為該邊兩個(gè)端點(diǎn)和中心點(diǎn)高程的平均值加上一隨機(jī)值，同時(shí)中心點(diǎn)和邊端點(diǎn)也加上一隨機(jī)值。這樣就有4個(gè)已知角點(diǎn)高程的正方形，重復(fù)上述步驟，直至正方形區(qū)域內(nèi)有足夠多的已知高程的點(diǎn)為止。上述附加的隨機(jī)值均服從高斯分布，且根據(jù)均方差和分形維數(shù)逐次減小。給定裂隙面分形維數(shù)和裂隙面上峰谷值的限定范圍就可生成具分形特性的裂隙面。圖2.4.1（a）給出了運(yùn)用逐次隨機(jī)累加法模擬生成的分形裂隙面.其中裂隙面的分形維數(shù)為2.3，峰谷值限定在一5.0mm～+5.0mm之間。

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《裂隙巖體水力學(xué)基礎(chǔ)》是由科學(xué)出版社出版的。

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