模擬節(jié)理巖體破壞全過程的DDARF方法/巖石力學(xué)與工程研究著作叢書

前言

　　巖體是一種充滿了各種不連續(xù)面的地質(zhì)材料，非連續(xù)變形是巖體變形破壞的主要特征之一。近半個(gè)世紀(jì)以來，為了抓住非連續(xù)變形這一本質(zhì)特征，基于連續(xù)或非連續(xù)假設(shè)的各種數(shù)值方法應(yīng)運(yùn)而生。非連續(xù)變形分析（discontinulous deformation analysis，DDA）就是在這種背景下發(fā)展起來的一種用來模擬巖體非連續(xù)變形的新型數(shù)值方法。它將巖體視為由常應(yīng)變可做剛體位移的塊體單元組成，按塊體總勢(shì)能最小建立平衡方程，以位移、應(yīng)變作為聯(lián)立方程的未知量，把剛度、質(zhì)量及荷載等子矩陣加到聯(lián)立方程的系數(shù)矩陣上，通過求解類似于有限元法中的聯(lián)立方程而得到不連續(xù)變形及至大變形大位移的唯一解。DDA法為隱式解，塊體的位移和本身的變形、靜力和動(dòng)力、正分析和反分析可通過方程組的求解統(tǒng)一得到解決。近年來，眾多學(xué)者做了大量卓有成效的工作，使DDA不管是理論還是應(yīng)用都有了飛速發(fā)展?！　≡摃鴥?nèi)容是對(duì)DDA方法應(yīng)用領(lǐng)域的全新拓展。迄今，模擬巖體破壞的主導(dǎo)方法為FEM、BEM等連續(xù)類方法，它們是完全基于斷裂力學(xué)分析的。研究單裂紋或幾條裂紋的擴(kuò)展可以得到精確解答，但遇到多裂紋匯交時(shí)，由于各自裂尖應(yīng)力場(chǎng)的奇異性，求解會(huì)遇到數(shù)學(xué)上的困難。

內(nèi)容概要

本書主要介紹作者在非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架中提出的模擬節(jié)理巖體破壞全過程的數(shù)值計(jì)算新方法——DDARF的原理、公式、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)和實(shí)例驗(yàn)證，并介紹了一種在DDA動(dòng)力計(jì)算中行之有效的無反射邊界的程序?qū)崿F(xiàn)方法。    本書可作為土木、水電、橋梁、隧道、礦山、工程地質(zhì)、國(guó)防等工科專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的教學(xué)參考書，也可供相關(guān)科研、設(shè)計(jì)和工程技術(shù)人員參考。

作者簡(jiǎn)介

焦玉勇，博士，教授，博士生導(dǎo)師。1968年出生于山東鄒平，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室責(zé)任研究員，兼任中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)(CSRME)理事和副秘書長(zhǎng)、CSRME地下工程分會(huì)常務(wù)理事、CSRME地面巖石工程專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng)、湖北省巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事、湖北省力學(xué)學(xué)會(huì)理事、《巖土力學(xué)》編委等。1992年和l995年分獲山東礦業(yè)學(xué)院采礦工程學(xué)士和安全工程碩士學(xué)位，1998年獲中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土工程博士學(xué)位。畢業(yè)后留所工作至今，歷任助理研究員、副研究員、研究員，期間1999年7月～2000年10月參加中共中央組織部、團(tuán)中央首批“博士服務(wù)團(tuán)”；2002年2月～2004年9月任新加坡南洋理工大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院Research Fellow。主要從事破碎地層控制和巖土力學(xué)數(shù)值方法研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)、企業(yè)重大委托項(xiàng)目5項(xiàng)、巖土力學(xué)與T程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)項(xiàng)目2項(xiàng)，出版專著1部(合著)、譯著1部(合譯)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇(其中，sCl收錄12篇，被SCl引用33次，El、ISTP收錄20余篇)，獲國(guó)家版權(quán)局軟件著作權(quán)登記3項(xiàng)。2008年獲中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)青年科桔獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)。

書籍目錄

《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》序《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》編者的話序前言第一章 緒論第二章 DDA方法的基本原理  2.1 完全一階近似  2.2 聯(lián)立方程組  2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)條件  2.4 各項(xiàng)勢(shì)能極值分析    2.4.1 彈性應(yīng)力    2.4.2 初始應(yīng)力    2.4.3 點(diǎn)荷載    2.4.4 體積荷載    2.4.5 預(yù)應(yīng)力錨桿    2.4.6 慣性力    2.4.7 點(diǎn)位移約束    2.4.8 法向彈簧約束    2.4.9 切向彈簧約束    2.4.10 摩擦力第三章 斷續(xù)節(jié)理巖體破壞分析模型  3.1 隨機(jī)節(jié)理網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)生成方法    3.1.1 Monte Carlo方法    3.1.2 生成隨機(jī)節(jié)理網(wǎng)絡(luò)    3.1.3 算法實(shí)現(xiàn)及算例  3.2 三角形塊體單元自動(dòng)生成方法    3.2.1 增設(shè)虛擬節(jié)理    3.2.2 搜索單連通子域    3.2.3 劃分三角形塊體單元    3.2.4 算法實(shí)現(xiàn)過程  3.3 模型建立實(shí)例  3.4 本章小結(jié)第四章 塊體邊界開裂分析方法  4.1 塊體問的黏結(jié)算法    4.1.1 黏結(jié)算法及其失效判斷    4.1.2 算法實(shí)現(xiàn)及數(shù)值算例  4.2 塊體間黏結(jié)算法的改進(jìn)    4.2.1 黏性裂紋模型    4.2.2 黏結(jié)算法改進(jìn)    4.2.3 算法實(shí)現(xiàn)及算例驗(yàn)證  4.3 材料不均勻性的模擬    4.3.1 Weibull分布    4.3.2 程序?qū)崿F(xiàn)及算例  4.4 塊體邊界開裂分析實(shí)例    4.4.1 單軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M    4.4.2 巴西圓盤試驗(yàn)?zāi)M    4.4.3 單軸拉伸試驗(yàn)?zāi)M    4.4.4 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)M  4.5 本章小結(jié)第五章 塊體邊界開裂分析方法的工程應(yīng)用  5.1 邊坡工程地質(zhì)條件    5.1.1 地形地貌    5.1.2 地層巖性    5.1.3 斷層及深部裂縫  5.2 邊坡失穩(wěn)模式分析  5.3 天然狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性分析  5.4 暴雨?duì)顟B(tài)下的邊坡穩(wěn)定性分析  5.5 本章小結(jié)第六章 塊體內(nèi)部開裂分析方法  6.1 塊體開裂算法    6.1.1 塊體開裂判據(jù)    6.1.2 塊體開裂分析  6.2 塊體開裂分析實(shí)例    6.2.1 單軸拉伸試驗(yàn)    6.2.2 單軸壓縮試驗(yàn)  6.3 工程應(yīng)用實(shí)例  6.4 本章小結(jié)第七章 DDA中的無反射邊界條件及其應(yīng)用  7.1 無反射邊界條件    7.1.1 無反射邊界實(shí)現(xiàn)    7.1.2 驗(yàn)證算例  7.2 一維應(yīng)力波傳播  7.3 洞室爆破試驗(yàn)  7.4 鉆孔爆炸試驗(yàn)  7.5 本章小結(jié)第八章 結(jié)論與展望  8.1 主要研究成果與結(jié)論  8.2 下一步工作展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　結(jié)合各種數(shù)值方法的優(yōu)點(diǎn)，出現(xiàn)了一些模擬裂紋擴(kuò)展的耦合數(shù)值方法，如Rao和Rahman提出的無網(wǎng)格－有限元耦合方法，田榮提出的基于有限覆蓋的無單元法，Li和Cheng提出了的無網(wǎng)格一流形元耦合方法等?？偟膩碇v，這類方法模擬巖石裂紋擴(kuò)展時(shí)完全基于斷裂力學(xué)分析，對(duì)于單裂紋或少量裂紋擴(kuò)展問題可以得到精確的解答，但遇到多裂紋匯交時(shí)，由于各自裂尖應(yīng)力場(chǎng)的奇異性，求解將遇到數(shù)學(xué)上的困難，而且斷裂理論中關(guān)于多裂紋相互作用方面的研究也不成熟?！　〖热换跀嗔牙碚摰臄?shù)值方法模擬裂紋擴(kuò)展時(shí)遇到了難以解決的困難，那么有些學(xué)者就另辟蹊徑，摒棄以往做法，而從細(xì)觀層次上分析材料的破壞行為，提出了一些細(xì)觀斷裂分析方法?！　ossi和Richer提出了一種基于有限元分析的概率模型，在此模型中，按照一定的概率分布給單元賦材料屬性，并采用抗拉準(zhǔn)則和莫爾一庫(kù)侖準(zhǔn)則來判斷單元是否破壞。唐春安也基于類似的模型，提出了模擬脆性材料漸進(jìn)破壞過程的數(shù)值分析方法（RFPA），該方法通過考慮細(xì)觀單元力學(xué)參數(shù)的非均勻性來模擬材料的非線性，通過考慮材料單元的參數(shù)弱化來模擬材料的破壞，由于突破了傳統(tǒng)的斷裂理論，RFPA模擬巖石裂紋的萌生、擴(kuò)展乃至貫通非常有效?！　urt和Dougill用梁模型模擬了脆性無序介質(zhì)的連續(xù)破壞過程。Zubelewiez和Bazant提出了一種基于離散元法的顆粒－界面元模型，此模型首先將材料離散成一系列互不接觸的顆粒，然后在相鄰顆粒之間加入界面單元，通過界面單元的張拉破壞來模擬材料的斷裂行為。邢紀(jì)波等在離散元法基礎(chǔ)上提出了梁－顆粒模型，該模型將材料隨機(jī)離散成相互接觸的顆粒單元，相鄰顆粒單元之間由梁?jiǎn)卧B接，當(dāng)粱單元所受應(yīng)力超過其強(qiáng)度時(shí)，就將它從計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中剔除，這樣來模擬材料的破壞，此模型對(duì)比單純的梁模型有很大的優(yōu)越性，在模擬巖體材料的破壞和宏觀力學(xué)效應(yīng)方面有較好的效果。

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