復(fù)雜巖體多場廣義耦合分析導(dǎo)論

前言

　　巖石力學(xué)是力學(xué)、地學(xué)與工程科學(xué)交叉形成的一門學(xué)科分支。巖體多場耦合又是巖石力學(xué)近20年來形成的一個研究方向。筆者涉及巖體多場耦合問題是在1991年，當(dāng)時師從熊文林教授攻讀博士學(xué)位，與導(dǎo)師一起承擔(dān)國家“八五”科技攻關(guān)項目子題“裂隙巖體滲流場及其與應(yīng)力場耦合分析”。這一研究方向當(dāng)時在國內(nèi)剛剛起步，即使在國際巖石力學(xué)界也算是學(xué)術(shù)前沿問題。1991～1996年的研究僅限于巖體滲流與應(yīng)力耦合機理、耦合模型及耦合過程有限元模擬。1997～1999年與葉自桐教授合作承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項目“裂隙巖體非飽和滲流機理”，開始涉及非飽和滲流過程中的滲流與應(yīng)力耦合問題，并結(jié)合三峽工程、小灣工程、水布埡工程等開展裂隙巖體滲流場與應(yīng)力場耦合分析的應(yīng)用研究。2（）00年以后，筆者主持和參與國家自然科學(xué)基金重點項目“裂隙巖體滲流與力學(xué)特性”（50239070）、雅礱江水電開發(fā)聯(lián)合基金重點項目“西南地區(qū)復(fù)雜高陡邊坡變形與穩(wěn)定性分析方法”（50539100）、“深部巖體的工程特性”（50639100），以及國家自然科學(xué)基金項目“高地應(yīng)力區(qū)裂隙巖體EDZ的水一力強耦合機理及數(shù)值模擬方法”（507（）9026），對裂隙巖體變形破壞機理、滲流與應(yīng)力耦合機理、巖體應(yīng)力和變形的工程作用效應(yīng)、復(fù)雜耦合系統(tǒng)的數(shù)值模擬等問題開展理論研究，并依托西南地區(qū)水電高陡邊坡、大型地下工程開展?jié)B流與變形的強耦合應(yīng)用研究。從巖體滲流與應(yīng)力雙場耦合到多場廣義耦合，從滲流與應(yīng)力弱耦合到考慮工程作用效應(yīng)的滲流與變形強耦合，研究工作經(jīng)歷了15年的歷程。

內(nèi)容概要

　　本書以巖體多場廣義耦合理論與應(yīng)用為主題，重點閘述巖體多場耦合機理和耦合模型，提出了考慮結(jié)構(gòu)面峰后力學(xué)特性的界面層模型、考慮結(jié)構(gòu)面滲流與變形耦合的廣義立方定理，探討了巖體表征單元體（REV）分析方法及巖體力學(xué)參數(shù)取值方法，論述了巖體多場耦合的工程作用效應(yīng)，系統(tǒng)介紹了巖體應(yīng)力場、滲流場及其耦合的數(shù)值模擬方法。本書立足于巖體地質(zhì)特征與賦存環(huán)境研究，注重巖體多場耦合工程作用效應(yīng)研究，強調(diào)巖體多場耦合的模型選擇與參數(shù)選?。辉谡撌鰩r體多場耦合機理與數(shù)值模擬方面，既以作者及團隊的研究成果為主，又力圖兼顧國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與主要成果?！　”緯m用于水利、水電、交通、礦山、石油、核廢料處置等行業(yè)從事巖石力學(xué)和巖土工程的科研人員使用，也可作為高等院校和科研院所相關(guān)專業(yè)研究生的教學(xué)參考書。

書籍目錄

前言第1章 緒論1.1 研究對象1.1.1 復(fù)雜巖體1.1.2 多場耦合1.1.3 工程作用1.1.4 多場廣義耦合1.2 研究意義1.2.1 巖石力學(xué)研究的熱點1.2.2 重大工程建設(shè)的需求1.2.3 巖石力學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物1.3 研究現(xiàn)狀1.3.1 單裂隙滲流模型與耦合機理研究1.3.2 巖體滲流模型與耦合機理研究1.3.3 巖體滲流介質(zhì)類型與參數(shù)研究1.3.4 巖體多場耦合數(shù)值分析研究1.3.5 核廢料處置THMC耦合研究1.4 研究內(nèi)容與研究方法1.4.1 研究內(nèi)容1.4.2 研究方法主要參考文獻第2章 巖體地質(zhì)特征與賦存環(huán)境研究2.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)面2.1.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的成因2.1.2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的分級2.1.3 地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的特征2.2 巖體結(jié)構(gòu)特征2.2.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)2.2.2 巖體結(jié)構(gòu)特征2.2.3 巖體質(zhì)量分類2.3 結(jié)構(gòu)面的模型與模擬2.3.1 結(jié)構(gòu)面的物理模型2.3.2 結(jié)構(gòu)面的張量模型2.3.3 結(jié)構(gòu)面的分形結(jié)構(gòu)2.3.4 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)的模擬2.4 巖體賦存環(huán)境特征2.4.1 地應(yīng)力場2.4.2 地下水滲流場2.4.3 地溫場主要參考文獻第3章 巖體變形與滲透特性研究3.1 巖塊及結(jié)構(gòu)面變形特性的一般性描述3.1.1 巖塊的變形特性3.1.2 結(jié)構(gòu)面的變形特性3.2 結(jié)構(gòu)面變形的Plesha模型3.2.1 模型概化3.2.2 本構(gòu)關(guān)系3.2.3 結(jié)構(gòu)面的剪脹演化3.3 結(jié)構(gòu)面變形的界面層模型3.3.1 界面層的彈性本構(gòu)模型3.3.2 界面層彈塑性本構(gòu)模型3.4 結(jié)構(gòu)面的滲透特性3.4.1 光滑平行板模型3.4.2 立方定理的修正3.5 結(jié)構(gòu)面的非飽和滲透特性3.5.1 結(jié)構(gòu)面非飽和滲流機理3.5.2 入侵概念模型與張開度分布3.5.3 非飽和水力參數(shù)模型3.6 巖體的滲透特性與滲透張量3.6.1 巖體滲透介質(zhì)類型3.6.2 巖體滲透張量主要參考文獻第4章 巖體表征單元體與力學(xué)參數(shù)研究4.1 巖體表征單元體4.1.1 表征單元體的概念4.1.2 巖體的尺度及其與REV的關(guān)系4.1.3 巖體力學(xué)模型的選取4.1.4 巖體表征單元體的存在性4.2 巖體表征單元體的確定方法4.2.1 能量疊加法（ESM）4.2.2 地質(zhì)統(tǒng)計法（GSM）4.2.3 數(shù)值試驗法（NSM）4.3 巖體力學(xué)參數(shù)4.3.1 巖體力學(xué)參數(shù)的含義與特征4.3.2 巖體力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)4.3.3 巖體力學(xué)參數(shù)的工程意義4.4 巖體力學(xué)參數(shù)取值方法4.4.1 基于巖體質(zhì)量分類的參數(shù)取值方法4.4.2 基于巖體REV的參數(shù)取值方法4.4.3 巖體力學(xué)參數(shù)的反演分析主要參考文獻第5章 巖體多場耦合機理研究5.1 結(jié)構(gòu)面滲流與變形耦合機理5.1.1 法向荷載作用下結(jié)構(gòu)面滲流與變形的耦合機理5.1.2 壓剪荷載作用下結(jié)構(gòu)面滲流與變形的耦合機理5.1.3 結(jié)構(gòu)面滲流的廣義立方定理5.2 巖塊滲流與變形耦合機理5.2.1 巖塊滲流與變形耦合基本規(guī)律5.2.2 巖塊滲流與變形耦合模型5.3 巖體滲流與變形耦合機理5.3.1 巖體滲流與變形耦合機理的研究方法5.3.2 巖體滲流與應(yīng)力耦合模型5.3.3 應(yīng)變敏感的巖體滲透張量模型5.4 巖體溫度一變形一滲流耦合機理5.4.1 巖石溫度與變形耦合機理5.4.2 巖石溫度與滲流耦合機理5.4.3 巖體溫度一變形一滲流耦合模型主要參考文獻第6章 巖體工程作用效應(yīng)研究6.1 巖體開挖效應(yīng)6.1.1 巖體開挖松動區(qū)的定義及形成機理6.1.2 巖體開挖的損傷區(qū)和破壞區(qū)6.1.3 巖體爆破開挖過程的動態(tài)卸載松動機理6.1.4 松動巖體的工程特性6.2 巖體開挖爆破損傷6.2.1 爆破開挖誘發(fā)的動力荷載6.2.2 爆炸荷載作用下巖體的動力損傷6.3 巖體的錨固效應(yīng)6.3.1 錨桿支護的錨固機理6.3.2 巖體錨固系統(tǒng)及群錨效應(yīng)6.3.3 加錨巖體的力學(xué)特性6.4 巖體灌漿加固效應(yīng)6.4.1 灌漿充填機理6.4.2 灌漿流體運動規(guī)律6.4.3 巖體灌漿效果主要參考文獻第7章 巖體應(yīng)力場有限單元法數(shù)值模擬研究7.1 有限單元法分析基本原理7.2 巖體地應(yīng)力場數(shù)值模擬7.2.1 初始地應(yīng)力場的位移反分析方法7.2.2 初始地應(yīng)力場的回歸反分析方法7.2.3 基于多源信息的初始地應(yīng)力場反分析方法7.3 巖體施工開挖及錨固支護數(shù)值模擬7.3.1 巖體施工開挖數(shù)值模擬7.3.2 巖體錨固支護數(shù)值模擬7.4 工程實例7.4.1 工程概況7.4.2 有限元模型與計算條件7.4.3 邊坡施工過程中的應(yīng)力一變形分析主要參考文獻第8章 巖體滲流場有限單元法數(shù)值模擬研究第9章 巖體應(yīng)力場滲流場DDA數(shù)值模擬研究第10章 巖體多場廣義耦合數(shù)值模擬研究后記

章節(jié)摘錄

　　20世紀(jì)80年代以來，國外對巖體非飽和滲流問題的研究日趨活躍，國內(nèi)在這方面的研究也受到了重視。對于結(jié)構(gòu)面飽和滲流，滲透系數(shù)與流體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)面幾何特征有關(guān)，在某一應(yīng)力狀態(tài)下按常數(shù)處理，其滲流規(guī)律可用立方定理或修正的立方定理及溝槽流模型描述。但對于結(jié)構(gòu)面非飽和滲流，水、氣或油等流體在結(jié)構(gòu)面中的運動規(guī)律和滲透特性遠比單相飽和滲流復(fù)雜。結(jié)構(gòu)面非飽和滲透參數(shù)不僅與流體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)面的幾何特征有關(guān)，而且還與飽和度或毛細壓力有關(guān)?！　‰m然過去在多孔介質(zhì)非飽和滲流研究方面已積累了較多經(jīng)驗，但對結(jié)構(gòu)面非飽和滲流研究很少，而對巖體非飽和滲流的研究幾乎是空白。目前，較多地借鑒多孔介質(zhì)非飽和滲流理論研究結(jié)構(gòu)面及巖體非飽和滲流。由于非飽和狀態(tài)下的毛細壓力一飽和度關(guān)系是不同張開度的結(jié)構(gòu)面內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)對水分運動影響的綜合反映，因此結(jié)構(gòu)面毛細壓力一飽和度關(guān)系曲線的試驗測定是非飽和滲流特性研究的基礎(chǔ)。3．5．1結(jié)構(gòu)面非飽和滲流機理　　在結(jié)構(gòu)面非飽和滲流試驗方面，Reitsma & Kueper（1994）、周創(chuàng)兵等（1998）、胡云進（2001）等進行過研究。Reitsma & Kueper（1994）的試驗采用含天然裂隙的石灰?guī)r。周創(chuàng)兵等（1998）的試驗采用含貫通節(jié)理的花崗巖，將試樣加工成一定大小的試件，采用不溶混驅(qū)替方法測定巖石裂隙毛細壓力一飽和度（排水量）的關(guān)系，試驗中的濕潤相流體為水，非濕潤相流體為電器油。胡云進（2001）設(shè)計了測定單裂隙非飽和水力參數(shù)的實驗裝置，該裝置能同時測定單裂隙排水和吸水時的毛細壓力一飽和度以及非飽和滲透系數(shù)一毛細壓力的關(guān)系。　　上述試驗研究的有關(guān)結(jié)果如圖3．5—1～圖3．5—3所示。由圖可知，巖石裂隙非飽和排水及吸濕過程與多孔介質(zhì)的非飽和土水特征曲線相似。試驗曲線具有三個基本特征：一是開始排水時存在一個起始毛細壓力值（進氣值）；二是排水結(jié)束時裂隙中保持一定的剩余飽和度；三是排水與吸濕過程存在滯后現(xiàn)象。排水曲線的起點受起始毛細壓力控制，終點受剩余飽和度控制。開始排水時，裂隙處于飽水狀態(tài)，在裂隙邊緣存在著界面張力，這一張力不僅與界面兩側(cè)的流體性質(zhì)有關(guān)，而且與界面曲率（取決于裂隙張開度）和接觸角（取決于裂隙粗糙度）等因素有關(guān)。圖3．5—1反映起始毛細壓力為3．0～5．0cm水柱，圖3．5—2反映起始毛細壓力在1．2cm水柱左右，圖3．5—3反映起始毛細壓力為4．0cm水柱?！　×严斗秋柡蜐B流試驗出現(xiàn)剩余飽和度可用人侵概念模型解釋。在一定的毛細壓力下，非濕潤流體只能入侵與其具有“水力聯(lián)系”的區(qū)域，如果某一局部的大開度周圍被小開度所包圍，形成一個“孤立區(qū)”，在周圍小開度中的流體被驅(qū)替之前，大開度中的流體是不能被驅(qū)替的。如果小開度中的流體被驅(qū)替完后，大開度中的流體還未來得及被驅(qū)替就失去了水力聯(lián)系，那么這部分流體將殘留于裂隙或通過巖塊排泄。存在剩余飽和度的另一原因與裂隙介質(zhì)存在吸濕水和薄膜水有關(guān)。圖3．5—1的試驗剩余飽和度為6％左右，圖3．5—2的試驗剩余飽和度為11％左右，圖3．5～3的試驗剩余飽和度為2％左右。

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