1.內(nèi)容簡介
巖石是一種復(fù)雜材料,峰值后區(qū)特性一直是巖石力學(xué)界十分關(guān)注的問題。本書在前人工作的基礎(chǔ)上,對巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線分類進行了有益的探討;應(yīng)用塑性位勢理論,詳細(xì)推導(dǎo)了對應(yīng)于不同屈服準(zhǔn)則的應(yīng)力脆性跌落過程塑性流動因子的確定方法,并且給出了非理想脆塑性模型應(yīng)力脆性跌落過程中產(chǎn)生的非零位移增量的一種簡便的近似處理方法;分別對大理巖、紅砂巖和花崗巖等幾種脆性比較明顯的巖石進行了應(yīng)力脆性跌落系數(shù)的試驗研究,給出了大理巖和紅砂巖的應(yīng)力脆性跌落系數(shù)與圍壓的關(guān)系表達(dá)式;應(yīng)用研制的三維彈脆塑性有限元與無界元耦合分析軟件對小灣水電站地下硐室群的圍巖穩(wěn)定性進行了不同屈服條件下的分析,驗證了研究成果的有效性和實用性。
本書可作為土木、水電、橋梁、隧道、巖土力學(xué)與工程等工科專業(yè)高年級本科生和研究生的教學(xué)參考書,亦可供有關(guān)科研與工程設(shè)計人員參考。 2.前言
巖石是一種復(fù)雜材料,也正是這種復(fù)雜性吸引了眾多的科學(xué)工作者。研究全過程曲線,特別是峰值后區(qū)特性一直是巖石力學(xué)界十分關(guān)注的問題,因為無論在理論上,還是在巖體工程的實踐方面,它都具有重要意義。對于大量的巖石工程問題而言,所涉及的巖類脆性性質(zhì)十分明顯,以往進行有限元非線性分析一般采用理想彈脆塑性模型,能夠很好地反映脆性非常明顯的巖土材料的峰值后區(qū)力學(xué)特性。然而,對于脆塑性不是那么理想化而軟化速率又大到不滿足經(jīng)典塑性理論中對軟化速率的限制的脆塑性巖土材料,采用理想彈脆塑性模型分析時必然有一定的誤差,且應(yīng)力坡降越緩,圍壓越大,誤差越明顯。為此,在前人工作的基礎(chǔ)上,開展在過峰值應(yīng)力以后的應(yīng)力跌落過程中,允許應(yīng)變增量不為零的非理想脆塑性模型研究。
全書共分9章。第1章緒論,介紹巖石的全過程曲線和巖石的本構(gòu)模型,綜述了有限元脆塑性分析模型的研究意義和現(xiàn)狀以及面向?qū)ο笥邢拊椒ê蜔o界單元方法的研究現(xiàn)狀;第2章介紹巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線以及關(guān)于傳統(tǒng)巖石分類的討論,并在介紹新一代電液伺服自適應(yīng)控制巖石力學(xué)試驗機及新的試驗結(jié)果基礎(chǔ)上提煉出脆塑性巖石類材料數(shù)值模擬的計算模型;第3章在總結(jié)和引用前人成果的基礎(chǔ)上,介紹巖石的彈脆塑性分析模型以及經(jīng)典塑性理論對軟化材料軟化速率的限制,最后闡述了利用塑性位勢理論來確定應(yīng)力跌落的方法以及非理想彈脆塑性分析中應(yīng)力脆性跌落過程中產(chǎn)生的非零應(yīng)變增量的處理方法;第4章對幾種脆性比較明顯的巖石的應(yīng)力脆性跌落系數(shù)進行試驗研究,并分別給出大理巖和紅砂巖的應(yīng)力脆性跌落系數(shù)與圍壓的關(guān)系表達(dá)式,對某一大理巖介質(zhì)中的地下構(gòu)筑物進行彈塑性、理想脆塑性和非理想脆塑性三維有限元對比分析;第5章對非線性有限元分析中不同屈服條件進行對比研究,并以空心球殼受內(nèi)外壓問題為例進行了數(shù)值分析對比;第6章研究無界單元方法,分別闡述了映射無界元和衰減無界元的基本原理及其形函數(shù)的具體構(gòu)造方法,總結(jié)了幾種常用的映射無界元和衰減無界元的形函數(shù),而且詳細(xì)推導(dǎo)了一種簡單而又非常實用的無界單元—6節(jié)點無界元的形函數(shù)和其他相關(guān)計算公式;第7章設(shè)計了面向?qū)ο笕S非線性的彈脆塑性有限元分析軟件EBPFEM3D,能進行彈塑性或彈脆塑性有限元計算,能較好地模擬脆塑性巖石的力學(xué)性能,可考慮開挖卸荷,可模擬巖體中的不連續(xù)面,可模擬巖土工程中經(jīng)常涉及的無限和半無限域問題;第8章應(yīng)用分析軟件對小灣水電站地下硐室群的圍巖穩(wěn)定性采用不同的屈服準(zhǔn)則進行了分析,給出了不同屈服準(zhǔn)則計算所得的硐室特征部位的位移值和相應(yīng)于等面積圓的各機組剖面的塑性區(qū)域圖,驗證了研究成果的有效性和實用性;第9章總結(jié)了本書的研究內(nèi)容,并展望了脆塑性巖石破壞后區(qū)力學(xué)特性研究的未來發(fā)展方向。
本書可作為土木、水電、橋梁、隧道、巖土力學(xué)與工程等工科專業(yè)高年級本科生和研究生的教學(xué)參考書,亦可供有關(guān)科研與工程設(shè)計人員參考。
由于作者水平有限,書中難免有錯誤和疏漏之處,敬請同行、專家和讀者批評指正,不勝感激！
本書編寫過程中引用了葛修潤院士以及鄭宏博士、王水林博士、侯明勛博士、盧允德碩士等師兄弟的研究成果，在此特別致謝！
史貴才
常州工學(xué)院
2019年9月 3.目錄
1緒論(1)
1.1巖石的全過程曲線與巖石的分類(1)
1.2巖石的本構(gòu)模型(2)
1.3脆塑性巖體的研究現(xiàn)狀(4)
1.4面向?qū)ο笥邢拊ǖ难芯楷F(xiàn)狀(7)
1.5無界單元法的研究現(xiàn)狀(9)
1.6主要內(nèi)容(10)
參考文獻(11)
2巖石的全過程曲線(21)
2.1巖石的全過程曲線(21)
2.2關(guān)于傳統(tǒng)巖石分類的討論(22)
2.2.1關(guān)于Ⅱ型全過程曲線的實驗條件及存在問題的討論(24)
2.2.2Ⅱ型全過程曲線違背Ⅱ′yushin公設(shè)(25)
2.3新一代電液伺服自適應(yīng)控制巖石力學(xué)試驗機及新的試驗結(jié)果(26)
2.4脆塑性體數(shù)值模擬模型(29)
2.5本章小結(jié)(31)
參考文獻(31) 3脆塑性巖體分析原理(33)
3.1經(jīng)典塑性理論對軟化材料軟化速率的限制(33)
3.2應(yīng)變空間中表述的彈塑性理論(36)
3.3利用塑性位勢理論來確定應(yīng)力跌落(37)
3.4應(yīng)力脆塑性跌落過程中的位移增量的工程近似處理(44)
3.5算例(44)
3.6本章小結(jié)(46)
參考文獻(46) 4脆塑性巖石應(yīng)力脆性跌落系數(shù)的試驗研究(47)
4.1試驗?zāi)康?47)
4.2試驗設(shè)備及試樣(48)
4.2.1試驗設(shè)備(48)
4.2.2試樣(49)
4.3試驗步驟(51)
4.3.1單軸試驗步驟(51)
4.3.2三軸試驗步驟(51)
4.4應(yīng)力脆性跌落系數(shù)的試驗確定(52)
4.4.1大理巖的應(yīng)力脆性跌落系數(shù)的三軸試驗確定(53)
4.4.2紅砂巖的應(yīng)力脆性跌落系數(shù)的三軸試驗確定(56)
4.4.3花崗巖的應(yīng)力脆性跌落系數(shù)的單軸試驗確定(59)
4.4.4小結(jié)(60)
4.5本章算例(60)
4.6本章小結(jié)(65)
參考文獻(65) 5巖土工程常用屈服條件的對比研究(66)
5.1概述(66)
5.2巖土材料的屈服條件(66)
5.2.1莫爾(Mohr)條件的基本思想(66)
5.2.2莫爾庫侖(MohrCoulomb)條件(67)
5.2.3德魯克普拉格(DruckerPrager)條件(69)
5.2.4廣義米賽斯條件(69)
5.3用廣義Mises屈服條件去逼近莫爾庫侖屈服條件的研究(72)
5.3.1理想彈塑性厚壁球殼受內(nèi)外壓問題(72)
5.3.2脆塑性厚壁球殼受內(nèi)外壓問題(77)
5.4本章小結(jié)(79)
參考文獻(79) 6無界單元法(81)
6.1概述(81)
6.2衰減無界元(82)
6.2.1衰減無界元的基本原理(82)
6.2.2幾種常用的衰減無界元模型(85)
6.3映射無界元(87)
6.3.1映射無界元的基本原理(87)
6.3.2幾種常用的映射無界元模型(89)
6.46節(jié)點三維無界單元(92)
6.4.16節(jié)點映射無界元(92)
6.4.26節(jié)點三維衰減無界元(95)
6.5算例(96)
6.6無界元在地應(yīng)力場分析中的應(yīng)用(99)
6.6.1巖體初始地應(yīng)力場的有限元分析(99)
6.6.2無界元應(yīng)用于地應(yīng)力場分析(108)
參考文獻(114) 7脆塑性有限元分析程序設(shè)計及其應(yīng)用(116)
7.1使用面向?qū)ο蟮姆椒▉砭帉懗绦虻谋匾?116)
7.1.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法(116)
7.1.2程序設(shè)計語言和傳統(tǒng)程序設(shè)計方法的局限性(117)
7.2面向?qū)ο蠓椒ǖ钠鹪磁c發(fā)展(121)
7.2.1面向?qū)ο蠓椒ǖ钠鹪?121)
7.2.2面向?qū)ο缶幊陶Z言的發(fā)展(121)
7.3面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法的基本思想(122)
7.3.1面向?qū)ο笳J(rèn)識方法學(xué)(122)
7.3.2面向?qū)ο蟮姆椒ǖ木幊趟枷?123)
7.4面向?qū)ο蠓椒ǖ幕靖拍?123)
7.4.1對象(Object)(124)
7.4.2消息與方法(125)
7.4.3數(shù)據(jù)抽象(Data Abstraction)(126)
7.4.4類與對象(126)
7.5面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法的主要特征(127)
7.5.1封裝性(127)
7.5.2繼承性(127)
7.5.3多態(tài)性與動態(tài)聚束(128)
7.5.4面向?qū)ο蠓椒ㄅc結(jié)構(gòu)化方法在概念上的區(qū)別(128)
7.6面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的基本過程(129)
7.6.1面向?qū)ο筌浖椒ǖ幕驹瓌t(129)
7.6.2面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)模式(129)
7.6.3面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計的基本過程(130)
7.7面向?qū)ο笥邢拊绦蛟O(shè)計(131)
7.7.1面向?qū)ο笥邢拊治?131)
7.7.2面向?qū)ο笥邢拊O(shè)計(133)
7.7.3面向?qū)ο笥邢拊獙崿F(xiàn)(143)
參考文獻(144) 8工程實例(147)
8.1工程概況(147)
8.2主要工程地質(zhì)概況與巖體力學(xué)參數(shù)(148)
8.3小灣水電站地下硐室有限元分析(149)
8.3.1計算模型(150)
8.3.2計算結(jié)果(152)
8.4本章小結(jié)(160)
參考文獻(160) 9結(jié)論與展望(161)
9.1主要結(jié)論及認(rèn)識(161)
9.2展望(162) 附錄(164)
附錄1大理巖常規(guī)三軸壓縮試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線(164)
附錄2紅砂巖常規(guī)三軸壓縮試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線(167)
附錄3花崗巖單軸壓縮試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線(171)
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