岩体数值分析方法与地质力学模型试验原理及工程应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:第1版 (2005年5月1日)

作者:张强勇

出品人:

页数:200

译者:

出版时间:2005-5-1

价格:28.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787508427706

丛书系列:

图书标签:

• 岩体数值分析
• 地质力学
• 模型试验
• 工程应用
• 岩土工程
• 数值模拟
• 力学模型
• 岩石力学
• 地下工程
• 隧道工程

复杂地质体结构力学行为的精细化研究与工程实践指南 本书聚焦于现代岩土工程领域中，针对复杂地质体（如软弱岩层、节理裂隙岩体、高地应力区岩体）在多场耦合作用下的力学响应规律及其工程稳定性评估。全书以提升工程安全性和优化设计方案为目标，系统阐述了从理论建模、数值模拟到现场试验验证的全流程技术体系。 本书内容涵盖了岩土工程力学的前沿理论、先进的数值计算方法（如离散元法、有限元法、扩展有限元法、非连续介质力学）在处理岩土体变形破坏问题中的具体应用，并深入探讨了岩土结构在地震、渗透、温度变化等多因素耦合条件下的耦合效应分析。特别强调了如何将复杂的岩土体本构关系和损伤演化规律融入到可靠的数值模型中，实现对工程破坏过程的精确预测。 第一部分：岩土体本构关系与多场耦合理论基础 本部分着重于奠定理解复杂岩土体行为的理论基石。详细梳理了经典连续介质力学在岩土工程中的局限性，引入了更适用于描述非连续介质力学特性的本构模型。 1. 岩土体复杂本构模型的构建与参数辨识： 深入分析了剪胀性、粘塑性、应变软化等关键岩土力学现象，详细介绍了适用于不同工程尺度的各类本构模型，包括基于能量耗散的损伤模型、考虑应力历史效应的粘塑性模型，以及用于描述高边坡、深隧等工程中岩体大变形特征的广义屈服准则。强调了如何通过室内三轴试验、单轴压缩试验以及现场大变形试验数据，对这些复杂模型的关键参数进行可靠的辨识与校准，确保模型与实际岩体行为的一致性。 2. 多场耦合作用下的本构响应： 系统阐述了热-力耦合、渗流-力耦合、电-力耦合等在岩土工程中的重要性。例如，在深层隧道或核废料处置库的建设中，温度变化对岩石力学性能（如蠕变、脆性转变）的影响；以及地下水渗透引起的有效应力变化和渗透破坏（如管涌、流化）。本书提供了将这些物理场方程与结构力学方程联立求解的理论框架和数值实现途径。 3. 岩体结构面的力学特性与节理网络建模： 专门论述了岩体宏观力学行为受控于其内部结构面（如节理、断层、层理）的特性。详细介绍了描述结构面剪胀性、抗剪强度和法向刚度的经验性或理论性公式，并引入了描述三维节理网络拓扑结构的随机生成方法，为后续的数值模拟奠定基础。 第二部分：先进数值模拟技术与方法实现 本部分是全书的核心技术部分，详细介绍了当前岩土工程数值分析领域最前沿、最适用的计算方法，及其在处理非连续、非线性问题中的优势。 1. 离散元方法（DEM）在岩体分析中的深化应用： 深入讲解了基于接触力学的离散元方法（DEM），特别是PFC（Particle Flow Code）等商业软件背后的核心算法。重点探讨了如何将颗粒群组模拟从传统的点接触模型发展到能够精确描述岩石单元体（如块体）的粘结特性、磨损和破碎机制。书中提供了如何利用DEM模拟岩爆、支护失效和边坡滑坡等灾害过程的详细步骤和案例分析。 2. 有限元法（FEM）处理大变形与损伤演化： 对于大变形和应变软化问题，本书详细介绍了基于Lagrange或ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）算法的有限元实现。重点放在了如何有效处理单元的材料失效、网格重划分（Mesh Rezoning）以及避免数值震荡。通过引入内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）和相场模型，实现了对裂纹萌生、扩展和最终贯通的精细化追踪。 3. 混合数值模拟技术（Hybrid Numerical Methods）： 认识到单一数值方法难以同时捕捉岩体各尺度的复杂性，本书专门介绍了混合方法的应用，如FEM-DEM耦合（宏观结构用FEM，微观接触用DEM）和XFEM（扩展有限元）在处理裂纹尖端奇异性问题中的优势，特别是在模拟水力致裂、高边坡深层拉裂等方面提供了具体的建模流程和结果解读指南。 第三部分：地质力学模型试验原理与数据反演 本书强调理论与实践的结合，详细介绍了如何通过先进的物理模型试验来验证数值结果，并实现模型参数的优化。 1. 相似材料设计与模型制作工艺： 针对不同尺度的工程问题（如深部采场稳定性、大坝基础处理），系统介绍了模型材料的力学相似性原则（包括几何、应力、应变相似性）。详细阐述了用于模拟岩石、土体、结构面的新型低成本、高精度相似材料的配比设计与制作工艺，包括真空辅助浇筑、分层压实、以及结构面预制技术。 2. 现代模型试验测试技术： 重点介绍了非接触式、高精度监测技术在物理模型试验中的应用，包括： 数字图像相关技术（DIC）： 用于实时、全场应变和位移场的精确测量，是验证数值模型宏观变形的关键手段。 声发射（AE）监测系统： 用于捕捉岩体内部微裂纹的萌生和扩展过程，帮助确定破坏的临界点。 高精度传感器网络： 用于监测模型内部的应力、孔隙水压力变化。 3. 试验数据与数值模型的反馈校正： 介绍了如何利用模型试验采集的变形场、应力场数据，结合反演算法（如迭代优化、梯度下降法），对数值模型中的材料参数（如内摩擦角、粘聚力、弹性模量）进行系统性的反演和优化，形成“试验-模拟-校正”的良性循环。 第四部分：复杂工程问题的案例分析与工程应用 本部分结合多个实际工程案例，展示了前述理论和方法的实际应用价值，旨在为工程师提供可借鉴的设计和评估范例。 1. 复杂断裂带的稳定性评估与控制： 分析了大型地下工程（如深层矿井、高铁路基）穿越高强度节理岩体或软弱破碎带时的稳定性机理。重点论述了如何利用数值方法模拟支护结构（如锚杆、注浆带）与围岩的协同作用，提出最优化的动态支护方案。 2. 边坡失稳风险预测与动态响应分析： 针对复杂地质构造（如软岩覆盖的陡峭边坡），应用多相流-力学耦合模型分析降雨入渗对边坡稳定性的影响。利用动态有限元方法模拟地震荷载下边坡的屈服区域扩展和潜在滑动面的形成过程，提供针对性的减灾措施。 3. 高温高压下深部岩体的蠕变与长期稳定性： 针对地热开发、油气开采或深部隧道工程，讨论了岩石在高温高压环境下的时间依赖性变形（蠕变）。结合蠕变本构模型，评估了结构在数十年尺度上的长期承载能力和潜在的应力松弛问题，指导材料选择和长期维护策略。 本书的特点在于深度融合了前沿的计算科学方法与精细的工程地质测试技术，为研究人员和工程技术人员提供了一套系统、全面且具有高度可操作性的复杂岩土工程分析与评估工具箱。

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我最欣赏的是这本书在“工程应用”部分所展现出来的广度和深度。它没有停留在理论演示，而是提供了多个世界级大型工程案例的深入剖析。比如，书中对某一复杂地下洞室群在长期荷载作用下的三维监测数据与数值模拟结果的比对分析，简直是教科书级别的范例。作者不仅展示了成功的预测，更坦诚地分析了模型在某些极端应力集中区域出现的局限性，并提出了修正方案。这种对局限性的诚实披露，体现了作者严谨的科学态度。此外，书中关于“高地应力环境下隧道开挖响应”的章节，特别强调了时间效应，即岩体的蠕变和应力松弛对长期稳定性的影响，这在很多侧重于瞬时强度的教材中是很少被如此强调的。这本书的价值在于，它清晰地展示了如何将复杂的理论模型转化为解决实际工程难题的有效工具，它提供的不是标准答案，而是一套可靠的“问题解决流程图”。对于那些需要为复杂、高风险工程项目做决策的工程师而言，这本书是不可或缺的参考资料。

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这本书的语言风格非常沉稳、学术，但绝不晦涩。它非常注重概念的清晰界定，这一点对于我们这些需要跨学科交流的专业人士来说太重要了。我记得有一次我尝试向非岩土背景的结构工程师解释我们模拟边坡失稳的复杂性，总是因为术语理解上的偏差而受阻。这本书在定义“岩体”与“岩块”的力学响应差异时，采用了非常精炼且易于理解的表述。它不是简单地罗列公式，而是通过一系列精心设计的示意图，将复杂的应力传递路径和能量耗散机制可视化。我发现，作者在讨论“损伤本构”时，巧妙地引用了非线性动力学的一些概念，这使得原本抽象的损伤演化过程，有了一个更广阔的理论支撑。这本书的好处在于，它让你在阅读时能不断地“暂停”下来，思考：“这个模型在现实中对应的是哪种地质现象？”它迫使读者建立起从微观晶格到宏观工程尺度的完整认知链条。对于我这样的资深从业者来说，它像是一次系统性的“知识重校准”，帮我夯实了那些在日常工作中可能被忽略的基础概念。

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说实话，我是一个更偏爱实验和现场观测的工程师，对纯理论的数值模拟总有点敬而远之，总觉得那些模型离实际的岩石破碎过程太遥远。但这本书的第三部分，关于“地质力学模型试验原理”的论述，彻底改变了我的看法。作者没有将数值模拟和物理模型割裂开来，而是强调了两者之间的相互印证和校准。书中详细描述了如何设计和建造岩体力学试验箱，以及如何在高精度传感器采集的现场数据基础上，反演出最接近真实的岩体应力场和变形模式。我尤其对书中关于“相似材料选择”和“尺寸效应修正”的讨论印象深刻。这部分内容非常实用，它帮助我理解了为什么实验室测得的岩石强度与现场监测结果总是有偏差，以及如何在数值模型中弥合这种差距。这已经超越了一本单纯的计算方法书籍的范畴，它提供了一种连接理论、实验与工程实践的整体思维框架。对于现场工程师来说，理解数值模型是如何基于实际观察被“训练”出来的，远比单纯套用软件的默认参数更有价值。这本书让我开始重新审视我手头的那些现场数据，并思考如何用更科学的方式去指导我的数值计算。

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从阅读体验上来说，这本书的排版和图表的清晰度令人印象深刻。在涉及大量张量分析和矩阵运算的部分，所有的符号都标注得非常清晰，极大地减少了阅读时的认知负担。很多技术书籍的图表往往晦暗不清，但这本书的插图，特别是关于数值网格划分和边界条件设置的图例，细节丰富且逻辑性极强。我尤其喜欢书中对不同数值算法（如有限差分、有限元和离散元）优缺点及其适用场景的比较分析。这种对比不是简单的罗列，而是从计算效率、收敛稳定性和对不连续面的处理能力等多个维度进行深入剖析。这种系统性的梳理，使得读者可以根据具体的工程问题，快速锁定最适合的计算范式。它不仅仅是一本参考书，更像是一本可以陪伴工程师职业生涯成长的工具书，随着经验的积累，对书中不同章节的理解深度也会随之变化。这本书的知识密度非常高，我需要反复阅读才能完全消化其中的精髓，这恰恰证明了其内容的含金量和思想的深度。

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这本书的封面设计确实很吸引人，那种深沉的蓝色调，配上精细的岩石纹理插图，立刻就能让人感受到内容的专业性和深度。我是在一次学术会议后被推荐这本书的，当时我正在为我的博士论文寻找可靠的数值模拟方法，特别是针对复杂岩体结构的行为预测。翻开目录，第一眼就被“多尺度分析”和“非连续介质模型”这些章节吸引住了。作者在引言中对当前岩体工程中面临的挑战，尤其是传统连续介质模型失效的边界条件，进行了非常到位的梳理。这本书的结构安排很合理，从基础的本构关系到高级的数值实现，循序渐进。我特别欣赏它在理论推导过程中对数学严谨性的坚持，每一个公式的引入都有清晰的物理背景支撑，而不是空洞的数学堆砌。特别是关于有限元法在岩土工程中应用的章节，它不仅讲解了传统的单元类型，还深入探讨了接触面、裂隙等不连续面的处理技术，这对于我后续进行边坡稳定性分析至关重要。这本书无疑是为那些需要深入理解岩土力学数值模拟核心机理的工程师和研究人员准备的，它提供的不仅仅是“工具箱”，更是“工具制造原理”。读完前几章，我已经对如何优化我的模拟参数有了更清晰的思路。

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