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出版者:科学

作者:何满潮

出品人:

页数:278

译者:

出版时间:2006-4

价格:28.00元

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isbn号码:9787030170903

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《工程地质数值法》：破解地下世界复杂性，引领地质工程新篇章 地下世界，一个充满未知与挑战的领域。从宏伟的地下工程建设到复杂的滑坡灾害预警，再到石油天然气的勘探开发，工程地质学始终扮演着至关重要的角色。然而，地层结构的复杂性、岩土性质的非均质性以及地下水动力过程的动态变化，使得传统的解析方法往往难以精确描述和预测实际工程中的地质力学行为。正是为了应对这些挑战，一门融合了数学、物理学和计算机科学的交叉学科——工程地质数值法应运而生，并正以前所未有的力量，革新着我们认知和改造地下空间的方式。 本书《工程地质数值法》正是基于这一时代背景，深入探讨如何运用数值模拟技术，为复杂的工程地质问题提供严谨、高效且富有洞察力的解决方案。它并非简单罗列软件操作步骤，而是力求从方法论的根基出发，阐释各类数值方法的原理、适用范围、优缺点以及在实际工程中的应用策略，旨在帮助读者构建坚实的理论基础，并掌握解决工程实践中疑难杂症的强大工具。 数值法的基石：从离散到逼近的数学智慧 数值法的核心在于将连续的物理过程离散化，并利用数学模型进行逼近。本书将带领读者循序渐进地理解这一核心理念。 有限差分法 (Finite Difference Method, FDM): 作为最早发展起来的数值方法之一，有限差分法以其直观易懂的特点，在描述简单几何形状和均匀介质的边值问题方面展现出优势。本书将详细阐述其基本原理，即用差商代替偏导数，并结合工程地质中的热传导、渗流等问题，演示如何构建和求解有限差分方程组。我们将深入探讨网格划分、边界条件处理以及稳定性与收敛性分析等关键技术，帮助读者理解其在均匀介质或规则几何区域内的应用场景。 有限元法 (Finite Element Method, FEM): 有限元法是当今工程领域应用最广泛的数值方法之一，其强大的几何适应性和处理复杂边界条件的能力，使其在地质工程中大放异彩。本书将系统介绍有限元法的核心思想：将复杂的连续区域划分为一系列小的、形状简单的单元，在每个单元内用基函数近似求解域方程，再将所有单元的方程组装成整体方程进行求解。我们将深入剖析节点、单元、形函数、质量矩阵、刚度矩阵以及弱形式的建立等关键概念，并结合地应力分析、边坡稳定、隧道衬砌受力等典型工程地质问题，展示有限元法如何处理非均匀介质、复杂边界以及多物理场耦合的难题。本书还会着重讲解不同类型的单元（如杆单元、梁单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元、六面体单元等）的选择与应用，以及在实际操作中需要注意的网格质量和节点连接问题。 边界元法 (Boundary Element Method, BEM): 相比于有限元法需要对整个区域进行离散，边界元法仅需对求解区域的边界进行离散，这在处理无限域问题、求解集中力作用下的应力分布等方面具有显著优势。本书将介绍边界元法的基本原理，即利用格林函数将区域内的微分方程转化为边界上的积分方程，并通过数值求解边界上的未知量来获得整个区域的解。我们将探讨其在岩体裂隙渗透、桩基沉降分析等问题中的应用，并对比其与有限元法的优劣，帮助读者选择最适合特定工程问题的数值方法。 其他数值方法: 除了上述三大主流方法，本书还将简要介绍其他在工程地质领域具有应用潜力的数值方法，例如： 离散元法 (Discrete Element Method, DEM): 专门用于模拟岩体、土体中颗粒材料的变形与破坏，尤其适用于分析破碎岩体、边坡失稳、隧道塌方等问题。本书将阐述其基于牛顿运动方程和接触力学原理的模拟机制，以及在处理宏观颗粒力学行为中的独特优势。 光滑粒子动力学法 (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH): 一种无网格拉格朗日方法，适用于模拟大变形、自由面流动以及流固耦合等问题，在模拟滑坡、泥石流、水库溃坝等灾害场景中具有潜力。 多尺度数值方法: 随着计算能力的提升，多尺度数值方法，即同时考虑不同尺度下的物理过程，正变得越来越重要。本书将探讨如何将宏观模型与微观模型相结合，以更精确地描述岩土体在不同尺度下的力学行为。 核心应用领域：解锁地下工程的密码 本书《工程地质数值法》并非纸上谈兵，而是紧密围绕工程地质学的核心应用领域，通过大量的理论推导和算例分析，展示数值法的强大威力。 岩体稳定性分析: 边坡稳定性: 边坡失稳是常见的地质灾害。本书将通过有限元法和离散元法，模拟不同地质条件、荷载和降雨作用下边坡的应力分布、变形过程以及潜在的滑动面，为边坡加固和预警提供科学依据。我们将深入探讨边坡稳定性安全系数的计算方法，以及如何通过数值模拟优化支护结构的设计。 隧道与地下洞室: 隧道开挖引起的围岩变形、应力重分布以及衬砌的受力情况，是隧道工程设计的关键。本书将利用有限元法，模拟不同围岩级别、开挖方法和支护参数下的隧道变形和应力场，以及衬砌的内力分布，为隧道安全穿越提供技术支持。我们将特别关注隧道穿越复杂地层（如断层、软弱夹层）时的数值模拟策略，以及如何考虑地下水对隧道稳定性的影响。 基坑工程: 基坑开挖对周边环境和地下结构有着重要影响。本书将应用有限元法，模拟基坑开挖过程中的土体变形、支护结构的内力以及对周边建筑物的影响，为基坑设计和施工提供指导。我们将深入分析不同支撑方式、止水帷幕设计对基坑稳定性的影响。 地下水渗流与污染物运移: 地下水渗流规律: 地下水是影响工程安全的重要因素。本书将利用有限元法和有限差分法，模拟地下水在复杂地层中的渗流规律，计算渗流量、地下水位分布以及滲压，为水文地质评价、地下工程防排水设计提供依据。我们将重点分析不同含水层渗透系数、地下水边界条件对渗流场的影响。 污染物运移模拟: 污染物在地下的迁移扩散可能对环境造成长期影响。本书将介绍如何利用数值方法模拟污染物在地下介质中的对流、扩散过程，预测污染羽的扩展范围和浓度分布，为地下水污染治理提供决策支持。我们将探讨多孔介质的有效渗透率、扩散系数以及非均质性对污染物运移的影响。 岩土体动力响应与地震工程: 场地动力特性分析: 地震作用下地层的动力响应直接影响建筑物的抗震性能。本书将介绍如何利用数值方法模拟地层的动应力-应变关系，计算场地放大系数、反应谱等，为抗震设防提供依据。 地震波传播模拟: 了解地震波在地下的传播规律，对于预测地震影响范围和强度至关重要。本书将介绍如何利用数值方法模拟地震波在地层的传播过程，分析场地对地震动的放大效应。 多物理场耦合问题: 流固耦合: 地下水与岩土体之间的相互作用（如渗流引起的应力变化、变形引起的孔隙水压力变化）是许多工程问题的关键。本书将重点介绍流固耦合数值模拟方法，例如在边坡失稳、隧道衬砌渗漏等问题中的应用。 热-流-固耦合: 在地热开发、核废料储存等领域，岩土体的温度变化、地下水流动以及力学行为之间存在复杂的耦合关系。本书将探讨如何整合不同物理场模型，进行耦合模拟，以更全面地理解这些复杂过程。 高级主题与前沿展望：指引未来发展方向 除了扎实的基础理论和核心应用，本书《工程地质数值法》还将视野投向了数值方法的前沿发展和更高级的应用。 不确定性分析与可靠性评估: 现实工程中的地质参数往往具有不确定性。本书将介绍如何运用概率论和统计学方法，结合数值模拟，进行岩土体参数的不确定性传播分析、失效概率评估以及风险分析，为工程决策提供更可靠的依据。我们将探讨蒙特卡罗模拟、多项式混沌展开等方法在不确定性分析中的应用。 反演分析与参数优化: 通过对实测数据（如变形监测数据、渗流观测数据）进行数值模拟反演，可以反求地质参数，并对模型进行校准和优化。本书将介绍反演分析的基本原理和常用算法，以及其在岩土工程参数识别中的应用。 高性能计算与并行计算: 随着模型规模和复杂度的不断增加，高性能计算和并行计算技术在工程地质数值模拟中扮演着越来越重要的角色。本书将简要介绍这些技术如何加速计算过程，以及在解决大规模工程问题中的潜力。 人工智能与机器学习在数值法中的应用: 人工智能和机器学习技术正逐渐渗透到科学研究的各个领域。本书将探讨如何将这些技术与传统的数值方法相结合，例如用于模型降阶、参数识别、结果预测等方面，为工程地质数值模拟带来新的突破。 本书的价值与读者群体 《工程地质数值法》旨在成为一本内容详实、理论严谨、应用导向的专业书籍。它不仅适合于高等院校相关专业的本科生、研究生作为教材或参考书，也同样适用于在工程地质、岩土工程、水文地质、土木工程等领域工作的工程师、科研人员和技术人员。通过学习本书，读者将能够： 深入理解 各类数值方法的数学原理和物理意义。 掌握 如何根据工程地质问题的特点，选择合适的数值方法和模型。 熟练运用 软件工具进行数值模拟，并对模拟结果进行科学的解读和分析。 提升 解决复杂工程地质问题的能力，为工程设计、施工和灾害预警提供强有力的技术支撑。 洞察 工程地质数值方法的发展趋势和未来方向。 地下世界的奥秘无穷，工程地质的挑战永不止步。本书《工程地质数值法》将是您解锁这些奥秘、迎接这些挑战的坚实伙伴。它将为您提供一把强大的钥匙，去理解、去预测、去驾驭潜藏在地表之下的巨大力量，为人类创造更安全、更可持续的地下空间。

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这本书的封面设计很吸引人，那种略带复古的深蓝色调，配上简洁有力的标题字体，一下子就抓住了我的眼球。翻开扉页，首先映入眼帘的是作者对于这门学科的深刻见解，那种对“工程”与“地质”如何通过“数值”这一桥梁实现完美结合的执着，让人肃然起敬。我原本以为这会是一本晦涩难懂的纯理论书籍，但阅读下来发现，作者的叙事方式极其平易近人。他没有一开始就抛出复杂的数学模型，而是先从实际工程案例入手，比如某个大型隧道工程的地层变形问题，或者边坡失稳的预测分析。这种“问题驱动”的教学方法，极大地激发了我的学习兴趣。书中对于有限元法和有限差分法的基本原理讲解得非常透彻，特别是那些图示，清晰地展示了网格划分和边界条件施加的过程，即便是初学者也能迅速把握核心概念。更让我惊喜的是，作者似乎深谙读者在面对“数值”二字时的畏惧心理，他用了大量的篇幅来解释为什么选择特定的数值方法，而不是简单地堆砌公式，这种对“选择背后的逻辑”的强调，才是真正的高水平教材的体现。我花了整整一个下午，仅仅是在理解其中关于时间步进和稳定性分析的部分，作者的耐心和细致，让原本枯燥的推导过程变得像是在解一个精妙的谜题。

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这本书最让我佩服的一点，在于它对“边界条件设置”这一工程计算的灵魂环节的深度剖析。在工程实践中，我们往往发现，最难确定的不是材料参数，而是如何准确地模拟真实的现场边界条件。这本书并没有回避这个难题，而是用专门的章节来系统地讨论了固定端、自由端、弹性地基和位移控制等不同边界条件的物理含义和数值实现方法。作者特别提到了在模拟深厚地层或广阔岩体时，如何设置“假边界”才能最大限度地减小边界反射误差，并给出了一些经验判据。这种对“现实世界模拟不确定性”的深刻洞察，让这本书远超了一般教材的范畴。它教会的不仅是“如何算”，更是“如何思考”一个工程问题应该被建模。书中还涉及了断裂力学在岩土工程中的初步应用，虽然只是作为一个展望性的内容，但也为读者指明了未来钻研的方向。总而言之，这是一部将严谨的理论、实用的方法论和深刻的工程智慧熔于一炉的杰出著作，对于任何想在岩土工程数值模拟领域深耕的人来说，都是一份不可或缺的宝藏。

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这本书的组织结构简直是教科书级别的典范，逻辑链条严密到令人赞叹。它不是简单地罗列知识点，而是构建了一个完整的知识体系，从基础的地质力学概念出发，逐步过渡到离散化方法，最后才是高级的非线性分析和动荷载响应。我特别欣赏作者在章节衔接上所下的功夫，每次进入一个新主题，都会先回顾上一个主题的关键结论，然后自然地引出当前章节需要解决的新问题，这种“承上启下”的处理方式，使得阅读体验极为流畅，完全没有那种知识点跳跃带来的眩晕感。例如，在介绍地基处理中如何模拟固结沉降时，作者巧妙地将前期学到的渗流理论与应力-应变关系结合起来，展示了多场耦合分析的威力。书中穿插的大量案例分析，都不是那种教科书式的简化模型，而是带有真实工程背景的复杂场景，配有详细的输入参数和输出结果的解读，这对于想将理论应用于实践的工程师来说，简直是无价之宝。我记得有一次，我正在为一个边坡稳定性的项目做准备，书中关于“基于强度折减法的极限平衡判据”的探讨，一下子点亮了我对传统安全系数法的理解盲区，让我明白了数值模拟如何提供更精细化的风险评估路径。这本书的深度和广度，使得它既可以作为专业课程的教材，也可以作为一线工程师的案头参考手册。

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这本书的排版和图表质量，极大地提升了阅读的愉悦感。在专业技术书籍中，清晰的图表往往是理解复杂概念的“第二语言”，而这本书在这方面做得非常出色。所有的截面图、受力分析图、以及数值模拟的结果云图，都采用了高对比度和准确的色彩编码，使得抽象的力学行为具象化。尤其是那些关于地层应力场分布的彩色等值线图，它们直观地展示了地下结构受力集中的区域，这比单纯阅读文字描述要高效得多。我记得有一章专门讲地下水对有效应力的影响，作者用并列的方式展示了“饱和”与“非饱和”状态下应力路径的差异，那几张图表配合得天衣无缝，让我对Biot固结理论的理解瞬间打通任督二脉。即便是那些需要大量矩阵运算的部分，作者也运用了清晰的符号约定和清晰的注释，避免了读者在阅读过程中因混淆下标或变量定义而产生困惑。这表明出版方在制作过程中投入了极大的精力来优化读者的视觉体验，使得长时间的专业阅读也不会感到疲劳。

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我不得不说，这本书在处理复杂数学工具与工程实际的结合上，达到了一个极高的平衡点。很多关于“数值法”的书籍，要么过于偏重数学推导，让人望而却步，要么过于流于应用，对原理一笔带过。而这本《工程地质数值法》则成功地避开了这两个极端。作者在推导过程中，总是能适当地“点到为止”，提供足够的信息让你理解背后的物理意义和数学基础，但绝不纠缠于那些对工程决策帮助不大的纯数学细节。比如，在介绍刚度矩阵的形成时，作者没有像某些教材那样给出冗长的积分推导，而是通过清晰的物理概念——能量等效原理——来构建矩阵，这种“以理服人”的方式，远比单纯的公式堆砌来得有效。此外，书中对数值计算中的“误差控制”和“收敛性判断”的阐述，也体现了作者极强的工程伦理观。他反复强调，数值结果的可靠性远比计算速度更重要，并且给出了多种实用性的检验方法，例如网格加密测试和解耦验证。这不仅仅是一本技术手册，更像是一位经验丰富的导师在耳边细细叮咛，告诫我们如何成为一个负责任的工程计算人员。

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