1.内容简介

    岩石是一种复杂材料,峰值后区特性一直是岩石力学界十分关注的问题。本书在前人工作的基础上,对岩石的应力应变全过程曲线分类进行了有益的探讨;应用塑性位势理论,详细推导了对应于不同屈服准则的应力脆性跌落过程塑性流动因子的确定方法,并且给出了非理想脆塑性模型应力脆性跌落过程中产生的非零位移增量的一种简便的近似处理方法;分别对大理岩、红砂岩和花岗岩等几种脆性比较明显的岩石进行了应力脆性跌落系数的试验研究,给出了大理岩和红砂岩的应力脆性跌落系数与围压的关系表达式;应用研制的三维弹脆塑性有限元与无界元耦合分析软件对小湾水电站地下硐室群的围岩稳定性进行了不同屈服条件下的分析,验证了研究成果的有效性和实用性。
    本书可作为土木、水电、桥梁、隧道、岩土力学与工程等工科专业高年级本科生和研究生的教学参考书,亦可供有关科研与工程设计人员参考。

2.前言

    岩石是一种复杂材料,也正是这种复杂性吸引了众多的科学工作者。研究全过程曲线,特别是峰值后区特性一直是岩石力学界十分关注的问题,因为无论在理论上,还是在岩体工程的实践方面,它都具有重要意义。对于大量的岩石工程问题而言,所涉及的岩类脆性性质十分明显,以往进行有限元非线性分析一般采用理想弹脆塑性模型,能够很好地反映脆性非常明显的岩土材料的峰值后区力学特性。然而,对于脆塑性不是那么理想化而软化速率又大到不满足经典塑性理论中对软化速率的限制的脆塑性岩土材料,采用理想弹脆塑性模型分析时必然有一定的误差,且应力坡降越缓,围压越大,误差越明显。为此,在前人工作的基础上,开展在过峰值应力以后的应力跌落过程中,允许应变增量不为零的非理想脆塑性模型研究。
    全书共分9章。第1章绪论,介绍岩石的全过程曲线和岩石的本构模型,综述了有限元脆塑性分析模型的研究意义和现状以及面向对象有限元方法和无界单元方法的研究现状;第2章介绍岩石应力应变全过程曲线以及关于传统岩石分类的讨论,并在介绍新一代电液伺服自适应控制岩石力学试验机及新的试验结果基础上提炼出脆塑性岩石类材料数值模拟的计算模型;第3章在总结和引用前人成果的基础上,介绍岩石的弹脆塑性分析模型以及经典塑性理论对软化材料软化速率的限制,最后阐述了利用塑性位势理论来确定应力跌落的方法以及非理想弹脆塑性分析中应力脆性跌落过程中产生的非零应变增量的处理方法;第4章对几种脆性比较明显的岩石的应力脆性跌落系数进行试验研究,并分别给出大理岩和红砂岩的应力脆性跌落系数与围压的关系表达式,对某一大理岩介质中的地下构筑物进行弹塑性、理想脆塑性和非理想脆塑性三维有限元对比分析;第5章对非线性有限元分析中不同屈服条件进行对比研究,并以空心球壳受内外压问题为例进行了数值分析对比;第6章研究无界单元方法,分别阐述了映射无界元和衰减无界元的基本原理及其形函数的具体构造方法,总结了几种常用的映射无界元和衰减无界元的形函数,而且详细推导了一种简单而又非常实用的无界单元—6节点无界元的形函数和其他相关计算公式;第7章设计了面向对象三维非线性的弹脆塑性有限元分析软件EBPFEM3D,能进行弹塑性或弹脆塑性有限元计算,能较好地模拟脆塑性岩石的力学性能,可考虑开挖卸荷,可模拟岩体中的不连续面,可模拟岩土工程中经常涉及的无限和半无限域问题;第8章应用分析软件对小湾水电站地下硐室群的围岩稳定性采用不同的屈服准则进行了分析,给出了不同屈服准则计算所得的硐室特征部位的位移值和相应于等面积圆的各机组剖面的塑性区域图,验证了研究成果的有效性和实用性;第9章总结了本书的研究内容,并展望了脆塑性岩石破坏后区力学特性研究的未来发展方向。
    本书可作为土木、水电、桥梁、隧道、岩土力学与工程等工科专业高年级本科生和研究生的教学参考书,亦可供有关科研与工程设计人员参考。
    由于作者水平有限,书中难免有错误和疏漏之处,敬请同行、专家和读者批评指正,不胜感激！
    本书编写过程中引用了葛修润院士以及郑宏博士、王水林博士、侯明勋博士、卢允德硕士等师兄弟的研究成果，在此特别致谢！

                                                               史贵才
                                                               常州工学院
                                                               2019年9月

3.目录

1绪论(1)
1.1岩石的全过程曲线与岩石的分类(1)
1.2岩石的本构模型(2)
1.3脆塑性岩体的研究现状(4)
1.4面向对象有限元法的研究现状(7)
1.5无界单元法的研究现状(9)
1.6主要内容(10)
参考文献(11)

2岩石的全过程曲线(21)
2.1岩石的全过程曲线(21)
2.2关于传统岩石分类的讨论(22)
2.2.1关于Ⅱ型全过程曲线的实验条件及存在问题的讨论(24)
2.2.2Ⅱ型全过程曲线违背Ⅱ′yushin公设(25)
2.3新一代电液伺服自适应控制岩石力学试验机及新的试验结果(26)
2.4脆塑性体数值模拟模型(29)
2.5本章小结(31)
参考文献(31)

3脆塑性岩体分析原理(33)
3.1经典塑性理论对软化材料软化速率的限制(33)
3.2应变空间中表述的弹塑性理论(36)
3.3利用塑性位势理论来确定应力跌落(37)
3.4应力脆塑性跌落过程中的位移增量的工程近似处理(44)
3.5算例(44)
3.6本章小结(46)
参考文献(46)

4脆塑性岩石应力脆性跌落系数的试验研究(47)
4.1试验目的(47)
4.2试验设备及试样(48)
4.2.1试验设备(48)
4.2.2试样(49)
4.3试验步骤(51)
4.3.1单轴试验步骤(51)
4.3.2三轴试验步骤(51)
4.4应力脆性跌落系数的试验确定(52)
4.4.1大理岩的应力脆性跌落系数的三轴试验确定(53)
4.4.2红砂岩的应力脆性跌落系数的三轴试验确定(56)
4.4.3花岗岩的应力脆性跌落系数的单轴试验确定(59)
4.4.4小结(60)
4.5本章算例(60)
4.6本章小结(65)
参考文献(65)

5岩土工程常用屈服条件的对比研究(66)
5.1概述(66)
5.2岩土材料的屈服条件(66)
5.2.1莫尔(Mohr)条件的基本思想(66)
5.2.2莫尔库仑(MohrCoulomb)条件(67)
5.2.3德鲁克普拉格(DruckerPrager)条件(69)
5.2.4广义米赛斯条件(69)
5.3用广义Mises屈服条件去逼近莫尔库仑屈服条件的研究(72)
5.3.1理想弹塑性厚壁球壳受内外压问题(72)
5.3.2脆塑性厚壁球壳受内外压问题(77)
5.4本章小结(79)
参考文献(79)

6无界单元法(81)
6.1概述(81)
6.2衰减无界元(82)
6.2.1衰减无界元的基本原理(82)
6.2.2几种常用的衰减无界元模型(85)
6.3映射无界元(87)
6.3.1映射无界元的基本原理(87)
6.3.2几种常用的映射无界元模型(89)
6.46节点三维无界单元(92)
6.4.16节点映射无界元(92)
6.4.26节点三维衰减无界元(95)
6.5算例(96)
6.6无界元在地应力场分析中的应用(99)
6.6.1岩体初始地应力场的有限元分析(99)
6.6.2无界元应用于地应力场分析(108)
参考文献(114)

7脆塑性有限元分析程序设计及其应用(116)
7.1使用面向对象的方法来编写程序的必要性(116)
7.1.1数据结构与算法(116)
7.1.2程序设计语言和传统程序设计方法的局限性(117)
7.2面向对象方法的起源与发展(121)
7.2.1面向对象方法的起源(121)
7.2.2面向对象编程语言的发展(121)
7.3面向对象的程序设计方法的基本思想(122)
7.3.1面向对象认识方法学(122)
7.3.2面向对象的方法的编程思想(123)
7.4面向对象方法的基本概念(123)
7.4.1对象(Object)(124)
7.4.2消息与方法(125)
7.4.3数据抽象(Data Abstraction)(126)
7.4.4类与对象(126)
7.5面向对象程序设计方法的主要特征(127)
7.5.1封装性(127)
7.5.2继承性(127)
7.5.3多态性与动态聚束(128)
7.5.4面向对象方法与结构化方法在概念上的区别(128)
7.6面向对象程序设计的基本过程(129)
7.6.1面向对象软件方法的基本原则(129)
7.6.2面向对象的软件开发模式(129)
7.6.3面向对象的程序设计的基本过程(130)
7.7面向对象有限元程序设计(131)
7.7.1面向对象有限元分析(131)
7.7.2面向对象有限元设计(133)
7.7.3面向对象有限元实现(143)
参考文献(144)

8工程实例(147)
8.1工程概况(147)
8.2主要工程地质概况与岩体力学参数(148)
8.3小湾水电站地下硐室有限元分析(149)
8.3.1计算模型(150)
8.3.2计算结果(152)
8.4本章小结(160)
参考文献(160)

9结论与展望(161)
9.1主要结论及认识(161)
9.2展望(162)

附录(164)
附录1大理岩常规三轴压缩试验应力应变曲线(164)
附录2红砂岩常规三轴压缩试验应力应变曲线(167)
附录3花岗岩单轴压缩试验应力应变曲线(171)