岩石物理与本构理论PDF电子书下载

绪论 1

0.1 发展多孔岩土材料本构理论的重要性和迫切性 1

0.2 与其他学科的关系 3

0.3 发展历史及研究动向 4

第1章 岩土本构理论相关基础 6

1.1 应变与应变张量 6

1.2 应力张量与运动方程 8

1.3 偏应力张量与偏应变张量 9

1.4 主应力空间与π平面 12

1.5 一般力学分析体系 14

1.6 本构关系的一般理论 15

参考文献 17

第2章 多孔岩土材料的实验研究 18

2.1 岩石的典型实验及相关讨论 18

2.1.1 加载路径与岩石力学实验 18

2.1.2 单轴压缩的控制条件及Ⅱ型全过程线的获得 19

2.1.3 Ⅱ型全过程线的存在性与岩石材料的结构性 21

2.1.4 等围压三轴压缩实验与岩石强度准则 24

2.2 多孔岩土介质的结构特性实验研究 28

2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）镜下观察 28

2.2.2 CT扫描技术 29

2.2.3 压汞法与孔隙度测定谱 32

2.3 高孔隙度岩石局部变形带的野外证据和实验研究 33

2.3.1 高孔隙度岩石局部变形带的野外证据 34

2.3.2 高孔隙度岩石压缩带实验研究结果 39

2.3.3 高孔隙度岩石中的孔洞崩塌 46

2.3.4 高孔隙度岩石中压缩带的传播 50

2.4 土体中的压缩实验 53

2.4.1 侧限压缩实验 53

2.4.2 土体中的常规三轴压缩实验（σ1≥σ2＝σ3） 54

2.5 小结 56

参考文献 56

第3章 岩土材料非线性弹性本构模型 60

3.1 一般弹性 60

3.2 非线性弹性分析方法 65

3.3 岩土介质中典型非线性弹性分析 67

3.3.1 E-v弹性模型（双曲线模型） 68

3.3.2 K-G弹性模型 73

3.3.3 非线性的变弹性体模型 75

3.3.4 变模量模型 79

3.4 双曲线模型用于岩土材料的非线性弹性分析 89

3.4.1 双曲线模型用于饱和砂土 89

3.4.2 双曲线模型用于岩土体的各向异性研究 93

参考文献 99

第4章 岩土材料塑性模型 102

4.1 流动法则与增量型本构关系 102

4.1.1 塑性应变增量 102

4.1.2 流动法则 103

4.1.3 屈服面与硬化模型 105

4.1.4 增量型本构描述 106

4.2 加、卸载条件 111

4.3 常用屈服面模型 111

4.3.1 Tresca屈服面 112

4.3.2 Mises屈服面 112

4.3.3 Mohr-Coulomb屈服面 113

4.3.4 Drucker-Prager屈服面 115

4.3.5 Hoek-Brown屈服面 117

4.4 岩土介质中的帽盖模型 118

4.4.1 剑桥模型 118

4.4.2 K-W模型 131

4.4.3 L-D模型 132

4.4.4 Rowe剪胀模型 135

4.4.5 几个帽盖模型实例 137

4.5 岩土介质屈服模型的统一形式 143

4.6 岩土介质塑性理论的数值计算 146

4.6.1 半径回归法 146

4.6.2 严格的增量型本构算法 149

4.6.3 软化材料的计算 150

4.7 岩石的非相关联黏塑性本构模型 152

4.7.1 实验结果 153

4.7.2 本构方程 156

4.7.3 与实验结果的比较 160

4.8 土的弹黏塑性本构模型的发展 163

4.8.1 天然软黏土的力学特征 164

4.8.2 研究进展 165

4.8.3 弹黏塑性本构模型及验证 166

4.9 屈服面理论模型的发展 176

4.9.1 多重屈服面的发展 176

4.9.2 非等向硬化（软化）模型 179

4.9.3 基于多机制概念的塑性模型 180

4.9.4 结构性岩土介质的数学模型 181

4.10 无屈服面的塑性模型 187

4.10.1 基于塑性耗散能的本构关系 187

4.10.2 无屈服面黏塑性模型 189

4.11 岩石结构面的弹塑性本构关系 191

4.11.1 岩石结构面的本构关系 191

4.11.2 模型参数 195

4.11.3 模型验证 199

4.12 小结 205

参考文献 205

第5章 多孔岩土材料塑性理论及其应用 213

5.1 多孔岩土材料的屈服面模型 213

5.1.1 Gurson屈服面模型 213

5.1.2 Gurson-Tvergaard-Needleman模型 218

5.1.3 孔隙介质屈服面模型小结 219

5.2 多孔岩土材料的MSDPu屈服模型 226

5.3 多孔岩土模型应用：从剪切包络线向帽盖的光滑过渡 234

5.4 多孔岩土塑性理论用于局部化变形带的研究 238

5.4.1 高孔岩石的典型应力-应变关系曲线 238

5.4.2 压缩带和剪切带与帽盖模型的关系 239

5.4.3 高孔岩石中压缩带、剪切带和膨胀带的形成条件 241

5.4.4 高孔隙度岩石局部变形带的简化模型 251

5.4.5 脆性岩石膨胀性态的理论模型 258

参考文献 265

附件 5.3节计算程序 271

第6章 岩土材料内变量理论 273

6.1 状态量和内变量 273

6.2 热力学定律与熵不等式 274

6.2.1 热力学第一定律与连续介质能量方程 274

6.2.2 熵不等式 275

6.3 内变量理论 276

6.4 损伤内变量理论 278

6.4.1 损伤研究概述 278

6.4.2 弹性损伤和弹塑性损伤 279

6.4.3 弹脆性损伤理论 283

6.4.4 弹塑性损伤理论 286

6.5 损伤变量 290

6.5.1 损伤变量的宏观研究方法 290

6.5.2 损伤变量的细微观研究方法 294

6.6 基于微裂纹分析的脆性地质材料连续损伤模型 301

6.6.1 模型的提出 302

6.6.2 基于微裂纹的连续损伤模型 303

6.6.3 应用 307

6.7 脆性材料的微破裂模型 312

6.8 微损伤系统的演化模型 317

6.8.1 一维相空间确定性扩展理想微损伤系统 317

6.8.2 多维相空间微损伤系统的统计演化 319

6.8.3 微损伤系统用于动态损伤分析 321

6.9 脆性材料中微裂纹破裂的传播 323

6.10 孔洞的动态延性生长 324

6.11 损伤累积效应 328

6.12 内蕴时本构理论 329

6.12.1 Valanis内蕴时本构理论 329

6.12.2 Bazant内蕴时本构理论 330

参考文献 331

第7章 岩土中的应力波传播及动态实验 338

7.1 应力波的基本概念 338

7.1.1 应力扰动的传播 338

7.1.2 间断波和连续波 338

7.2 波阵面的分析 341

7.2.1 波阵面质量守恒条件 341

7.2.2 波阵面动量守恒条件 342

7.2.3 波阵面能量守恒条件 343

7.2.4 波速 343

7.3 冲击波的性质 344

7.3.1 冲击波形成的条件 344

7.3.2 冲击绝热过程 345

7.4 介质的波阻抗和动态响应 350

7.5 波阵面运动的描述 351

7.5.1 空间坐标 352

7.5.2 物质坐标 353

7.6 物质坐标中连续波的控制微分方程组 355

7.6.1 物质坐标中的质量守恒定律 356

4.6.2 物质坐标中的运动方程：动量守恒 356

4.6.3 物质坐标中的能量守恒 357

7.7 动态本构的实验研究以及冲击波的静态和动态响应模型 358

7.7.1 实验方法 359

7.7.2 拉格朗日分析方法的计算理论 363

7.7.3 波形特征分析 364

7.7.4 实验结果分析 365

7.7.5 干燥的Kayenta砂岩的静力和动力响应模型 370

7.8 状态方程与本构关系 378

7.8.1 固体中的状态方程和应力-应变关系 378

7.8.2 常见的高压状态方程 379

7.9 脆性材料压剪联合冲击特性 382

7.9.1 脆性材料压剪联合冲击实验与S波跟踪技术 382

7.9.2 水泥基复合材料压剪联合冲击性能 388

7.9.3 岩盐压剪联合冲击性能 395

参考文献 399

第8章 脆性材料动力学特性研究 402

8.1 高应变率加载下土壤的压缩性能：黏塑性帽盖模型 402

8.1.1 黏塑性帽盖模型 402

8.1.2 算法 404

8.1.3 模型验证 406

8.1.4 爆炸实验的数值模拟 408

8.2 混凝土的冲击特性描述：动态帽盖模型 412

8.2.1 概述 412

8.2.2 率相关的经验型帽盖模型 413

8.2.3 强冲击特性的多组分模型 415

8.3 爆炸载荷下混凝土材料动态损伤描述 419

8.3.1 混凝土的断裂和连续损伤模型 420

8.3.2 模拟结果 422

8.4 行星和地核动态冲击性能研究 425

8.4.1 对地球和行星的现有认识 425

8.4.2 冲击波数据在限定地球构造方面的作用 427

8.4.3 吉林球粒陨石与南丹铁陨石状态方程和对地幔地核构造的贡献 440

8.4.4 陨石与其他高速体对行星（含地球）表面的碰撞 446

参考文献 449

第9章 多孔材料动力学模型研究 455

9.1 基于Gurson-Tvergaard-Needleman模型的动力学分析 455

9.1.1 本构关系 455

9.1.2 柱状孔洞模型分析 457

9.2 Carrol-Holt模型及动态孔洞崩塌分析 460

9.2.1 Carrol-Holt模型 460

9.2.2 孔洞崩塌分析 464

9.3 孔隙介质中的弹塑性波 468

9.3.1 弹塑性孔隙介质的数学模型 468

9.3.2 压力作用下孔隙介质响应 468

9.3.3 压剪作用下孔隙介质响应 469

9.3.4 一维流动 471

9.4 脆性多孔介质动态孔洞崩塌模拟分析 473

9.4.1 基于细观动力学的离散元方法简介 474

9.4.2 脆性孔洞材料孔洞崩塌模拟分析 476

9.4.3 含随机分布的孔洞和裂纹共同作用时脆性材料崩塌模拟分析 479

参考文献 481

第10章 岩土材料连续和离散模型模拟分析 484

10.1 颗粒材料的细观力学模型及其本构方程 484

10.1.1 物理力学基础 484

10.1.2 Nemat-Nasser系统的主要关系 485

10.2 颗粒状孔隙介质破坏演化的广义颗粒流模型 487

10.2.1 理论-联结粒子模型 487

10.2.2 力-位移关系 488

10.2.3 接触本构关系 489

10.2.4 运动法则 490

10.2.5 颗粒的破碎 490

10.2.6 模型建立 492

10.2.7 数值化阻尼与衰减关系 493

10.2.8 颗粒联结模型 493

10.2.9 实际应用的验证及合理性 495

10.2.10 Lac du Bonnet花岗岩模型中剪切断裂的演化 499

10.2.11 Westerly花岗岩中剪切断裂的演化 502

10.3 颗粒离散模型用于脆性材料动态响应的研究 505

10.3.1 石英砂压缩性能研究的多尺度模型 505

10.3.2 石英砂动态压缩性能模拟 513

10.4 颗粒离散模型用于混凝土材料层裂特性研究 519

10.4.1 混凝土层裂实验 519

10.4.2 实验结果 520

10.4.3 数值分析 521

10.4.4 水泥层裂现象的数值模拟 524

10.5 固液混合物在颗粒接触范畴的本构关系 527

10.5.1 模型的提出 527

10.5.2 公式 529

10.5.3 宏观本构关系作为接触函数的推导 533

10.5.4 宏观本构关系作为接触函数？ij的固-液混合物的结构依赖性 535

10.5.5 讨论 541

10.6 岩石断裂破坏的水流、应力和损伤（FSD）耦合模型分析方法 543

10.6.1 水流-应力-损伤耦合模型 544

10.6.2 用RFPA2D源程序进行FSD模型的数值计算 547

10.6.3 模型验证的实例及探讨 547

10.7 脆性变形状态下多孔颗粒岩石力学行为的孔隙裂纹模型 553

10.7.1 模型的提出 553

10.7.2 孔隙裂纹模型 554

10.7.3 砂岩的实验与理论的比较 559

10.8 节理岩块在动态循环加载作用下的力学特性和疲劳损伤模型 566

10.8.1 非贯通节理岩体模型实验 566

10.8.2 节理岩体的动态强度特性 567

10.8.3 非贯通节理岩体的疲劳损伤模型 568

参考文献 571

第11章 岩土本构模型的工程应用 580

11.1 盐岩蠕变本构方程与核废料长期储存的预测 580

11.1.1 概述 580

11.1.2 实验方案的选取 582

11.1.3 盐岩的蠕变实验：标本的制备及实验设备 584

11.1.4 盐岩的蠕变实验结果 585

11.1.5 描写蠕变的方程 586

11.1.6 变形机制描述 589

11.1.7 由蠕变本构方程预测盐岩的温度、压力和应变速率 591

11.1.8 天然盐岩作为废料仓库的性状随深度变化 593

11.2 节理岩体连续介质和离散元模型 596

11.2.1 节理岩体中温度-水流-变形耦合过程的一般处理 596

11.2.2 离散元法：独立单元法 598

11.2.3 节理岩体变形-水流过程的连续介质描述 604

11.2.4 节理岩体中水流-温度-力学变形耦合过程的连续介质和离散单元法比较 607

11.3 核废料储存中岩体温度场-渗流场-力学场和化学场的耦合分析模型 611

11.3.1 核素迁移研究概况 612

11.3.2 现场岩体中四项耦合效应行为 614

11.3.3 四项耦合过程的时间和空间尺度 615

11.4 寒区温度-渗流-应力-损伤耦合模型 616

11.4.1 岩体冻融循环对工程建设的危害 617

11.4.2 低温条件下岩土介质物理力学特性研究 618

11.4.3 冻岩冻融过程热力学特性研究 622

11.4.4 冻岩冻融过程渗流特性研究 623

11.4.5 冻岩水、热、力耦合特性研究 626

11.4.6 寒区隧道温度-渗流-应力-损伤耦合模型 630

11.4.7 小结 636

11.5 地震和摩擦的本构定律 636

11.5.1 岩石摩擦的本构定律 637

11.5.2 地震耦合与地震类型 643

11.5.3 摩擦律的复杂性及地震机理研究中未解决的问题 646

11.6 岩质边坡稳定性及其地质力学模型：滑坡动力分析模型 648

11.6.1 滑坡动力分析的研究现状 650

11.6.2 滑坡动力分析研究方法 656

11.6.3 滑坡动力数值模式 657

11.6.4 最佳整治方案的滑坡动力分析 664

11.6.5 关于滑坡研究 671

参考文献 674