滑坡研究中的力学方法PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1滑坡的定义、现象与学科定位 1

1.1.1滑坡的定义 1

1.1.2滑坡灾害的基本现象 1

1.1.3研究滑坡灾害的学科定位 1

1.2地质体及其力学特性 2

1.3滑坡体的力学分类 4

1.3.1滑坡介质的材料特性分类 5

1.3.2边界条件的分类 7

1.3.3力学状态分类 8

1.3.4基本方程的分类 8

1.4滑坡灾害防治中的工程问题 9

1.4.1现有地质体稳定性判断方法的适用范围 9

1.4.2 探测地质体力学特性的方法 10

1.4.3滑坡灾害防治的设计依据 10

1.4.4水对滑坡的作用及防治措施 11

1.4.5 滑坡灾害风险评估 12

1.5滑坡灾害防治中的关键力学问题 12

1.5.1强度理论的局限性 12

1.5.2 固体的渐进破坏过程 14

1.5.3连续与非连续模型的耦合 15

1.5.4流体与固体的耦合 15

1.5.5欧拉与拉格朗日坐标系的耦合 16

1.6本章小结 16

参考文献 16

第2章 滑坡灾害防治的方法论 18

2.1钱学森的工程科学思想 18

2.1.1工程科学的定义 18

2.1.2工程科学的工程性与科学性 19

2.1.3工程科学的方法论 22

2.2数值模拟是工程科学的重要组成部分 25

2.3滑坡研究的方法 26

2.4滑坡灾害研究的系统性 29

2.5本章小结 31

参考文献 31

第3章 现阶段滑坡灾害防治的理念与技术框架 32

3.1滑坡的基本特性 32

3.1.1滑坡的特殊性 32

3.1.2滑坡的结构性 33

3.1.3滑坡的动态演化性 34

3.2滑坡演化的五个破坏阶段 34

3.3基于破裂演化原理的工程地质灾害防灾理念 35

3.3.1理念一：将地质灾害成灾过程的预测转化为地质体破坏状态的判断 36

3.3.2理念二：现场监测和数值模拟相结合，建立可测物理量与内部破坏状态之间的联系 38

3.4基于数值模拟的滑坡灾害预警系统技术框架 39

3.5本章小结 42

第4章 滑坡地质勘探方法及与力学分析的相关性 43

4.1踏勘 43

4.1.1地形地貌 43

4.1.2地质构造 45

4.1.3地层岩性 46

4.1.4水文地质条件 46

4.1.5地表地质现象 47

4.2勘探 50

4.2.1地层 50

4.2.2岩体结构 52

4.2.3地下水 54

4.2.4岩性试验 56

4.2.5钻孔取样及土工试验 58

4.2.6 探槽 61

4.2.7大剪试验 62

4.3物探 64

4.3.1地层地震波 64

4.3.2 地质雷达 66

4.3.3电法 66

4.4工程地质报告 67

4.5本章小结 68

参考文献 69

第5章 量纲分析方法及在滑坡防治中的应用 70

5.1量纲分析中的基本概念与定理 70

5.1.1基本概念 70

5.1.2 Ⅱ定理的表述与理解 71

5.1.3斜面上的滑块启动与运动 71

5.2量纲分析的基本方法 76

5.2.1确定因变量 77

5.2.2 确定自变量 77

5.2.3选出主参量，构建无量纲量 78

5.2.4给出无量纲函数的一般表达式 78

5.2.5 利用量纲分析，寻求基本规律 78

5.3量纲分析在滑坡研究中的作用 85

5.3.1量纲分析用于学科定位 85

5.3.2明确研究目标及研究内容 87

5.3.3找出关键问题 87

5.4量纲分析在其他分析方法中的作用 89

5.4.1在室内试验中的重要作用 89

5.4.2量纲分析用于简化基本方程，抽象合理模型 93

5.4.3量纲分析在数值分析中的作用 96

5.5量纲分析在滑坡及防治中的应用案例 102

5.5.1承压水诱发堆积体滑坡试验 102

5.5.2 地震作用下顺层岩质边坡的破坏 104

5.5.3应用量纲分析法建立桩间距的计算模型 105

5.6本章小结 106

第6章 描述滑坡灾害体运动规律的基本方程 107

6.1基于牛顿定律建立的运动方程 107

6.1.1质点及刚体运动的运动方程 108

6.1.2固体介质的基本方程 109

6.1.3流体介质的基本方程 114

6.1.4流体弹塑性 116

6.2基于分析力学建立的运动方程 117

6.2.1质点-刚体运动的运动方程 118

6.2.2固体介质的基本方程 119

6.2.3流体介质的基本方程 120

6.3基于分析力学的连续-非连续介质力学 122

6.3.1拉格朗日坐标系 122

6.3.2欧拉坐标系 122

6.3.3力学问题与描述之间的关系 122

6.3.4新的描述方法 123

6.3.5 连续-非连续介质力学 124

6.3.6 拉格朗日方程用于具体数值方法 126

6.4力学方程表达中的本构关系和强度 126

6.4.1线性弹性本构关系 127

6.4.2塑性本构关系 127

6.4.3莫尔-库仑强度准则 128

6.4.4基于代表性体积单元的本构关系 129

6.5滑坡中常用的数值解法 130

6.5.1有限差分法 130

6.5.2有限单元法 132

6.5.3离散元法 135

6.5.4刚体极限平衡方法 135

6.5.5融合了离散和连续描述的方法 137

6.5.6 各种方法的适用范围 139

6.6本章小结 139

参考文献 140

第7章 应变强度分布本构模型的基本理论 142

7.1地质体的非连续、非均匀特性与两尺度力学模型 143

7.1.1建立两尺度模型的必要性 143

7.1.2宏观尺度模型 143

7.1.3表征元尺度模型 145

7.1.4两尺度模型与材料本构关系之间的关系 146

7.2传统的理论本构模型及存在的问题 146

7.3应变强度分布本构模型的概念和基本假设 147

7.4界面应变强度分布本构 149

7.4.1界面力学行为 149

7.4.2基本概念和假设 149

7.4.3 界面的破裂度与完整度 149

7.4.4界面拉伸破裂度与完整度 150

7.4.5 界面剪切破裂度 150

7.4.6 界面拉剪联合破裂度 151

7.4.7几类常用分布下的破裂度和完整度 152

7.4.8 界面拉伸应力-应变关系破裂度和完整度曲线 155

7.4.9 界面拉伸应力-应变关系 156

7.4.10界面剪切应力-应变关系 158

7.4.11界面在拉剪联合作用下的应力-应变关系 159

7.4.12界面在拉剪联合作用下的应力-应变关系 160

7.5块体应变强度分布本构模型 161

7.5.1微元体均匀破裂损伤模型 161

7.5.2正交各向异性损伤模型 164

7.5.3八面体剪切破裂损伤模型 166

7.5.4三阶段损伤破裂模型 169

7.6 应变强度分布模型的参数确定方法 176

7.6.1试验曲线反演分布参数 176

7.6.2 数值模拟与试验数据联合反演分布参数 178

7.7考虑初始破裂场的应变强度分布模型 180

7.8本章小结 181

参考文献 181

第8章 弹簧元的基本模型与计算方法 184

8.1弹簧元方法的基本概念与理论基础 185

8.1.1探索弹簧元方法的技术途径 185

8.1.2弹簧元方法物理模型及位移模态选取 187

8.1.3弹簧元方法的理论基础及特点 198

8.1.4弹簧元单元的构建及标定步骤 205

8.1.5弹簧元方法的实用性 206

8.2 常应变单元弹簧元模型 206

8.2.1三节点三角形单元 206

8.2.2 四节点四面体单元 209

8.3双线性单元弹簧元模型 212

8.3.1四节点矩形单元 212

8.3.2八节点长方体单元 216

8.3.3任意四节点四边形单元 218

8.4其他单元弹簧元模型 221

8.5 弹簧元的程序实现 223

8.5.1弹簧元求解静力问题的过程 223

8.5.2弹簧元求解线弹性动力问题的过程 224

8.5.3强度准则及人工边界处理 227

8.6弹簧单元法的算例验证 229

8.6.1波场模拟中计算波速的验证 229

8.6.2时空离散对波动模拟的影响测试 229

8.6.3动力吸收边界测试 230

8.7弹簧元结构层 231

8.7.1结构层的概念 231

8.7.2 三棱柱弹簧元结构层 231

8.7.3四面体组合弹簧元结构层 237

8.8本章小结 239

参考文献 239

第9章 地质体破裂及运动全过程计算方法 241

9.1 CDEM数值计算方法 243

9.1.1基本概念及定义 243

9.1.2基本控制方程 245

9.1.3全域动态松弛求解 247

9.1.4时间步长选取 248

9.1.5阻尼系数选取 248

9.2块体边界破裂计算 249

9.2.1离散特征与破裂判断 249

9.2.2接触本构描述 251

9.2.3数值算例 255

9.3块体内部破裂计算 260

9.3.1块体破裂判断 260

9.3.2 裂纹扩展方式 261

9.3.3数值算例 263

9.4 基于应变强度分布的可破裂弹簧元 275

9.4.1弹簧元应变强度分布描述 275

9.4.2弹簧元损伤破裂的实现 278

9.5块体运动破坏过程的接触检测方法 281

9.5.1接触边-半弹簧的概念 282

9.5.2接触边与目标面的几何关系 283

9.5.3接触力的计算 285

9.5.4数值算例 288

9.6本章小结 301

参考文献 303

第10章 裂隙渗流与孔隙渗流的基本模型与方法 305

10.1概述 305

10.1.1滑坡滑动与渗流力学 305

10.1.2渗流诱发滑坡的力学机理 305

10.1.3本章研究内容与技术路线 306

10.2滑坡渗流基本理论与模型 307

10.2.1滑坡渗流物理参数 307

10.2.2滑坡渗流的基本理论 308

10.2.3滑坡渗流物理模型 309

10.2.4滑坡渗流数学模型 310

10.3传统渗流数值求解方法 311

10.3.1孔隙渗流有限单元法 311

10.3.2裂隙渗流有限单元法 314

10.3.3孔隙渗流有限体积法 319

10.4非稳态裂隙流的N-S方程有限差分法 323

10.4.1非稳态裂隙渗流数值模型 324

10.4.2 非稳态裂隙渗流数值方法 325

10.4.3自由表面处理 326

10.4.4边界条件 327

10.4.5算例验证 328

10.5二维孔隙渗流弹簧元法 332

10.5.1基本原理 332

10.5.2算例验证 336

10.6孔隙-裂隙耦合渗流中心型有限体积法 339

10.6.1基本原理 340

10.6.2算例验证 344

10.7基于CDEM的渗流-应力-破裂耦合模型与求解 349

10.7.1渗流场计算模型 349

10.7.2 应力场与破裂场计算模型 351

10.7.3渗流-应力耦合模型 352

10.7.4孔隙-裂隙渗流耦合模型 353

10.7.5 算例研究 354

10.8本章小结 362

参考文献 364

第11章 滑坡试验及现场监测方法研究 369

11.1基于等应力边界加载的土石混合体三轴试验 370

11.2滑坡物理模型试验系统 373

11.2.1滑坡平台起降控制系统 374

11.2.2 滑坡平台水动力诱发系统 375

11.2.3滑坡平台多物理量测量系统 375

11.2.4不同类型滑坡机理研究 376

11.2.5案例分析 378

11.2.6小结 381

11.3土石混合体原位剪切试验系统 381

11.3.1实施效果 382

11.3.2数值计算结果对比 382

11.4基于物联网的滑坡监测系统 385

11.4.1传感器子系统 385

11.4.2数据采集及传输子系统 387

11.4.3监测数据管理子系统 389

11.5典型滑坡监测预警应用案例 392

11.5.1唐家山堰塞湖坝体变形应急监测 392

11.5.2三峡库区凉水井滑坡应急监测预警 393

11.6本章小结 395

参考文献 395

第12章 滑坡灾害的评价方法 397

12.1基于破裂度的滑坡危险性评价方法 398

12.1.1地裂缝的基本表象与数值模拟中的破裂面积 399

12.1.2灾变破裂面积与破裂度 399

12.1.3破裂度与强度参数之间的关系 400

12.1.4凝聚力对地表破裂度与滑面破裂度的影响 402

12.1.5破裂度与滑坡稳定性之间的关系 404

12.1.6复杂条件下的破裂度演化规律 404

12.1.7破裂度计算的网格依赖性 409

12.1.8基于破裂度的滑坡危险性评价方法计算步骤 409

12.1.9破裂度在凉水井滑坡中的应用 410

12.1.10破裂度评价方法与安全系数之间的关系 412

12.2基于地表位移和裂缝的滑坡参数及内部破裂状态反演方法 412

12.2.1地表位移裂缝反演方法的基本概念和分析步骤 413

12.2.2 地表位移裂缝反演方法的可行性验证 413

12.2.3地表位移裂缝反演方法的典型案例分析 414

12.3基于可靠度的滑坡失稳概率分析 418

12.3.1拉丁超立方抽样基本原理 419

12.3.2边坡可靠度分析方法 421

12.3.3典型案例分析 422

12.4本章小结 429

参考文献 429

第13章 地震诱发滑坡灾害的机理与方法 430

13.1地震波及其传播规律 431

13.1.1地震波的分类 431

13.1.2地震应力波在材料交界面处的透反射 432

13.1.3地震应力波在自由表面的反射拉伸作用 437

13.1.4地震诱发边坡失稳破坏的原因及过程 440

13.2地震下边坡稳定性的评价方法 441

13.2.1拟静力法 441

13.2.2 永久位移法 443

13.2.3基于数值模拟的破裂度评价法 444

13.3通过爆炸波模拟地震波的模型试验 447

13.3.1试验原理及方法 447

13.3.2 基于量纲分析的试验模型设计 448

13.3.3顺层边坡的模型试验研究 450

13.3.4 基覆边坡的模型试验研究 460

13.4地震作用下边坡破坏机理及模式的数值分析 466

13.4.1顺层边坡的破坏模式分析 466

13.4.2基覆边坡的破坏模式分析 472

13.4.3断层触发滑坡模式的数值模拟 478

13.5本章小结 487

参考文献 488

第14章 地质灾害预测的工程案例分析 490

14.1武隆鸡尾山滑坡失稳成灾过程再现 490

14.1.1工程概况 490

14.1.2滑源区启动机制数值模拟研究 494

14.1.3高速远程运动特征数值模拟研究 504

14.1.4结论 507

14.2库水涨落及降雨对云阳凉水井滑坡的影响 507

14.2.1滑坡概况 507

14.2.2工程地质分析 509

14.2.3数值分析内容 510

14.2.4循环库水涨落的影响 510

14.2.5库水涨落及降雨的联合作用 513

14.2.6 不同条件组合下凉水井滑坡的失稳分析 515

14.2.7结论 516

14.3库水涨落及降雨对茅坪滑坡稳定性的影响 517

14.3.1滑坡概况 517

14.3.2 数值分析内容 518

14.3.3滑坡体当前状态的反演 518

14.3.4茅坪滑坡失稳条件分析 526

14.3.5结论 529

14.4动态开采对白音华露天矿边坡稳定性的影响 529

14.4.1工程地质概况 529

14.4.2数值分析内容 530

14.4.3不同开采深度对边坡稳定性的影响 531

14.4.4不同弱层暴露宽度对边坡稳定性的影响 534

14.4.5结论 536

14.5锡林浩特胜利东二矿的破坏模式及破坏机理分析 537

14.5.1工程概况 537

14.5.2数值分析的目的及方案 539

14.5.3数值分析过程及结果 540

14.5.4结论 542

14.6强震作用下唐家山顺层滑坡失稳过程再现 542

14.6.1工程地质概况 542

14.6.2计算模型及参数 543

14.6.3计算结果分析 544

14.7地震作用下涪陵五中滑坡的稳定性分析 544

14.7.1滑坡概况 544

14.7.2数值分析内容 546

14.7.3滑移过程再现 546

14.7.4治理后边坡的静力稳定性分析 549

14.7.5治理后边坡的地震稳定性分析 551

14.7.6结论 556

14.8本章小结 557

参考文献 557

附录 组成无量纲量的方法 558

索引 561