由于大型水利水電、能源開采、深部巖石、核廢料處置、CO2地質封存等工程發(fā)展的需求，復雜賦存環(huán)境下巖土體的多相多場耦合和滲流變形分析已成為巖土力學領域的熱點問題。本書關于巖土體水力耦合分析面臨的非連續(xù)表征、多相多場耦合模擬及復雜非均質特性模擬三個主要難點問題。首先，本書引入數值流形方法(NMM)，基于NMM特有的多重覆蓋和切割技術表征巖土體非連續(xù)面，給出處理大量土石體裂紋的技術基礎。其次，基于NMM空間解構造技術，給出非閉鎖多場NMM函數空間構造方法。最后，引入多尺度概念，建立多尺度NMM，給出從宏觀統(tǒng)計角度分析土石體滲流變形和水力特性的新方法。
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中國巖石力學與工程學會會員，Engineering Analysis with Boundary Elements審稿人
目錄
前言
第1章緒論1
1.1水力耦合分析數值方法3
1.2水力耦合數值分析研究進展8
1.2.1連續(xù)飽和水力耦合8
1.2.2非連續(xù)飽和水力耦合11
1.2.3非飽和巖土體水力耦合13
1.3本書的主要內容14
第2章彈性不可壓縮問題16
2.1彈性不可壓縮基本方程16
2.2NMM基本概念19
2.2.1覆蓋系統(tǒng)19
2.2.2NMM函數空間21
2.3彈性不可壓縮問題的NMM求解格式24
2.4數值算例26
2.4.1自由端受剪切力作用的懸臂梁27
2.4.2帶圓孔的無限大板30
2.4.3Cook梁33
2.4.4頂壁驅動腔體問題34
2.5上下限數值測試36
2.6本章小結39
第3章飽和連續(xù)巖土體水力耦合問題40
3.1動力固結基本控制方程40
3.2u-w-p格式水力耦合分析空間域NMM離散43
3.3時間離散時間域Newmark離散45
3.3.1離散格式46
3.3.2NMM框架下的質量矩陣集中化48
3.3.3能量平衡條件49
3.4數值算例50
iv水力耦合模擬——數值流形法與多尺度分析
3.4.1受均布壓力作用的半無限大飽和土50
3.4.2受偏斜載荷作用的飽和土基礎56
3.5收斂性測試59
3.6水力耦合模擬中的閉鎖問題61
3.6.1滲透性極小的方形懸臂梁61
3.6.2頂部受壓的飽和黏土邊坡66
3.7本章小結68
第4章飽和非連續(xù)巖土體水力耦合問題69
4.1飽和非連續(xù)水力耦合變分形式69
4.2飽和非連續(xù)巖體水力耦合分析u-w-p格式NMM離散72
4.2.1骨架位移、流體流速和孔隙壓力場的NMM插值函數72
4.2.2位移擴展格式的ND5W5P1模型74
4.3摩擦接觸模型的數值實現(xiàn)75
4.4變分方程的完全離散格式77
4.5數值算例78
4.5.1非連續(xù)飽和巖土體動力固結分析79
4.5.2摩擦接觸模型的有效性82
4.5.3水力載荷作用下飽和巖土體水力耦合分析83
4.5.4水力載荷作用下多裂紋飽和巖土的水力耦合模擬85
4.6飽和巖土體中的波傳遞問題86
4.6.1連續(xù)飽和巖土體87
4.6.2非連續(xù)飽和巖土體90
4.7本章小結92
第5章飽和巖土體水力耦合分析高階NMM方案93
5.1單元T3-MINI-CNS94
5.1.1單元T3-CNS95
5.1.2單元T3-MINI-CNS及u-w-p三相場插值格式98
5.2單元T3-MINI-CNS求解彈性不可壓縮問題100
5.3單元T3-MINI-CNS上下限數值測試102
5.3.1上下限測試103
5.3.2低滲透性方形孔隙介質104
5.3.3頂部受壓的黏土邊坡107
5.4連續(xù)飽和巖土材料動力固結109
5.4.1受均勻分布壓力作用的半無限大飽和土109
5.4.3受偏斜壓力作用的飽和土基礎117
5.5非連續(xù)飽和巖土體水力耦合分析123
5.5.1非連續(xù)飽和巖土體動力固結123
5.5.2摩擦接觸模型的驗證127
5.5.3偏斜壓力作用下的非連續(xù)飽和土基礎128
5.5.4受水力載荷作用巖土體水力耦合分析130
5.5.5非連續(xù)飽和巖土體中的波傳遞133
5.6本章小結135
第6章三維飽和巖土體非線性水力耦合問題137
6.1三變量u-w-p格式Biot模型137
6.2結點處梯度連續(xù)的三維NMM函數空間141
6.2.1H8-CNS-NMM的權函數141
6.2.2H8-CNS-NMM的局部近似142
6.2.3H8-CNS-NMM的整體近似144
6.2.4位移、流速和孔隙壓力場插值144
6.3空間和時間離散145
6.4數值算例147
6.4.1驗證算例：土柱固結148
6.4.2偏斜載荷下孔隙介質的固結157
6.4.3H8-CNS-NMM水力耦合分析的穩(wěn)定性161
6.4.4循環(huán)加載下的土柱固結163
6.4.5偏斜載荷下條形基礎的固結165
6.4.6偏斜載荷下方形基礎的固結170
6.5本章小結174
第7章非飽和巖土體水力耦合問題175
7.1基本控制方程及變分格式175
7.1.1控制方程175
7.1.2變分格式179
7.2基本場變量的NMM離散180
7.3時間離散182
7.4數值算例185
7.4.1砂柱排水185
7.4.2含豎直材料面的飽和土石混合體188
7.4.3含傾斜材料面的飽和土石混合體191
7.4.4偏斜受壓的飽和土石混合體基礎196
vi水力耦合模擬——數值流形法與多尺度分析
7.4.5非飽和土石混合體排水202
7.4.6降雨作用下的土石混合體邊坡205
7.5本章小結214
第8章水力耦合多尺度分析基本理論215
8.1飽和孔隙介質水力耦合方程216
8.2微觀初邊值問題218
8.2.1微觀尺度主變量的多尺度分解218
8.2.2平均梯度219
8.2.3微觀尺度邊界條件施加方法220
8.2.4變分一致性223
8.3宏觀初邊值問題225
8.4宏觀尺度切向算子226
8.5接觸模型227
8.6本章小結229
第9章連續(xù)飽和非均質巖土體水力耦合多尺度分析230
9.1多尺度初邊值問題的離散230
9.1.1微觀尺度初邊值問題離散格式230
9.1.2宏觀尺度初邊值問題離散格式232
9.2宏觀尺度切向算子的計算233
9.2.1線性邊界條件234
9.2.2周期邊界條件235
9.3數值算例238
9.3.1非均質土石材料的固結238
9.3.2偏斜載荷作用下非均勻孔隙介質的固結249
9.3.3沖擊載荷下非均質孔隙介質的動態(tài)響應258
9.4本章小結264
第10章連續(xù)飽和非均質巖土體水力耦合多尺度分析整體求解算法265
10.1水力耦合多尺度分析交錯求解算法266
10.2水力耦合多尺度分析整體求解算法269
10.3交錯求解算法和整體求解算法的比較273
10.4數值算例273
10.4.1飽和非均質土石柱體的固結274
10.4.2飽和非均質土石基礎的固結287
10.5本章小結296
第11章非均質孔隙介質有效水力特性的多尺度評估298
11.1水力耦合多尺度分析宏觀和細觀尺度問題299
11.2等效水力特性評估300
11.3數值算例301
11.3.1等效滲透系數303
11.3.2等效變形模量311
11.3.3等效Biot系數316
11.4本章小結319
第12章非連續(xù)飽和非均質巖土體水力耦合多尺度分析321
12.1細觀尺度初邊值問題321
12.2宏觀尺度初邊值問題322
12.3宏觀尺度接觸模型323
12.4數值算例325
12.4.1驗證算例326
12.4.2液相點載荷作用下的非連續(xù)非均質孔隙介質336
12.4.3含多裂紋的非均質孔隙介質337
12.4.4沖擊載荷作用下的非連續(xù)非均質孔隙介質340
12.5本章小結343
參考文獻344
附錄A361
附錄B363
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