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滑坡研究中的力学方法 版权信息
- ISBN：9787030526748
- 条形码：9787030526748 ; 978-7-03-052674-8
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
滑坡研究中的力学方法 本书特色
本书作者从事多年滑坡研究，针对滑坡灾害评价、预警中的问题，开展力学方法研究，形成了滑坡灾害评价、预警新的理论体系，并在若干重大工程案例中应用和验证。本书的主要内容包括：滑坡灾害需要解决的工程问题及科学难题，钱学森工程科学思想的核心内容以及基于数值模拟方法的滑坡灾害研究的理论框架；几类地质踏勘的主要目的与力学分析需求之间的关系，量纲分析在滑坡研究中的作用；滑坡研究的基本方程及相应数值方法可描述的问题及适用范围，特别是，将拉格朗日方程应用于连续—非连续介质理论模型；集本构关系与强度准则于一体的新的本构模型——应变强度分布本构模型；适合连续—非连续计算且有更高精度的弹簧元方法及应用；论述并实践了新的裂隙与孔隙渗流耦合计算模型、单元破裂模型、散体碰撞检测算法以及应力场、渗流场、破裂场耦合算法；给出了基于数值模拟与破裂度理论的滑坡灾害评价与预警理论体系，并应用相关理论进行了典型工程案例分析。
滑坡研究中的力学方法 内容简介
本书作者从事多年滑坡研究，针对滑坡灾害评价、预警中的问题，开展力学方法研究，形成了滑坡灾害评价、预警新的理论体系，并在若干重大工程案例中应用和验证。本书的主要内容包括：滑坡灾害需要解决的工程问题及科学难题，钱学森工程科学思想的核心内容以及基于数值模拟方法的滑坡灾害研究的理论框架；几类地质踏勘的主要目的与力学分析需求之间的关系，量纲分析在滑坡研究中的作用；滑坡研究的基本方程及相应数值方法可描述的问题及适用范围，特别是，将拉格朗日方程应用于连续—非连续介质理论模型；集本构关系与强度准则于一体的新的本构模型——应变强度分布本构模型；适合连续—非连续计算且有更高精度的弹簧元方法及应用；论述并实践了新的裂隙与孔隙渗流耦合计算模型、单元破裂模型、散体碰撞检测算法以及应力场、渗流场、破裂场耦合算法；给出了基于数值模拟与破裂度理论的滑坡灾害评价与预警理论体系，并应用相关理论进行了典型工程案例分析。
滑坡研究中的力学方法 目录
目录
序一
序二
前言目录
序一
序二
前言
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
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
序一
序二
前言目录
序一
序二
前言
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
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
展开全部
滑坡研究中的力学方法 作者简介
李世海，男，1958年生，中国科学院力学研究所研究员、中国科学院大学岗位教授，博士生导师，973项目首席科学家，中国岩石力学与工程学会常务理事，中国爆破工程协会理事。主要从事地质体渐进破坏过程的理论乖和数值分析方法研究，提出了用于评价地质体材料损伤状态的应变强度分布准则、评价地质体破裂状态的单元破裂算法、分析滑坡体当前状态的破裂度评价体系，以及基于拉格朗日方程的广义单元法，带领团队发展了具有独立知识产权的连续-非连续单元法（CDEM）系列软件，相应的CPU+GPU力学软件将单机版CPU软件计算速度提高了两个量级，已经服务于数十家国内高校、科研单位，参与滑坡、水电、矿山重大工程难题项目咨询。近五年发表学术论文65篇，其中SCI/EI收录27篇，授权发明专利及软件著作权22项。
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