《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書：高堆石壩變形宏細觀機制與數(shù)值模擬》以高堆石壩變形宏細觀機制與全過程控制為主題，重點闡述高堆石壩變形宏細觀機制與全過程控制理論與方法，提出堆石體材料細觀結(jié)構(gòu)特征的精細化描述方法、細觀變形演化過程的組構(gòu)分析方法、考慮細觀劣化效應(yīng)的堆石體材料宏觀演化模型、堆石體細觀隨機顆粒不連續(xù)變形分析方法、基于連續(xù)-離散耦合的堆石顆粒體破碎和細觀流變數(shù)值模擬技術(shù)、堆石料縮尺效應(yīng)的細觀機理以及基于流固耦合效應(yīng)的心墻堆石料細觀變形模擬方法，建立了高堆石壩結(jié)構(gòu)變形分析的大型FEM/DEM耦合數(shù)值分析平臺，依托高堆石壩工程，從堆石體材料的結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)性能和工程特性等多角度提出了高堆石壩全過程動態(tài)預(yù)測與反饋分析相結(jié)合的變形預(yù)測和控制方法。在論述高堆石壩變形宏細觀機制與全過程控制及數(shù)值模擬方面，既以作者及團隊的研究成果為主，又力圖兼顧國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與主要成果。
《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書：高堆石壩變形宏細觀機制與數(shù)值模擬》適用于水利、水電、巖土等行業(yè)從事水工結(jié)構(gòu)和巖土力學(xué)的科研人員使用，也可作為高等院校和科研院所相關(guān)專業(yè)的研究生教學(xué)用書。
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我國是當今世界高壩建設(shè)的中心，堆石壩具有取材方便、地形適應(yīng)性強等優(yōu)點，是三大主流壩型之一。目前在建和擬建壩高超過200m的堆石壩已達數(shù)十座，超出了現(xiàn)行規(guī)范的適用范圍。對筑壩顆粒材料的力學(xué)特性認識不足已成為制約堆石壩建設(shè)和顆粒力學(xué)發(fā)展的瓶頸。2009年，美國科學(xué)院認為“顆粒力學(xué)”是未來10年力學(xué)面對的重大挑戰(zhàn)，2014年中國科學(xué)院將它列為力學(xué)學(xué)科的6個基礎(chǔ)與前沿領(lǐng)域之一。因此，開展高堆石壩筑壩顆粒材料力學(xué)特性研究具有重要理論意義和應(yīng)用價值。筆者所在的研究團隊涉及高堆石壩筑壩顆粒材料宏細觀力學(xué)特性等基礎(chǔ)研究問題多年，結(jié)合水布埡、雙江口、茨哈峽等多個重大水電工程，以及國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目“水工結(jié)構(gòu)靜動力性能分析與控制”，國家自然科學(xué)基金面上項目“考慮流變和HM耦合效應(yīng)的高土石壩心墻細觀破壞機理研究”、“高堆石壩流變的細觀組構(gòu)機理研究”，國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)項目“高堆石壩流變模型理論及變形控制研究”，中國工程科技中長期發(fā)展戰(zhàn)略研究聯(lián)合基金項目“300m級面板堆石壩適應(yīng)性及對策研究”，中國水電顧問集團科技攻關(guān)項目“300m級高面板堆石壩安全性及關(guān)鍵技術(shù)研究”，教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃“復(fù)雜條件下堆石體細觀變形機理及宏觀變形調(diào)控方法研究”，高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目“堆石體宏細觀變形演化過程的多尺度力學(xué)模型及數(shù)值模擬”等十余項科研項目。采用理論研究與工程實踐相結(jié)合、細觀機理研究與宏觀等效描述相結(jié)合、數(shù)值模擬與試驗驗證相結(jié)合、大壩施工期變形預(yù)測與運行期的工作性態(tài)評價相結(jié)合、從設(shè)計階段和施工階段到運行階段多種壩體變形控制技術(shù)相結(jié)合以及多學(xué)科交叉的研究方法，圍繞堆石體變形的宏細觀、非線性和全過程等特征，針對堆石體細觀變形機理、堆石壩宏觀變形預(yù)測以及變形控制等關(guān)鍵技術(shù)難題，系統(tǒng)開展了筑壩顆粒材料宏細觀力學(xué)特性、數(shù)值分析方法和全生命周期變形控制研究，建立了基于力學(xué)性能演化規(guī)律和宏細觀變形機制的堆石體變形控制理論。本書是對研究團隊在這一領(lǐng)域系列研究成果的系統(tǒng)介紹和階段總結(jié)。
本書分為8章，第1章介紹堆石壩筑壩顆粒材料的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、研究內(nèi)容及研究方法；第2章論述堆石體材料結(jié)構(gòu)特性的精細化描述與組構(gòu)分析方法；第3章論述堆石體材料的隨機顆粒不連續(xù)變形分析方法；第4、5章論述堆石體應(yīng)力變形細觀數(shù)值模擬方法，包括考慮時間效應(yīng)的堆石體流變數(shù)值模擬和考慮流固耦合效應(yīng)的數(shù)值模擬；第6章論述基于細觀數(shù)值試驗的高堆石壩宏細觀變形機制研究；第7章論述高堆石壩瞬變一流變聯(lián)合反演平臺；第8章論述堆石料縮尺效應(yīng)研究。
作者所在研究團隊的劉杏紅博士、程勇剛博士，以及博士研究生胡超、楊利福、李少林、袁薇、馬幸等提供了部分素材和諸多幫助，并付出了辛勤勞動，在此一并表示衷心感謝。
最后還要感謝國家自然科學(xué)基金委員會、長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院、中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司、中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司、貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院、中國水利水電建設(shè)工程咨詢公司、湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司、國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司、華能瀾滄江水電有限公司等單位在本書的應(yīng)用研究方面所給予的大力支持！
由于作者水平和經(jīng)驗有限，不足之處在所難免，敬請同行和讀者批評指正。
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目錄
《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》序
《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》編者的話
序
前言
第1章緒論1
1.1研究對象及研究意義1
1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4
1.2.1堆石體結(jié)構(gòu)與細觀組構(gòu)模型研究4
1.2.2堆石體細觀力學(xué)特性及細觀變形機理研究5
1.2.3堆石體細觀變形演化過程的數(shù)值模擬方法研究6
1.2.4堆石體流變變形機理研究7
1.2.5堆石體尺寸效應(yīng)研究8
1.3研究內(nèi)容、技術(shù)路線與研究方法9
1.3.1研究內(nèi)容與技術(shù)路線9
1.3.2研究方法11
參考文獻13
第2章堆石體材料結(jié)構(gòu)特性的精細化描述與組構(gòu)分析方法19
2.1堆石體材料結(jié)構(gòu)特性的精細化描述19
2.2堆石體材料顆粒集合體的組構(gòu)分析方法22
2.3加載引起的細觀組構(gòu)演化規(guī)律25
2.3.1配位數(shù)25
2.3.2組構(gòu)各向異性32
2.3.3顆粒空間排列37
2.4小結(jié)40
參考文獻40
第3章堆石體材料的隨機顆粒不連續(xù)變形分析方法42
3.1三維隨機多面體顆粒生成算法42
3.2三維顆粒的接觸檢索44
3.2.1遍歷式接觸檢索算法44
3.2.2基于二叉樹的顆粒接觸檢索算法45
3.2.3基于映射網(wǎng)格的顆粒接觸檢索算法46
3.2.4基于排序的顆粒接觸檢索算法47
3.2.5Munjiza-NBS接觸檢索算法49
3.2.6公共面接觸檢索方法52
3.3連續(xù)-離散耦合分析方法54
3.3.1接觸模型與接觸力分析54
3.3.2可變形顆粒的本構(gòu)模型與節(jié)點力54
3.3.3節(jié)點動力平衡方程55
3.4顆粒破碎的模擬56
3.4.1基于內(nèi)聚力模型的顆粒破碎模擬方法56
3.4.2基于通用巖石劣化模型的顆粒破碎模擬方法59
3.5小結(jié)61
參考文獻61
第4章考慮時間效應(yīng)的堆石體流變變形的細觀數(shù)值模擬方法65
4.1堆石體流變機理與劣化效應(yīng)65
4.2基于黏結(jié)損傷模型的堆石體流變在離散元中的實現(xiàn)67
4.2.1損傷度在離散元中的模擬方法67
4.2.2流變時間的模擬方法71
4.2.3堆石體雙軸流變數(shù)值試驗73
4.3基于顆粒劣化效應(yīng)的堆石體流變在SGDD中的實現(xiàn)79
4.3.1強度劣化模型79
4.3.2流變在SGDD方法中的實現(xiàn)81
4.3.3堆石體三軸流變數(shù)值試驗82
4.4雙江口300m級心墻堆石壩工程實例應(yīng)用86
4.4.1工程概況及研究內(nèi)容86
4.4.2堆石體流變變形機理的組構(gòu)研究成果88
4.4.3計算條件和三維有限元模型88
4.4.4考慮流變效應(yīng)的雙江口應(yīng)力變形分析（E-B模型）90
4.5小結(jié)97
參考文獻97
第5章考慮流固耦合效應(yīng)的堆石體應(yīng)力變形細觀數(shù)值模擬方法99
5.1水力劈裂99
5.2顆粒離散元流固耦合的計算方法102
5.2.1基本原理102
5.2.2流體計算103
5.2.3壓力計算103
5.2.4流固耦合方式103
5.2.5求解方法104
5.3心墻水力劈裂的細觀模擬105
5.3.1心墻水力劈裂的顆粒流計算模型105
5.3.2流體計算參數(shù)的敏感性分析106
5.3.3水力劈裂機理的細觀分析109
5.4小結(jié)112
參考文獻112
第6章基于細觀數(shù)值試驗的高堆石壩宏細觀變形機制研究115
6.1細觀數(shù)值試驗的參數(shù)敏感性分析115
6.1.1顆粒間摩擦系數(shù)116
6.1.2顆粒強度121
6.1.3接觸模型參數(shù)124
6.2堆石體復(fù)雜應(yīng)力路徑下的力學(xué)特性125
6.2.1常規(guī)三軸試驗126
6.2.2等應(yīng)力比加載路徑133
6.2.3真三軸試驗146
6.3堆石體與結(jié)構(gòu)物接觸特性的數(shù)值試驗158
6.3.1數(shù)值試驗條件及實現(xiàn)過程160
6.3.2接觸面宏觀力學(xué)特性分析162
6.3.3接觸面細觀力學(xué)響應(yīng)分析168
6.4考慮顆粒破碎的數(shù)值試驗176
6.4.1數(shù)值試驗條件及實現(xiàn)過程176
6.4.2基于CZM模型考慮顆粒破碎的堆石體三軸數(shù)值試驗178
6.5堆石體的顆粒流模型及細觀數(shù)值試驗190
6.5.1隨機多面體顆粒的生成方法研究190
6.5.2基于不規(guī)則顆粒形狀的堆石體三軸數(shù)值試驗研究194
6.5.3考慮顆粒破碎的堆石體三軸數(shù)值試驗204
6.6小結(jié)217
參考文獻220
第7章高堆石壩瞬變-流變聯(lián)合反演平臺226
7.1堆石體本構(gòu)模型參數(shù)的智能反演方法226
7.2基于粒子遷徙的粒群算法227
7.3參數(shù)敏感性分析231
7.4確定待反演參數(shù)及目標函數(shù)232
7.5高堆石壩瞬變-流變參數(shù)三維全過程聯(lián)合反演優(yōu)化算法233
7.6水布埡面板堆石壩變形參數(shù)的綜合反演及變形預(yù)測235
7.7小結(jié)240
參考文獻240
第8章堆石料縮尺效應(yīng)研究242
8.1堆石料縮尺效應(yīng)的細觀機理242
8.1.1影響因素242
8.1.2顆粒強度的尺寸效應(yīng)245
8.2堆石料數(shù)值剪切試驗研究281
8.2.1細觀參數(shù)率定281
8.2.2宏觀力學(xué)特性分析282
8.2.3強度變形參數(shù)提取285
8.3基于堆石料數(shù)值試驗的面板壩應(yīng)力變形分析290
8.3.1計算參數(shù)290
8.3.2計算模型291
8.3.3計算結(jié)果及分析291
8.4小結(jié)293
參考文獻294
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