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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