高等土力学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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isbn号码:9787116057302

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• 土力学
• 高等土力学
• 岩土工程
• 地基处理
• 边坡稳定
• 土的力学性质
• 土动力学
• 基础工程
• 工程地质
• geotechnical engineering

《岩土工程中的现代计算方法》 图书简介 本书深入探讨了岩土工程领域中一系列前沿且实用的数值计算技术及其在解决复杂工程问题中的应用。旨在为岩土工程师、结构设计师以及相关领域的研究人员提供一套全面、系统且深入的理论框架和实践指导。本书内容聚焦于如何运用先进的计算工具和数学模型，更精确、更高效地模拟和预测土体与岩体的复杂行为。 本书的结构设计遵循由基础理论到高级应用的递进路线，力求内容详实、论述严谨，并紧密结合实际工程案例。 --- 第一部分：岩土本构模型的理论基础与数值实现 本部分将对现代岩土工程中应用最广泛、最具代表性的本构模型进行详尽的阐述，并着重于这些模型在数值求解器中的实现细节。 第一章：连续介质力学基础回顾与岩土特性的引入 本章首先回顾了经典的弹性力学和塑性力学基础，包括应力状态的描述（柯西应力张量、主应力）、应变状态的描述（变形梯度、应变张量），以及弹性恢复方程的推导。随后，重点引入了岩土材料的非线性、不可恢复性、应变率敏感性及各向异性等关键特性。详细讨论了体应力与偏应力的概念，为后续引入屈服准则做铺垫。 第二章：经典与现代塑性理论在岩土中的应用 深入剖析了 Mohr-Coulomb (M-C) 模型作为基础模型的局限性，如屈服面尖锐、膨胀角与内摩擦角耦合等问题。随后，系统介绍了现代粘塑性本构理论的核心思想： 1. 临界状态土模型 (Critical State Soil Mechanics, CSSM): 详细讲解了 SCC/SSM 模型的数学框架，包括其在 $p-q$ 平面、 $e-p'$ 平面（或 $v-p'$ 平面）上的屈服面、流动法则（伴随流动与非伴随流动）以及硬化法则（等向硬化、随动硬化）。重点分析了其在描述超固结土和正常固结土剪切过程中的优势。 2. 修正剑桥模型 (Modified Cam-Clay, MCC): 作为 CSSM 的重要延伸，本书详细推导了 MCC 模型在考虑回充电加载路径下的塑性应变增量计算方法，并讨论了其在模拟固结沉降和超固结土剪切破坏中的适用性。 3. 弹塑性损伤模型 (Elasto-Viscoplastic Models): 针对时间效应和应变率敏感性，介绍了粘塑性理论，如 Perzyna 模型，及其在描述软土和蠕变现象中的应用。 第三章：本构模型的数值离散化技术 本章是连接理论与计算的核心。讨论了如何将连续体上的偏微分方程组转化为可求解的代数方程组。 1. 一阶隐式积分方案 (Backward Euler): 详细推导了 M-C 和 MCC 模型在全隐式积分方案下的残余力计算，特别关注了如何保证应力点准确地“投影”到屈服面上（投影算法）。 2. 时间步长控制与精度： 讨论了在模拟非线性加载路径时，时间步长选择对计算稳定性和精度的影响，引入了基于应变增量的自适应时间步长控制方法。 3. 刚度矩阵的构建： 详细推导了引入本构模型后的“切线刚度矩阵”（或称弹塑性刚度矩阵 $D_{ep}$），这是有限元法求解的基石。重点分析了在塑性区，该矩阵如何体现材料的塑性硬化特性。 --- 第二部分：基于有限元法的岩土工程数值模拟 本部分聚焦于有限元方法 (FEM) 在岩土工程中的具体实施，包括单元选择、边界条件处理和大规模问题的求解。 第四章：岩土工程有限元单元与网格划分 1. 单元类型选择： 对比分析了四面体、六面体单元在处理复杂几何形状和应力梯度时的优缺点。重点讨论了低阶单元（如四面体/六面体）在模拟不可压缩性问题时产生的“体积锁定”现象，并详细介绍了高阶单元（如 LBB 条件满足的单元）的构造和使用方法。 2. 网格畸变与重划分： 探讨了在模拟大变形、滑坡或隧道开挖过程中，网格畸变对解精度的影响，并介绍了基于 ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) 方法的网格更新技术。 第五章：非线性方程的求解算法 岩土工程问题本质上是高度非线性的，本章围绕求解平衡方程 $mathbf{R}(mathbf{u}) = mathbf{F}_{ext}$ 展开： 1. 牛顿法及其修正： 详细讲解了标准的牛顿法、位移控制牛顿法（Line Search Newton Method）及其在收敛困难时的应用。 2. 弧长法 (Arc-Length Method): 针对临界点和极限载荷的求解，系统介绍了 Riks 弧长法和 Crisfield 修正弧长法，这些方法对于精确捕捉结构屈曲和材料破坏的后屈曲行为至关重要。 3. 大变形分析的几何非线性： 讨论了真实应力/应变计算（如对数应变或 Green-Lagrange 应变）在模拟大变形工程（如地基失稳）中的必要性。 第六章：不连续面与接触面的建模技术 岩石、土体中的裂隙、节理、接触面是影响稳定性的关键因素。 1. 接触本构模型： 详细阐述了 Coulomb 滑移准则在接触面上的应用，包括单边约束（不穿透）和摩擦滑移的数值处理。 2. 不连续面建模方法： 对比了关键面法（Contact Elements）、应力释放法 (Stress Release Method) 以及近年来发展的内聚力模型 (Cohesive Zone Model, CZM) 在模拟岩体裂隙张开和剪切破坏中的应用。 --- 第三部分：高级应用案例与前沿技术 本部分将理论和方法应用于解决实际的复杂岩土工程问题，并展望未来的计算趋势。 第七章：边坡稳定性与极限平衡方法的数值替代 本书对比了传统的极限平衡法 (LEM) 与基于强度的有限元法 (FEM)。重点展示如何利用 FEM 结合 M-C 或 MCC 模型，通过“应力折减法” (Shear Strength Reduction, SSR) 自动确定边坡的实际安全系数，避免了 LEM 中对潜在滑裂面形状的主观假设。详细分析了 SSR 过程中的数值收敛性和计算稳定性问题。 第八章：深基坑与隧道衬砌相互作用分析 针对地下工程，本书探讨了支护结构与周围土体的耦合作用。 1. 耦合计算： 如何在 FEM 中同时离散化土体、支护结构（如桩、墙）和地层水（渗流场）。 2. 固结与渗透耦合 (Thermo-Hydro-Mechanical Coupling, THM): 介绍了多场耦合理论在模拟深海软土固结或地热开挖中的重要性，包括 Biot 有效应力原理在瞬态固结分析中的应用。 第九章：随机有限元与不确定性量化 认识到岩土参数的固有随机性，本章引入了随机有限元方法 (SFEM)。 1. 参数的随机场描述： 如何使用高斯过程或克里金法描述土体渗透系数、内摩擦角等参数的空间变异性。 2. 蒙特卡洛模拟： 在 SFEM 框架下，通过多次迭代计算来量化工程风险，并输出可靠性指标，而非单一的确定性安全系数。 --- 本书特色： 理论深度与实践广度并重： 不仅推导了先进本构模型的数学公式，更深入探讨了如何在商业或学术有限元软件中实现这些模型。 强调计算稳定性： 针对岩土工程中常见的应力奇异点、大变形和非线性收敛难题，提供了详尽的数值策略和技巧。 丰富的工程实例： 穿插了多个实际工程案例的数值模拟结果，以验证理论模型的有效性和计算方法的可靠性。 本书是岩土工程领域进阶学习和工程实践中不可或缺的参考资料。

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