两组正交节理岩体的Cosserat等效模型研究

基于一般Cosserat介质理论,针对具有两组正交节理的岩体,对其单元体进行了分析,导出了描述节理岩体力学行为的等效模型,并给出了平面问题的有限元模型.该模型可以考虑岩体特征尺度的影响.自编相应程序,采用等效模型进行了沉降有限元分析,结果表明,该模型可以模拟具有两组正交节理岩体的力学行为.     

节理岩体的有限元模拟研究综述

本文综合阐述了对于节理岩体进行有限元模拟所用的两种方法,即采用特殊的节理单元或者运用等效模拟的方法。阐述了常用的节理单元的发展,并介绍了基于等效模拟思想的节理岩体复合本构模型,其中典型是均匀节理单元。最后指出,可以把研究重点放在均匀节理岩体的推广与应用上。     

节理岩体的代表单元集合体模型及弹性参数预测

本文明确提出了节理岩体“代表单元集合体”的概念和模型，通过对节理岩体的“代表单元集合体”进行数值模拟，研究了节理岩体的“代表单元集合体”的变形特性，建立了节理岩体的弹性模型，提出了预测节理岩体宏观等效弹性参数的计算机模拟方法，并将其应用于岩体工程稳定性分析中。     

基于多尺度的岩体地下结构开挖研究

依据度分析的思想,基于考虑岩体材料尺度节理裂隙特性的各向异性强度模型,建立了岩体地下结构尺度的等效分析模型,分析了施工过程中节理裂隙岩体的应力释放特征对地下结构的影响。对比分析各向异性本构模型和摩尔库伦本构模型的结果表明,采用考虑节理裂隙分布特性的各向异性等效多尺度分析模型能较好的反映节理特征,准确地反映岩体在地下结构施工过程中的塑性应变主要发生在节理面方向的现象。同时,各向异性本构模型可以较好的改善网格的特性,提高计算的效率和收敛性,为复杂地质条件下的地下结构的模拟奠定基础。     

岩体的弹性波频散特性及等效模型研究

通过分析岩体存在的弹性波频散现象,研究影响岩体弹性波频散特性的因素,并根据试验室和现场研究成果,采用多尺度分析方法,提出以岩体密度、泊松比、节理发育密度、节理张开度等地质参数为基础的单节理等效介质模型及频散方程,探讨岩体频散效应对不同频率弹性波传播速度影响程度的计算方法,为工程中利用不同频率波速对岩体进行一致性评价提供了可能。     

节理岩体边坡稳定上限分析方法

运用Goodman节理单元和上限分析定理研究节理岩体边坡稳定情况。假设组成岩体的岩块和节理为理想刚塑性且满足Mohr-Coulomb屈服准则,采用Goodman节理单元建立了节理岩体边坡稳定的上限分析有限元格式。通过把外载或自重的载荷乘子作为目标函数,形成了带等式约束的非线性数学规划问题,采用一种无搜索直接迭代算法求解。数值计算结果表明单组节理岩体的节理方向对岩体边坡稳定影响明显。     

不连续岩体的安全系数估算

利用岩体不连续性的线性和非线性破坏判据节理岩体运动条件下容许破坏机制的安全系数进行了定义，通过对自重影响和外荷载（结构荷载）影响分别进行了两种有限元分析，得出计算社些安全系数所需的数据，由于它们具有相同的几何条件，因此两种分析类型紧密相联。节理单元用于模拟不连续性岩体的特性。当现场存在运动条件下的容许破坏机制时，有限元网络也将随之改变。通过建在白垩纪节理石灰岩上的一座１５０ｍ高拱坝及其基础的安全评     

基于神经网络的节理岩体单轴强度预测

基于RMT-150C岩石力学试验系统上的节理岩体单轴压缩试验结果,分析了影响节理岩体单轴压缩强度的因素。节理岩体的单轴压缩强度与节理贯通度、节理倾角、节理个数等因素有关,且是一种复杂的非线性关系。同一贯通度节理岩体在节理倾角为0°时峰值强度最大;同一节理倾角岩体的峰值强度随着贯通度的增大而减小。考虑到多种因素对节理岩体单轴压缩强度的影响,建立了BP神经网络模型,对节理岩体的单轴压缩强度进行预测,然后利用遗传算法优化BP神经网络模型。通过岩石单轴压缩试验样本数据的学习,遗传算法优化的神经网络模型能够很好地预测节理岩体的单轴压缩强度。     

复杂节理岩体的剪切强度特性的尺寸影响研究

基于三维块体离散元软件3ＤＥＣ程序,考虑存在三组节理的复杂节理岩体的情况,通过对10个 不同尺寸的岩体块体进行直剪试验模拟,探讨岩体尺寸对于剪切强度特性的影响效果。由于剪切面相 对节理面位置的不同,块体分为两组（第Ⅰ、Ⅱ组）,得出了法向应力作用下的剪切应力与水平位移的关 系曲线图。通过计算可得出剪切强度参数———黏聚力和摩擦角及其与块体尺寸的关系曲线。由此可 见,两组的差异较大,故在进行选择参数时应根据剪切面的位置分别进行考虑。最后对岩体的剪切强度 特性的尺寸效应进行了理论分析,认为节理岩体的剪切强度特性的尺寸影响的关键原因是节理结构面 的存在,节理的相对位置、组数、间距、材料属性等都是重要的影响因素。     

湿度扩散诱发的节理岩体时效变形特性研究

湿度对岩体结构性能的影响显著，不仅造成岩体物理力学性能弱化，还在一定程度上产生湿涨变形，进而改变岩体的应力状态，大大增强了岩体的时效变形特性。为了分析节理岩体在高湿度环境下的时效变形，采用湿度-应力-损伤耦合数值模型对水敏感岩体隧洞开挖后的变形量、围岩内的湿度扩散，以及应力演化进行了数值分析。通过对单组和两组节理岩体的变形、应力、湿度扩散的分析，揭示了节理弱面对湿度扩散和岩体变形的强化作用。开挖隧洞拱顶和底板变形量的分析结果表明高湿度环境是水敏感岩体隧洞产生底鼓的重要原因之一。湿度扩散引起隧洞顶部和底部围岩产生大量破坏，致使相应部位的位移量陡增。此外，单组节理对岩体的湿度扩散的方向起到明显的导向作用，而多组相互斜交的节理则在一定程度上削弱了湿度扩散的各向异性。     

三峡泄洪坝段纵缝对地震反应影响的研究

 泄洪坝段是三峡工程的重要建筑物之一,最大坝高 181.0 m ,以前的大坝抗震分析是按整体结构模型。现按实际情况设置施工纵缝,研究在地震作用下纵缝的接触状态以及泄洪坝段的响应。分别建立整体、有纵缝无间隙和有间隙 3 种模型进行地震响应分析比较,缝面按接触状态非线性问题处理,计算采用时间逐步积分法。研究结果表明：整体坝与有纵缝坝的地震动力响应存在着差异,有纵缝坝似 3 根叠梁 , 缝两端的两侧应力不连续,但三峡泄洪坝仍能保持与整体坝基本相同的功能。     

裂隙网络非达西渗流REV及非达西系数张量研究

裂隙网络渗流理论最初建立在裂隙渗流服从立方定律的基础上,而裂隙中非达西渗流更为广泛存在,因此,裂隙网络非达西渗流特性研究更具工程应用前景。本文首先对基于单裂隙立方定律的线素法模型进行改进,用以实现裂隙网络非达西渗流的计算,进而将其应用于实测裂隙数据生成的裂隙网络非达西渗流特性的研究。研究结果表明:根据改进线素法模型和Forchheimer定律计算得到的等效渗透系数张量与线素法模型和达西定律计算得到的具有一致性。对于同一裂隙网络而言,等效非达西系数张量确定的渗流REV要比等效渗透系数张量确定的大,且等效渗透系数张量与等效非达西系数张量的主轴方向一致,但两者之间的长轴互相垂直。     

天然黄土节理水流入渗试验及数值模拟

节理广泛存在于黄土地区,是分割黄土的结构弱面和水流入渗优势通道,目前对其工程特性尤其是水流入渗规律的研究较少。首先通过模型试验分析典型含单节理黄土的水流入渗分布及范围,然后采用SEEP/W数值模拟软件,根据模型试验结果,利用非饱和渗流理论结合数值分析的方法得到典型节理宽度为0.41,0.8,1.24 mm的黄土体的等效饱和渗透系数分别为1.5×10^-4,1.67×10^-4,1.83×10^-4 cm/s,最后研究了节理对水分场分布的影响及节理数量、节理间距等对入渗范围的影响规律。结果表明,节理对黄土水分场有较大影响,湿润区深度随节理数量的增加而大幅增加;随节理间距的增大,节理对水流入渗深度的影响逐渐消失,而湿润区宽度受节理间距的影响较小。研究成果对黄土节理渗流规律研究、含节理隧道及地下工程稳定性评价、控制水土流失等具有重要意义。     

地震作用下岩质斜坡破坏机制研究

以地震作用下的非贯通节理岩质斜坡为研究对象,利用大型有限元软件ANSYS建立数值模型。数值模拟结果表明:地震作用下非贯通节理岩质斜坡的稳定系数受结构面的长度、密度、贯通率、展布方向等因素影响;节理面的位移放大效应和变形积累效应明显;岩桥的破坏在地震初期比较剧烈,之后在地震作用下继续发生破坏,在经过地震波波幅较大的波段后,斜坡的变形破坏才稳定下来;地震作用下,岩桥内部应力波动剧烈,拉剪共同作用导致了岩桥的最终破坏;层间节理位移和层间摩擦应力分布很不均匀,不同位置的节理的动力响应也有较大不同。     

小湾拱坝模拟实际横缝间距的非线性地震反应分析

本文采用Fenves接触单元模型对小湾拱坝在地震作用下的横缝非线性特性进行了细致深入的研究，内容包括有限元网格收敛性、横缝模拟间距和模拟条数收敛性、横缝灌浆强度的影响、不同水位的影响等，文章首次采用实际横缝间距和最多达到25条的横缝模拟条数对小湾拱坝进行非线性地震分析，揭示出了许多重要工程规律。Fenves关于“拱坝横缝非线性分析中只模拟3条横缝就足够了”的研究结论，对于应力分析结果尚可成立，但要得到符合实际的横缝张开度，必须在拱坝关键部位以真实间距模拟横缝，并保证一定的模拟条数。此外，不同库水位对非线性响应影响显著，应予以考虑。     

设有纵缝的重力坝地震反应分析方法

本文介绍模拟重力坝纵缝的二维缝隙单元，应用非直接对接的自由子结构模态综合技术，建立设有纵缝的重力坝地震反应非线性动力分析方法，以提高局部非线性动力问题的计算效率     

竖缝式鱼道结构及水力特性研究

随着越来越多大坝堤堰的修建,鱼类的洄游和繁殖受到了严重的影响。为了保持鱼类的生存繁衍,许多水利枢纽工程中都建有鱼道。研究利用fluent软件模拟了竖缝式鱼道的流场,并用模型试验对数值模拟进行了验证,分析了竖缝式鱼道导板的长度及导角大小对鱼道内流场的影响。研究结果表明:在鱼道流量及水池长宽比一定的情况下,若不考虑边壁的阻碍作用,导角越大,竖缝射流的衰减速度越快,主流轨迹的弯曲程度也越大,也越容易冲撞到边壁;导板的长度基本上对主流的扩散及衰减没有影响,但能通过改变主流在鱼道内的位置来改变边壁对流态影响程度。     

考虑环间接头力学特性的盾构隧洞纵向分析模型

盾构隧洞环间接头具有明显的非线性力学特性，合理模拟其受力变形响应是隧洞纵向变形分析中的难点。针对此问题提出了一种简便实用的环间接头分析模型，采用可传压不传拉的接触面单元模拟环间接触，采用基于埋置梁广义位移法的梁单元模拟螺栓，能够同时考虑环间接头处的非线性接触状态和接头螺栓的轴向刚度和剪切刚度，且适用于各种环间连接螺栓形状（直螺栓、弯螺栓或斜螺栓）。通过算例，将有限元模型与理论解析模型计算结果进行对比，验证了该模型的准确性。将该模型应用于某实际工程中穿越断层破碎带的盾构隧洞的纵向变形分析，结果表明:输水盾构隧洞在均质基岩中状态稳定，在断层破碎带区域衬砌环间缝变形和螺栓应力显著增大，但均在设计控制范围之内。该模型可为工程安全建设及运行提供一定参考。     

锦屏一级左岸岩体渗透特性的数值模拟研究

基于RFPA~(2D)-Flow软件,并结合现场压水试验,从表征单元体积(REV)及渗透张量入手,对裂隙岩体的渗透特性进行数值模拟研究。以锦屏一级水电站左岸岩体为例,基于岩体裂隙几何特征,运用蒙特卡罗方法生成岩体裂隙网络模型;模拟计算不同尺寸不同方向上的等效渗透系数,依据类常量与类张量特性初步确定裂隙岩体渗透表征单元体积(REV)及渗透张量,再结合现场压水试验结果修正渗透张量。随着模型尺寸的增大,岩体的渗透性逐渐趋于稳定,表征单元体尺寸的大小约为迹长的4倍,表明基于RFPA~(2D)-Flow数值模拟并结合压水试验确定裂隙岩体渗透张量和REV的方法合理有效。     

节理在初始接触状态下空腔分布的确定及应用

上下节理面的初始接触状态对节理后续的剪切和剪切渗流特性起到了重要作用。自行研制的TJXW-3D型便携式岩石节理表面形貌测量仪具有识别标志点的功能,利用该表面形貌测量仪首先对侧面贴有标志点的处于初始闭合状态的节理试样和上下节理面分别进行扫描,扫描结束后利用标志点将上下节理面分别对齐到其在初始接触状态下的坐标系中,最终获得节理初始空腔数据。初步分析了3种不同粗糙度的节理面在初始接触状态下节理隙宽的分布规律,与前人研究成果基本吻合。各节理隙宽分布符合高斯分布,平均隙宽为0.31~0.41 mm。为了展示节理空腔的应用,将计算得到的节理初始空腔数据应用到节理法向闭合Brown模型中,与法向压缩试验结果进行对比。Brown模型预测结果比试验结果相对较大,主要原因在于Brown模型无法考虑各突起之间的相互作用。研究成果可为节理剪切-渗流的研究,尤其是为节理剪切渗流的数值研究奠定了模型基础。