基于界面元的岩体裂隙网络渗流模型中 不稳定块体预测

 以野外不连续面现场地质调查所获得的真实裂隙展布为基础,以随机不连续面三维网络计算机模拟技术为指导,建立岩体不连续面空间分布概率统计数值模型;在此基础上,将裂隙网络和界面元相结合,用水力学和几何参数来表征裂隙岩体内渗透空间结构的具体布局,建立基于界面元与裂隙网络耦合的裂隙网络渗流模型,该模型可以通过界面元法对渗流场的模拟获得岩体网络裂隙渗流的渗径,而且可以计算出水头分布的情况,进而可以搜索出所有在临空面上出露的有限块体,确定其空间几何形态和几何参数,实现不稳定关键块体自动搜索,对于评价及预测关键块体的稳定性具有重要意义。     

裂隙化岩体不连续面密度的分形研究

 不连续面密度是表征岩体内部不连续面分布特征的重要参数之一,但是岩体内不连续面的分布是随机的、不规则的,要想准确获得岩体不连续面密度的真实值是不可能的。基于现场调查的岩体露头不连续面特征,借助计算机模拟技术建立岩体不连续面分布的二维、三维随机裂隙网格模型,从数理统计学的角度计算岩体不连续面密度数值。并基于分形理论计算岩体不连续面分布的二维、三维分布特征,尝试建立岩体不连续面密度与分维数的数学关系。计算结果表明,岩体不连续面密度与分维数具有相同的变化趋势,随着不连续面分维数的增大,不连续面密度增大,不连续面密度与分维数之间存在线性关系。研究结果表明,不连续面分布的体密度和三维分形维数,可以更加综合地反映岩体内部不连续面的分布特征和空间信息及对岩体强度参数的影响,对工程应用具有更好的实际作用。且在此基础上,提出基于不连续面分布的体密度和三维分形维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。     

节理岩体三维综合抗剪强度数值模拟研究

采用不确定性理论建立的三维节理网络模拟技术是计算机技术在岩体力学领域应尉的一个重要方面。该技术利用野外不连续面现场地质调查所获得的原始数据，建立结构面几何参数分布的概率统计模型，进而应用蒙特卡罗模拟方法构筑不连续面在三维空间的组合形态，借助计算机生成三维网络模型。在建立三维网络模型的基础上，通过搜索不连续面和岩桥组合破坏的临界路径来确定连通率并提供三维综合抗剪强度指标，在搜索过程中应用了具有鲜明生物背景的遗传算法。     

岩体隧道三维建模及围岩非连续变形动态分析

结合东北地区某隧道工程,根据获取到的隧道工程岩体结构现场原始数据,应用自主开发的GeoSMA-3D系统,基于简单块体模型间相互组合构建复杂岩体模型的原理,采用不连续面网络图模拟真实岩体的几何特征,对隧道围岩的岩体结构面进行三维空间模拟,建立了该岩体隧道工程三维数值模型,并采用一种基于网格划分的块体识别方法,获得结构面划分岩体得到的所有块体。将所建立的三维数值模型选取其中某一典型断面的数据信息,导入二维非连续分析程序DDA针对二维平面内的应力及位移进行计算分析,对隧道围岩的破坏过程进行动态分析,得到的动态位移图和模拟结果对隧道工程超前预报、开挖支护具有一定的借鉴意义。     

随机节理岩体变形与强度参数及其尺寸效应的数值模拟研究

节理岩体力学参数及其尺寸效应一直以来都是岩体研究的热点和难点,但对于基于结构面网络模型进行数值模拟的研究尚未见报道。笔者以小湾坝基卸荷岩体为例,在对现场节理进行大量统计的基础上,分析出节理特征值的分布函数,再运用蒙特卡罗方法建立了其结构面网络模型。在此基础上,利用编制的接口程序和现有的FLAC3D岩土分析软件,实现了对随机节理结构面网络模型的不连续位移数值模拟。模拟结果表明:小湾坝基卸荷岩体变形模量与岩体尺寸的关系服从负指数分布,而强度参数与岩体尺寸的关系基本服从负幂函数分布,其结果与现场斜面载荷试验及经验评估参数结果较为接近。     

节理岩体结构的分形几何研究

在岩体结构宏观分区的基础上,应用分形几何的观点从三维角度对分区内的岩体结构进行了研究。应用随机不连续面三维网络模拟技术建立岩体结构统计均质区内不连续面的概化模型,借助计算机模拟再现岩体结构;从岩体结构网络图中抽取“样本”,通过计算二维、三维样本的分形维数,表明三维分形维数等于二维分形维数加1,从三维角度表明统计均质区内岩体结构具有统计自相似性。     

三维节理岩体分形维数与RQD相关性研究

 应用三维随机不连续面网络模拟技术对岩体结构统计均质区内的不连续面进行计算机模拟,再现岩体结构,并应用分形理论计算三维节理岩体的分形维数。平行于三维节理岩体网络模型的x,y,z轴布置测线,计算不同阈值下三维岩体的岩石质量指标(RQD)。对获取的分形维数与RQD分析表明,三维岩体RQD随分形维数增大而减小,二者具有良好的线性关系。最后,推导三维节理岩体的分形维数与若干个阈值下RQD的关系式,并根据不同阈值下RQD与分形维数关系曲线的斜率确定合理阈值。     

节理岩体数值计算方法及其应用(一)：方法与讨论

叙述了工程岩体的典型破坏类型、发生条件和判断方法，简单介绍了针对节理岩体的数值计算方法发展过程、现状和特点，重点叙述了利用3DEC基本功能生成三维随机节理网络和节理力学参数的随机赋值方法。其中三维节理网络技术可以非常逼真地模拟现实条件下各种复杂形式的节理分布，甚至可以直接利用节理的地质编录资料在数值模型中生成确定位置上的确定性节理，在某种程度上一体化地实现了节理岩体的计算机模拟和数值计算，促进了不连续岩体、岩石计算方法在应用技术方面的发展。最后讨论了不连续力学数值计算技术的工程应用，指出了合理运用数值计算方法解决工程问题的一般原则。     

裂隙岩体三维网络流的渗透路径搜索

裂隙是岩体的主要渗透通道,但裂隙网络的分布非常复杂,只能借助计算机模拟技术。以随机不连续面三维网络计算机模拟技术构筑岩体裂隙系统的空间分布,为岩体水力学问题研究提供岩体空隙结构的物理背景;依据计算几何学提出三维空间裂隙间相互位置关系模式和相应的判定算法,并建立裂隙网络系统渗流模型和表征裂隙间相互位置关系的图论数学模型,经定义边界条件、确定连通分量、删除孤立裂隙等一系列预处理后,实现了裂隙岩体三维网络流渗透路径的计算机搜索。     

用投影法求算岩体结构面三维连通率

岩体结构面三维连通率是一个内涵空间岩体稳定性评价的重要参数,它完全不同于常规的与水文地质或岩体水力学相关的连通率。由于岩体中结构面发育的随机性,采用一般的方法很难得到岩体结构面在空间的三维连通率。介绍的岩体结构面三维连通率是基于现场工程岩体结构面三维网络数值模拟的基础之上,采用理想截面投影法来求取工程岩体关键部位、特定方向上的三维连通率,并通过计算机编程来实现计算,直接应用于工程中。     

用遗传算法求解节理岩体三维连通率

应用节理岩体三维网络模拟技术建立结构面在三维空间分布的概率统计模型，将连通率的概念和求解均建立在岩体潜在破坏路径之上，通过连通率的求解米搜索岩体的最可能破坏路径。在搜索结构面和岩桥搭接组合破坏的临界路径过程中，应用了具有鲜明生物背景的遗传算法，并将这一结果应用于实际岩体工程，取得很好的效果。     

基于平均迹长修正新方法的岩体三维连通率及抗剪强度参数计算

 岩体结构面连通率是反映结构面延伸程度和连通状况的一个重要参数,是确定裂隙岩体抗剪强度指标的关键和分析边坡稳定性的前提。对三维连通率的求解方法及其在估算抗剪强度参数中的应用进行探讨,在考虑结构面迹长和迹线与统计窗边线的交角均遵循一般概率分布类型的基础上,从概率统计角度推导出窗口法中结构面平均迹长的估算公式。利用基于平均迹长修正公式的三维结构面网络模拟方法对贵阳市鱼简河水利工程导流洞进口的岩体结构面进行模拟,在其三维可视化模型的基础上求得模拟区内不同截面的三维连通率,并利用三维连通率结果估算出岩体的综合抗剪强度参数。计算结果表明：该模拟区内岩体总体连通性较好,各向异性明显,70°～80°∠20°～40°范围内的截面为危险截面,最大连通率为0.914 3,最小黏聚力和内摩擦角分别为1.135 MPa和25.7°,工程建设中应予以重视。     

Estimating the intensity of rock discontinuities

This paper presents an approach for estimating the intensity of discontinuities and formulating intensity and orientation as a fracture tensor. Specifically the size distribution and the number of discontinuities are estimated first, from which the fracture tensor is then derived. Discontinuity size distribution is inferred from the trace data sampled in circular windows by using a general stereological relationship between the true trace length distribution and the discontinuity diameter distribution assuming circular shaped discontinuities. Because the measured trace lengths are biased, a method is proposed to estimate the true trace length distribution for circular window sampling. Circular window sampling has the advantage of automatically eliminating the orientation bias when estimating the true trace lengths. A method is then presented with which the total number of discontinuities in an objective volume can be estimated from the number of discontinuities observed in normal-size boreholes and using the inferred discontinuity diameter from the circular window sampling on the rock surface. With the derived size distribution and number of discontinuities, the intensity of discontinuities, which is the total surface area of discontinuities per unit volume, can then be calculated and included in a new definition of a fracture tensor. An application of the approach to analyze simulated discontinuities produces satisfactory results.     

边坡及洞室岩体的全空间块体拓扑搜索研究

 在一定空间区域内,由三维有限长的随机结构面及确定性结构面切割形成的所有块体的搜索问题,即全空间块体搜索问题,是裂隙岩体研究中十分重要的基础性课题。在随机结构面切割下全空间块体拓扑搜索一般方法研究基础上,进行边坡及洞室岩体的全空间块体搜索问题研究。给出计算分析过程,包括三维结构面网络模拟、结构面与边界面之间的交线分析、封闭回路分析、回路空间位置分析、孤立回路删除、相关回路分析以及封闭块体搜索等,并对其中的结构面与边界面交线求解进行重点讨论。对块体切割中出现的简单凸多面体及凹多面体、坑体、环体、腔体等4种块体类型进行分析,基于单连通和复连通回路的不同特点,讨论如何统一地对4种块体类型进行搜索分析,从而实现边坡/洞室岩体的全空间块体拓扑搜索技术。在此基础上,基于经典的块体理论,实现边坡/洞室工程中的块体渐进失稳分析技术。最后,针对边坡和洞室算例进行分析和讨论。     

基于激光点云数据的岩体结构面全自动模糊群聚分析及几何信息获取

 岩体结构面的优势产状和几何信息是评价岩体结构面发育的重要指标,而传统的罗盘测量方法往往无法测量高陡边坡和危险边坡,且无法精确获取岩体结构面几何信息等。三维激光测量技术可以远距离获取裸露岩体坡面的高精度三维激光点云数据,进而可获取结构面的几何信息和实现全自动模糊群聚统计分析。对高精度激光点云数据进行三角网重构,计算重构的三角网平面方程的法向向量及产状,利用模糊C平均群聚方法对结构面产状进行群聚分类,并采用不同颜色表示结构面的群聚分类结果。在此基础上应用IDL语言编制基于海量激光点云数据的岩体结构面自动统计分析软件FSS,将该方法应用于怀柔桥梓镇一裸露岩石边坡结构面优势产状的统计分析中,统计结果表明,该方法具有快速和远距离测量的优点,且结构面群聚分类结果可靠、合理。     

软弱夹层厚度模拟实用方法及其应用

 围岩中分布的软弱夹层对地下洞室围岩稳定性、支护结构安全性有着重要的影响,以软弱夹层的变形、强度等效为出发点,基于接触面单元和软弱夹层影响带概念,提出一种在固定的有限元网格中模拟不同厚度的软弱夹层的实用化模拟方法,并初步验证该方法的合理性、正确性、实用性;利用提出的模拟方法,以奥地利岩土工程有限元分析软件FINAL为平台,系统分析地下洞室分别位于II,III,IV级3种围岩,软弱夹层分别分布在顶部、拱肩、边墙3种不同部位,软弱夹层厚度分别为0.000D,0.005D,0.010D,0.020D,0.200D 5种厚度等条件下,软弱夹层对洞室围岩位移场、应力场、塑性区以及喷层结构受力的影响,着重讨论不同软弱夹层厚度条件下,围岩位移场、应力场、塑性区及喷层内力随夹层厚度的变化差异;总结当前试验条件下,软弱夹层厚度对地下洞室围岩稳定性与支护结构安全性影响的一般规律;研究成果可望为地下洞室的规划、设计、施工,尤其是遭遇软弱夹层等特殊工程条件下的设计、施工、维护等提供一定的参考与指导作用。