基于小波分析的岩体结构表面形貌各向异性研究

岩体结构面表面形貌的各向异性是岩体结构面的力学、渗流及其耦合性质存在各向异性的主要因素。采用人工劈裂方法制备了4个花岗岩结构面,在精确测试其表面形貌并进行数值化表达的基础上,截取二维表面轮廓线并对其几何组成进行分析,将二维表面轮廓线分为非稳态倾向、稳态一阶起伏度、稳态二阶粗糙度3个几何组成部分,并由此提出了二维表面轮廓线的3参数描述系统。基于小波分析,实现了对稳态一阶起伏度与稳态二阶粗糙度的分离。在上述基础上,对岩体结构面表面形貌的各向异性特征进行了系统深入的研究。研究表明,非稳态倾向与稳态一阶起伏度具有明显的各向异性特征;而稳态二阶粗糙度则可视为各向同性,对于岩性相同的结构面,稳态二阶粗糙度的描述参数值大多分布在某一长度较小的区间内。     

块状结构岩体的无压渗流分析方法

利用三维岩石块体系统的自动识别方法生成岩体的结构面网络,并将初流量法引入到三维网络无压渗流的变发方程,从而建立了块状结构岩体中的网络无压渗流分析方法,对某拱坝坝肩的分析表明,所建立的方法是合理有效的。     

块状结构岩体的无压渗流分析方法

利用三维岩石块体系统的自动识别方法生成岩体的结构面网络,并将初流量法引入到三维网络无压渗流的变分方程,从而建立了块状结构岩体中的网络无压渗流分析方法．对某拱坝坝肩的分析表明,所建立的方法是合理有效的．     

层状岩体受压力学特征结构面效应数值分析

煤层底板岩体是沉积岩,具有显著的层状结构特点。为研究层状岩体压缩强度的结构面效应,通过FLAC3D数值软件,结合改进的遍布节理本构模型,建立层状岩体压缩数值模型,分析单轴、三轴压缩情况下的应力应变响应以及强度特征。研究结果表明：层状岩体压缩强度具有显著的结构面倾角效应。随着倾角的增大,层状岩体的压缩强度呈现先减小后增大的趋势。当结构面倾角为40＆#176;～80＆#176;时,岩体强度整体较低,破裂面主要沿结构面展开。数值试验和理论分析反映的岩体强度随结构面倾角变化规律一致。层状岩体弹性模量沿平行于结构面方向最大,而垂直于结构面方向最小,并随结构面与水平面之间夹角的增加而增大。     

不同结构面倾角节理岩体三轴试验力学特性

为了掌握贯穿型节理岩体的变形和破坏规律,对人工制备的不同倾角模拟节理岩体圆柱试样进行了系列静力三轴试验,得到了相关的应力应变曲线结果和破坏特征,进而分析了结构面倾角对节理岩体试样力学特性的重要影响.结果表明:1)随着结构面倾角的变化,节理岩体试样的应力应变曲线将不全为典型的四阶段曲线,在结构面倾角较大时结构面的变形特征十分显著,峰前曲线发生了明显转折,结构面变形占据了主导作用.2)峰值强度、残余强度和峰前线性阶段变形模量随结构面倾角增大而单调降低,而试样的脆性和剪胀性强弱、压密阶段的变形模量以及体胀、体缩量最大值等与结构面倾角的变化关系则均为非单调的.3)结构面的倾角大小影响了其与基质的相互作用规律,使得结构面或基质或者两者一起控制了节理岩体试样的变形、强度和破坏,从而形成了节理岩体试样显著不同的变形、强度和破坏特征,其变形和强度各向异性与破坏模式随结构面倾角变化而不同.     

岩体渗流的数学模型和数值分析方法

在分析岩体渗透特性及其影响因素的基础上，建立了岩体渗流的数学模型；研究了岩体渗流的有限单元法，提出了适于解决裂隙结构渗流的节理单元，推导了相应的计算公式并编制了相应的计算机程序。对模型应用中的若干问题进行了探讨。     

采动影响下损伤煤岩体峰后渗透率演化模型研究

在对比分析煤岩体峰前和峰后阶段渗透率演化规律差异的基础上,通过考虑开挖损伤对煤岩体渗透率的影响,基于裂隙平板模型建立了考虑损伤效应的峰后煤岩体渗透率模型;将实验测试数据与渗透率模型计算结果进行对比分析,验证了渗透率模型的合理性.基于此模型,具体分析了3种典型开采方式下(保护层开采,放顶煤开采和无煤柱开采)工作面前方煤岩体渗透率分布特征.研究结果表明:峰前和峰后阶段煤岩体渗透率均随应力呈现指数增长趋势,但两者在增长量上存在明显不同;根据渗透率分布特征,可以将工作面前方煤岩体划分为4个区域:渗流开放区,渗流屏蔽区,渗流过渡区和原岩渗流区;3种开采方式对工作面前方煤岩体的瓦斯渗流影响规律相似,但是在影响区域范围上存在较大差异.     

三维非均质岩体各向异性渗流场分析

通过对天生桥一级水电站引水系统非均质各向异性岩体渗流场的模拟计算，提出了三维非均质岩体各向异性渗流场的计算方法，并导出三维排水廊道边界的计算公式和三维自由水面边界的迭代方法．通过对不同参数对渗流场影响的研究和各种运行工况三维渗流场特征的分析，得出了三维各向异性渗流场的一些基本规律，为高压引水管道的设计、施工提供了合理的设计依据．     

规则锯齿型软弱结构面剪切特性的数值分析

为了探讨规则锯齿型软弱结构面的剪切特性,利用FLAC3D建立岩体软弱结构面的三维计算模型,分析结构面的剪切强度和变形特征.结果表明：剪切应力和剪切位移的关系从初期的线性特征转变为非线性特征;软弱结构面和岩体的耦合作用导致结构面的等效粘结力和等效内摩擦角均小于二者的平均值;迎剪切方向的结构面主要发生剪切破坏,而沿剪切方向的结构面主要发生拉伸破坏.结构面的剪切强度与剪切速率成线性关系;随着结构面厚度的增加,试样的剪切强度逐渐减小.研究得到的结果可为理论分析和工程实践提供参考.     

三维非均质岩体各向异性渗流场分析

通过对天生桥一级水电站引水系统非均质各向异性岩体渗流场的模拟计算，提出了三维非均质岩体各向异性渗流场的计算方法，并导出三维排水廓道边界的计算公式和三维自由水面边界的迭代方法，通过对不同参数对渗流场影响的研究和各种运行工况三维渗流场特征的分析，得出了三维各向异性渗流场的一些基本规律，为高压引水管道的设计，施工提供了合理的设计依据。     

裂隙岩体渗流场与应力场耦合数学模型的研究

首先研究裂隙岩体中应力场改变对地下水渗流场的影响作用机理,推导出渗透系数k和给水度μ受应力影响的表达式,进而分析渗流场的变化,地下水的作用引起应力场环境变迁,导致裂隙岩体的渗透变形,在此基础上建立了裂隙岩体中应力场与渗流场耦合作用研究工作程式和具"点荷载"特征的等效连续介质耦合数学模型,并应用于一隧道工程实例进行了计算.     

具有成层结构面岩体的有限元计算方法

本文针对结构面一些主要特征,对含有成层结构面岩体的力学模型作了探讨,提出了相应的有限元非线性分析计算方法。结构面的分级和力学效应影响结构面力学特性的重要因素是结构面的充填状况和发育规模,凡结构面内充填有软弱物质者属于软弱结构面,无充填物者则属于硬性结构面,工程实践涉及的岩体是有一定范围的,在该范围的岩体内所包含的结构面按其发育规模和力学效应可划分为Ⅴ级,列入表一。     

大理岩剪切裂隙渗流特性

针对高水头抽水蓄能电站、高坝枢纽工程和深埋隧洞工程的建设和运行中,由于高水压造成的突涌水及岩体失稳问题,以大理岩为例,研究了大理岩剪切裂隙渗流规律.试验结果表明:径向渗流试验中,渗流过程符合达西定律,水头压力与流量呈线性关系;裂隙面中局部张拉破坏的特征对渗流起到了阻碍作用;法向力对裂隙渗流的影响显著,在法向应力从14 MPa升至19 MPa过程中,渗流通道随法向力的增加出现了闭合现象,裂隙中形成了大面积死水区,渗流特性表现出突变.     

大理岩剪切裂隙渗流特性

针对高水头抽水蓄能电站、高坝枢纽工程和深埋隧洞工程的建设和运行中,由于高水压造成的突涌水及岩体失稳问题,以大理岩为例,研究了大理岩剪切裂隙渗流规律.试验结果表明:径向渗流试验中,渗流过程符合达西定律,水头压力与流量呈线性关系;裂隙面中局部张拉破坏的特征对渗流起到了阻碍作用;法向力对裂隙渗流的影响显著,在法向应力从14 MPa升至19 MPa过程中,渗流通道随法向力的增加出现了闭合现象,裂隙中形成了大面积死水区,渗流特性表现出突变.     

光弹法边界元法在围岩稳定分析中的应用

目前,赣南钨矿床开采中面临的共性问题是:①矿区岩体呈现出明显的异性特征,而迄今为止,只做过视岩体为均质、各向同性的数值分析。为了能够确切地、全面地反映具有异性特征且结构面发育的岩体的变形和破坏规律;为了进一步揭示开采过程中围岩的应力、位移分布规律,急需要建立异性岩体数学模型和电算程序.     

管单元用于缩减岩体渗透张量计算规模

为探讨裂隙空间渗流的优势路径、在满足精度的前提下减少计算量并使模型更具实用价值,根据实测结构面资料,采用圆盘模型,生成与现场岩体具有相同统计特征的三维裂隙网络,将渗流渠道简化为一维管单元模型,研究分组排列和全排列两种方式缩减计算规模对渗透张量和表征单元体(representative elementary volume, REV)大小的影响。并用某工程数据校核缩减规模效应。结果显示：采用全排列方式缩减误差相对较小;当计算规模缩减达到70%时,基本不改变渗透张量的精度;裂隙岩体的渗透张量REV尺寸会随缩减规模的增加有所增大。可见确实存在由直径较大裂隙控制渗流特性的主干裂隙网络骨架,计算时缩减裂隙网络规模到一定程度,仍然可以保证渗透张量具有足够的精度。     

声学钻孔电视及在地下建筑物选址调查中的应用

声学钻孔电视(BHTV),又称超声波成像测井,是一种能获得钻孔孔壁定性图像的地球物理测井方法,可以直接对钻孔进行岩性观察。该方法具有测试速度快、精度与分辨率高、成果形象、直观可靠、数据处理和分析过程相对较简单等众多优点,在某些情况下可以代替钻孔取芯。在地下建筑物选址调查项目中,中深部岩体的结构面特征参数是场址性能评价的基础数据之一,采用声学钻孔电视测试,并借助相关专业软件,可以获得中深部岩体的结构面(包括节理裂隙和断裂构造)特征和分布规律。实践证明,声学钻孔电视是一种精细评价岩体结构面特征的有效手段。     

裂隙岩体裂隙网络渗流场—应力场耦合的刚体元分析

基于裂隙岩体初始裂隙网络渗流的离散数值模型，首次采用新的数值方法－－刚体元方法进行裂隙岩体裂隙网络渗流场－应力场耦合分析，既避免了经典渗流理论不考虑介质应力的不足，又克服了工程岩体稳定性分析中简单考虑水渗流作用的缺陷。     

高拱坝坝肩软岩及结构面强度参数水岩耦合弱化效应试验研究

高拱坝工程蓄水运行后,坝肩坝基岩体中存在的软弱岩体及结构面在上千万吨的水荷载以及复杂的渗流场长期作用下易发生泥化、软化、湿化、流变等强度降低的力学行为,因此,需要开展软岩及结构面在应力场和渗流场耦合作用下弱化效应研究。本文结合锦屏一级高拱坝工程,现场采集该工程坝肩软岩和结构面岩样,制备相似试件,并通过拱坝运行环境特征分析确定试验条件,在MTS岩石力学测试系统上进行水岩耦合三轴压缩试验。结果表明,锦屏拱坝坝肩断层物质和软弱岩体的强度参数f、c具有显著的水压弱化效应,其中水压对黏聚力c的影响较大,对内摩擦系数f的影响相对较小,考虑两者的综合效应抗剪强度τ,则在10MPa正应力与3MPa水压的工程条件下,锦屏拱坝坝肩主要断层f2、f5、f13、f14、f18抗剪强度的平均弱化率约为25%,煌斑岩脉X等软弱岩体抗剪强度的平均弱化率约为40%。该定量的弱化试验成果为地质力学模型试验、数值计算等方法分析评价拱坝的稳定性提供重要的科学依据。     

节理裂隙岩体渗流与应力耦合分析

在总结已有的饱和非饱和渗流模型的基础上，把裂隙岩体看作是离散网络模型，分析研究了含节理裂隙岩体的非饱和渗流特性，建立了裂隙网络饱和非饱和渗流模型，并推导了控制方程．对节理裂隙岩体中外力对裂隙渗流的影响进行了分析研究，提出了渗流场—应力场耦合的分析模型，推导出三维应力与裂隙水压力共同作用下一组平行裂隙组的渗流应力耦合关系式。