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。     

岩桥破坏的简化模型及在节理岩体模拟网络中的应用

提出一个简化的岩桥破坏 /结构面扩展模型 ,该模型符合现有试验观测成果 ,在力学机理上基于Lajtai对岩桥剪切破坏的研究 ,能方便地计算实际问题中各种结构面组合情况下的抗剪力。利用先进的优化方法 ,该模型用于在结构面模拟网络中搜索抗剪力最小的结构面-岩桥组合 ,从而研究裂隙岩体的结构面连通特性和综合抗剪强度。算例和分析表明 ,在不同的法向应力作用下 ,岩体沿某一组结构面受剪时 ,破坏路径上的连通率为常数 ,这时可以使用连通率求取岩体的综合抗剪强度指标。在剪切方向与某一组结构面的平均延展方向不相同时 ,破坏路径上的连通率随法向应力的改变而改变 ,这种情况下岩体的综合抗剪强度只能通过模拟试验直接求得。     

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。     

节理倾角及连通率对岩体强度、变形影响的单轴压缩试验研究

 利用含一组张开预置裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究节理组的产状和节理连通率的连续变化对张开断续节理岩体单轴压缩强度和弹性模量及应力–应变曲线的影响。试验研究发现：(1) 随着节理连通率的增大,应力–应变曲线的延性增强,由单峰曲线变为多峰曲线;(2) 在节理倾角不变时,随着节理连通率的增大,岩体的峰值强度和弹性模量都逐渐降低,且二者变化规律不完全相同,可采用不同幂函数的倒数来表示,其系数与节理倾角有关;(3) 当节理连通率不是很大时,岩体的峰值强度和弹性模量随节理倾角的变化规律大致相同,节理倾角为90°时岩体峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为30°和60°时岩体的峰值强度和弹性模量最低,出现2个极小值。当节理连通率较大时,节理倾角为90°时岩体的峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为45°时岩体的峰值强度最低,节理倾角为0°～60°时岩体的弹性模量都很低。对试件破坏过程的进一步分析表明,上述岩体宏观力学特性随节理倾角和连通率的变化规律,与预制节理的闭合摩擦、岩桥内拉伸和剪切裂纹产生及与预制节理组合形成宏观组合破坏面等细观损伤力学机制密切相关。     

非贯通节理岩体剪切力学行为细观模拟分析

通过引入光滑节理模型,可真实地反映剪切过程中节理岩体力学行为。采用颗粒流软件,从细观角度研究了不同连通率条件下剪切过程中裂纹扩展规律和剪裂面应力分布特征。研究结果表明:颗粒流数值模拟软件可以较好地再现和重复节理岩体直剪试验;细观数值模拟分析可得到剪切过程节理岩体剪切面应力分布情况;随连通率增大,节理岩体对应峰值强度减小,产生张拉裂纹比例降低;在剪切过程中剪应力不断变化,试样受到的水平剪切力主要由中间岩桥承担,两边节理只承担小部分剪力。     

三维条件下应用遗传算法与Monte-Carlo法确定节理岩体的综合抗剪强度

使用遗传算法并充分利用二维研究成果，提出了在结构面三维模拟网络中搜寻结构面与岩桥的最小抗剪力组合的断层扫描方法，从而可以应用Monte-Carlo法的原理，在计算机上多次模拟岩体的剪切试验，最终确定节理岩体的综合抗剪强度。该方法反映了结构面在三维岩体空间的几何分布特征，抓住了控制岩体力学性质的主要因素，并通过使用二维的结构面扩展模型反映了结构面与岩桥的破坏机理及结构面与岩桥的相互作用机理。实例分析的计算结果与反演结果相符，说明了该方法的合理性。     

三维结构面连通率的随机模拟计算

通过对裂隙岩体中大量随机分布的结构面调查资料的统计分析，得出结构面分布的统计规律，运用随机模拟的方法，建立了裂隙岩体的三维结构面网络。通过三维结构面网络图像，在大量实际工程岩体破坏面特征调查的基础上，提出了三维结构面连通率的概念，并应用岩桥破坏机理，选取通过破坏面的结构面，采用三维曲面拟合的方法，建立了三维结构面连通率的计算方法。     

含两条节理岩样压缩破坏行为的颗粒流模拟

利用颗粒流软件中平行粘结方式建立数值计算模型,通过校核室内试验数据确定数值模型的细观参数值,并采用smooth-joint在模型中设置两条断续节理,通过改变岩桥倾角和节理倾角,建立不同节理布置数值模型。从细观和宏观两方面,研究单轴压缩荷载下节理试样内接触力、微裂隙数量和节理岩体的破坏行为发现,峰值轴向应力之前,微裂隙数量增加缓慢,峰值轴向应力之后,微裂隙数量迅速增加;颗粒接触力易在节理端部和岩桥处聚集,在节理中间段附近分布较为稀疏,接触力较大的位置易产生裂纹;峰值轴向应力时刻,岩桥倾角为15°时,岩桥均未贯通,岩桥倾角为45°和75°时,绝大部分试样的岩桥贯通了,节理倾角为90°时,岩桥全部没有贯通。     

水平厚层状岩质边坡地震动力破坏过程颗粒流模拟

 基于二维颗粒流软件(PFC2D)的人工合成岩体技术,研究岩桥长度和节理间距不同组合形式下的含水平断续节理厚层状岩质边坡在地震作用下的破坏模式、动力响应规律以及岩桥段应力演化特征。研究结果显示：地震动作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡主要发生溃散型破坏、拉裂–滑移–块体倾倒混合破坏和拉裂–水平滑移混合破坏;水平断续节理是控制边坡动力稳定性的关键因素。节理间距对边坡破坏模式起控制性作用：当节理间距较小时,易发生溃散型破坏;当节理间距较大时,易发生拉裂–滑移–块体倾倒破坏和拉裂–水平滑移混合破坏。岩桥长度和节理间距共同控制着边坡岩体破碎程度,从而控制着边坡失稳破坏时滑动面的个数,当节理间距很小或者节理间距较大、岩桥长度较小时,发生单滑动面破坏;当节理间距和岩桥长度均较大时,发生双滑动面破坏。在地震动力作用下,岩桥段首先发生破坏,随后各节理间也产生破坏并贯通。岩桥长度和节理间距对边坡动力响应均产生一定影响,随着节理间距减小、岩桥长度增大,峰值位移、峰值速度增大,对加速度PGA放大系数的影响区域集中在边坡坡表、坡脚等部位。地震作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡岩桥段应力演化、裂纹萌生与输入的地震波加速度具有良好的一致性。     

含断续节理岩体强度的各向异性研究

根据断续节理岩体结构的力学效应和压剪断裂破坏特征，用Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ经验准则预测含断续节理岩体的强度，建立强度参数ｍ，ｓ值与断续节理的几何尺寸、结构形式以及岩桥和节理面物理力学参数之间的定量关系，阐明含断续节理岩体强度的各向异性特征，提出合理确定断续节理岩体强度参数ｍ，ｓ的定量分析法。     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。     

Determination of mechanical parameters for jointed rock masses

Combining with empirical method, laboratory test and numerical simulation, a comprehensive system was presented to determine the mechanical parameters of jointed rock masses. The system has the following four functions: (1) Based on the field investigation of joints, the system can consider rock mass structures, by using network simulation technology. (2) Rock samples are conducted by numerical simulation with the input engineering mechanical parameters of rocks and joints obtained from laboratory tests. (3) The whole stress-strain curve of jointed rock masses under certain normal stress can be plotted from numerical simulation, and then the shear strength parameters of jointed rock masses can be obtained from the whole stress-strain curves under different normal stresses. (4) The statistical values of mechanical parameters of jointed rock masses can be determined according to numerical simulation. Based on the statistical values, combining with engineering experiences and geological investigations, the comprehensive mechanical parameters of jointed rock masses can be achieved finally. Several cases are presented to prove the engineering feasibility and suitability of this system.     

基于3D打印技术的模拟柱状节理岩体试样制备方法

以规则正六棱柱型柱状节理岩体为对象,介绍了基于3D打印技术的模拟柱状节理岩体试样制备方法,即在SolidWork中建立柱状节理网络3D打印数字模型,以光敏树脂为打印材料,采用3D打印技术打印具有不同倾角的圆柱形柱状节理网络模型,并以此为模具,采用白水泥浆为模型材料进行浇筑,经过拆模、黏结等程序制备具有不同倾角的模拟柱状节理岩体试件;再通过对试件进行单轴抗压强度试验,分析模拟柱状节理岩体试件的强度、变形和破坏特征,初步验证了上述基于3D打印技术的制样方法能够较好考虑柱状节理岩体的结构特性,反映柱状节理对岩体强度的弱化效应,所制备的柱状节理岩体试件基本满足柱状节理岩体室内试验的要求。     

柱状节理岩体各向异性强度准则研究

以正六棱柱型柱状节理岩体为研究对象,根据柱状节理的分布特性,在参考Ramamurthy非线性强度准则的基础上,引入节理系数表征节理对岩体强度的影响,建立正六棱柱型柱状节理岩体各向异性强度准则。该强度准则以幂指数形式反映柱状节理岩体的强度非线性。分析时首先针对正六棱柱型柱状节理岩体,研究节理系数的计算方法,然后结合模拟柱状节理岩体单轴和三轴压缩试验结果确定各向异性强度准则中的常数,在此基础上采用已有试验数据对该各向异性强度准则进行初步验证。结果表明:该各向异性强度准则能够较好地反映柱状节理岩体强度的各向异性和非线性,预测值与实测值比较吻合。     

非连续变形分析(DDA)中断续节理扩展的模拟方法研究和试验验证

在非连续变形分析方法中,可用虚节理表示岩石破坏过程中潜在的破坏路径,因此断续节理中节理面开裂、扩展、贯通过程认为是虚节理(岩桥)向实节理转化的过程,这一过程伴随着虚节理(岩桥)力学性质参数的弱化,且弱化程度受到虚节理向实节理转化程度的影响。因此,利用表征虚节理向实节理转化程度的虚节理连通率对虚节理力学性质参数的弱化规律进行研究,得出力学性质参数弱化函数;在此基础上对Jennings强度准则和最大抗拉强度准则进行处理,提出应用于非连续变形分析计算的断续节理强度形式;最后,将虚节理力学性质参数弱化规律和处理后的断续节理强度表达式运用于非连续变形分析计算程序中,实现对断续节理扩展过程的模拟算法。并通过剪切试验计算结果与室内试验结果的比较,验证该算法的正确性。     

岩体尺寸效应及其特征参数计算

 岩体的尺寸效应包括完整岩块的尺寸效应与节理岩体的尺寸效应,但两者之间还缺乏有机联系。基于物理力学试验与细观参数统计分布理论,建立试样尺度的随机概率模型。通过统计宏观节理分布,建立包含随机分布节理的岩体尺度模型。将实验室获得的岩块强度应用于岩体的计算中,提出一种从细观层次、宏观层次的多尺度岩体工程计算方法,建立2种尺度效应的联系。最后,就非均匀性、围压与节理密度对岩石尺寸效应的影响问题展开探讨。随着均值度的增加,试样的特征尺度逐渐减小。随着围压的增大,岩体特征强度逐渐增大,而岩体力学参数的特征尺寸增大不明显。随着节理密度的增大,特征尺寸和相应的特征强度都是减小的。本方法试图建立细观与宏观力学参数之间的桥梁,获得岩体计算的力学参数,为解决工程岩体参数取值与计算提供一条思路。     

非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型

非贯通节理岩体是同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的复合损伤地质材料,基于此提出了在非贯通节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷的观点。首先对基于细观动态断裂机理的经典动态损伤本构模型——TCK模型进行了阐述,其次针对目前节理岩体损伤变量定义中仅考虑节理几何参数而未考虑其强度参数的不足,基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及强度参数的宏观损伤变量(张量)的计算公式;第三,基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量);第四,借鉴前人基于复合材料力学的观点,考虑了节理法向及切向刚度等变形参数对岩体动态力学特性的影响,进而建立了基于TCK模型的非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型。并利用该模型讨论了载荷应变率、节理内摩擦角、节理厚度、节理法向及切向刚度和节理倾角等对岩体动态力学特性的影响规律。计算结果与目前的理论及试验研究结果比较吻合,从而说明了该模型的合理性。     

Influence of degree of interlock on confined strength of jointed hard rock masses

The strength of jointed rock mass is strongly controlled by the degree of interlock between its constituent rock blocks. The degree of interlock constrains the kinematic freedom of individual rock blocks to rotate and slide along the block forming joints. The Hoek–Brown (HB) failure criterion and the geological strength index (GSI) were developed based on experiences from mine slopes and tunneling projects in moderately to poorly interlocked jointed rock masses. It has since then been demonstrated that the approach to estimate the HB strength parameters based on the GSI strength scaling equations (called the ‘GSI strength equations’) tends to underestimate the confined peak strength of highly interlocked jointed rock masses (i.e. GSI > 65), where the rock mass is often non-persistently jointed, and the intact rock blocks are strong and brittle. The estimation of the confined strength of such rock masses is relevant when designing mine pillars and abutments at great depths, where the confining pressure is high enough to prevent block rotation and free sliding on block boundaries. In this article, a grain-based distinct element modeling approach is used to simulate jointed rock masses of various degrees of interlock and to investigate the influences of block shape, joint persistence and joint surface condition on the confined peak strengths. The focus is on non-persistently jointed and blocky (persistently jointed) rock masses, consisting of hard and homogeneous rock blocks devoid of any strength degrading defects such as veins. The results from this investigation confirm that the GSI strength equations underestimate the confined strength of highly interlocked and non-persistently jointed rock masses. Moreover, the GSI strength equations are found to be valid to estimate the confined strength of persistently jointed rock masses with smooth and non-dilatant joint surfaces.     

节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究

 针对节理岩体开挖卸荷所产生的各向异性力学难题,通过制作不同倾角单一预制节理试件,开展节理岩体三轴卸荷试验,研究卸荷条件下节理岩体的应力–应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。得到如下结论：(1) 进入卸荷阶段之后,0°,30°和90°倾角节理试件的应力–应变曲线依次出现屈服、软化和残余变形阶段,而45°和60°倾角节理试件只出现屈服阶段。(2) 节理试件的变形模量随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件的变形模量最小;随着围压升高,不同倾角节理试件之间的变形特性差异逐渐减小。(3) 0°,30°和90°倾角节理试件的抗压强度降低,而45°和60°倾角节理试件几乎未降低;节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件仍为最小;而内摩擦角随节理倾角增大而增大。(4) 0°,30°和90°倾角节理试件的破坏模式均为穿越节理的压剪破坏,且不受节理影响,而45°和60°倾角节理试件的破坏模式均为沿节理面滑动破坏。(5) 揭示节理岩体的卸荷力学特性分为受岩块强度控制和节理面强度控制。