岩体楔形裂隙水压力分布探讨

岩体所具有的节理、裂隙等缺陷是岩体渗流的主要通道,当岩体由于开挖或加载导致岩体的原始地应力状态发生变化时,岩体裂隙的隙宽将会发生变化,而岩体裂隙宽度的变化将引起裂隙中的水压力分布发生变化.假定岩体应力发生变化时,裂隙由平行板裂隙变为楔形板裂隙,由此推导了楔形板裂隙中的水压力分布公式,并与前人的研究结果进行了对比.     

水库水位升降影响下库岸裂隙岩体渗流特性分析

水力边界变化对边坡岩体渗流应力状态以及岩体稳定性具有重要影响。本文应用离散裂隙网络非稳定渗流模型,分析水库水位升降运行方式对岩质边坡内渗流场的影响,探求裂隙岩体内部水头分布与边界水位之间的关系。分析表明,水库水位升降变化时,边坡岩体渗流场中水头改变存在滞后效应,滞后程度与水位变化速度、研究点距变化边界的距离、以及裂隙的连通性等密切相关。水库水位和运行方式是影响裂隙岩体渗流场分布的主要因素。水库水位单向匀速上升(下降)或连续等速升降时,裂隙岩体渗流场主要决定于边界水位值。水库水位非等速连续升降变化时,岩体渗流场主要决定于水位升降速度之差以及节点位置。如果采用慢蓄快泄的运行方式,将在岩体内形成较大的渗透动水压力,降低岩体的稳定性。     

应力对裂隙岩体渗流影响的研究

研究了应力变化对裂隙岩体渗流特征的影响。假设裂隙网络由等效隙宽相等的相互平行的一组裂隙组成，由于应力变化而导致的隙宽变化控制了裂隙岩体渗流的变化，据此得出了裂隙岩体渗透系数及渗流量与应力的关系式。通过裂隙岩体渗流试验，证实了关系式的正确性。利用此关系式及有限元方法计算，得出了裂隙岩体渗透系数随应力的变化值。     

含交叉裂隙节理岩体锚固效应及破坏模式

 用相似材料制作含交叉裂隙岩体无锚及加锚试件,以主次裂隙之间角度、锚固位置及锚杆与加载方向之间角度为变化参数制作32组试件,对试件进行单轴压缩试验,研究含交叉裂隙节理岩体的锚固效应及破坏模式。研究表明：在主、次裂隙位置不变的情况下,锚固位置在裂隙交叉点上方或下方时能得到锚固强度最大值,当锚固位置通过裂隙交叉点时,锚固强度不是最大值,但此时锚后试件峰值强度最稳定;大部分含交叉裂隙加锚岩体强度高于含单一裂隙加锚岩体;主、次裂隙夹角影响节理岩体加锚后力学性能,主、次裂隙夹角为30°左右时节理岩体锚固效果最好;锚杆增强了含交叉裂隙节理岩体抵抗裂隙扩展的能力,降低了含交叉裂隙节理岩体劈裂破坏出现的突然性。     

多级加载下岩石裂隙渗流分段特性试验研究

利用自行研制的岩石裂隙辐射型渗流系统,试验研究室温下粗晶大理岩、中砂岩、灰岩和细晶大理岩4个岩石张裂隙在法向闭合过程中的渗流分段特性及加载历史的影响。根据闭合裂隙的接触状态及流域分布特征,裂隙渗流可分为群岛流、过渡流、沟槽流3个阶段;单位水头流量与法向应力呈指数函数关系,随法向应力增加而降低,后次加载中相同法向应力下单位水头流量明显较低;单位水头流量与力学隙宽呈幂函数关系,幂指数范围为1.93～2.60,可认为接触型粗糙岩石裂隙渗流量与力学隙宽呈次立方关系;后次加载时,相同力学隙宽下单位水头流量也明显较低;水力等效隙宽与力学隙宽呈分段的线性关系,修正的立方定律在相应分段内成立。研究结果对岩体裂隙渗流计算有一定的理论意义。     

节理岩质边坡地下水渗流的离散元分析

从岩体裂隙网络渗流的特点出发,以节理开度变化为纽带,对裂隙岩体渗流场与应力场耦合的离散裂隙网络模型进行分析,采用离散单元法对节理岩质边坡不同库水位条件下的渗流场与应力场进行了耦合分析,比较真实地模拟了库水位上升对节理岩质边坡渗流场与应力场的改造,研究了库水位上升对边坡变形和稳定性的影响规律.结果表明:水库蓄水后,随着水位的抬升,坡体内的最大位移、最大孔压、最大流量均有不同程度的增大,而边坡的稳定性逐渐降低.     

基于核磁共振实时成像技术的裂隙砂岩渗流特性研究

地下工程岩体内部存在着大量不规则、多尺度的孔(裂)隙,使得其渗流问题十分复杂,研究裂隙岩体的渗流特性及流场分布对岩体工程安全和深部资源开发利用具有重要的工程实际意义。利用核磁共振岩石渗流过程实时在线分析与成像系统对含不同裂隙性状的砂岩试样开展裂隙岩石渗流试验,对渗流过程中试样的体积含水率、T2谱曲线和渗透系数等参数的演变规律进行分析。结果表明:裂隙岩石试样的渗透特性与裂隙倾角和数量有关,岩石裂隙萌生和扩展受到渗透压力增加的影响,试样渗透系数呈现缓慢增加后平稳的趋势。当围压增大时,试样渗透系数减小,且当围压超过10MPa时渗透系数变化的敏感度降低。T2谱分布曲线的结果则表明流体首先在微孔隙中发生渗流扩散,然后在主裂隙中聚集,逐渐形成完整渗流通道。根据立方定律推导的渗透系数计算公式能较好的反映试验结果,为实际工程中低围压裂隙岩体渗透系数的计算提供更加安全可靠的方法。最后,通过对裂隙岩石试样的渗流过程进行核磁共振成像,直观获得了试样内部渗流场的分布规律,可准确描述流体在裂隙试样中的流动状态,为实际工程岩体裂隙渗流问题提供有意义的指导。     

声波探测技术判别某水电站坝址区岩体缺陷

为掌握某水电站坝址区岩体节理裂隙、断层破碎带规模及其分布，选择了坝址区ZK1孔、ZK3孔、ZK7孔，采用声波探测技术进行钻孔岩体声波波速测试。结果表明：拟建坝址区岩体完整段波速高，节理裂隙发育地段以及断层带呈明显的低速突变；裂隙发育带、断层带岩体纵波波速Vpm一般小于2500m／s，弱风化岩体纵波波速Vpm一般在3100—4000m／s，微风化岩体纵波波速Vpm一般为5000—5800m／s。研究结果对分析判断岩体中存在的节理裂隙、断裂等缺陷，为解决坝址稳定及渗漏问题提供了重要的依据。     

岩体裂隙面粗糙度对其渗流特性的影响研究

为了研究岩体裂隙面的粗糙程度与渗流机制间的相互关系,将裂隙沿长度方向均匀分割成若干段,通过设置每一段末端的随机高度,生成两侧对称的粗糙裂隙面。基于格子Boltzmann方法,采用不可压缩流体的D2G9模型,验证了经典的Poiseuille流,计算了不同相对粗糙度岩体裂隙的渗流特性,讨论了裂隙面粗糙度对渗流流态的影响。研究结果表明:裂隙结构壁面对流体的阻碍作用,使得流体在壁面附近的流动产生急剧调整,同时随着裂隙相对粗糙度的增加,在裂隙隙宽急剧变化的部位,局部伴随着旋涡的形成,导致流体内部摩擦阻力作用增大。在单位时间截面渗流流量及每一段平均隙宽相等的条件下,将本数值解与多平行板理论解进行了对比,对于相对粗糙度δ=0.01674的裂隙方案,由于多平行板理论解忽略了粗糙裂隙隙宽变化而引起的局部压降,其裂隙中线处压降产生的最大误差达到15.2%。当相对粗糙度较小时,裂隙中线处的压力与光滑平板流相类似,近似呈线性变化。随着裂隙相对粗糙度增大,压力变化偏离直线方向,且在断面由窄突然变宽的部位,压力变化偏离线性尤为显著。     

露天煤矿边坡岩体渗流特性及水压控制方案的研究

本文从裂隙岩体渗流理论出发,以某露天煤矿边坡岩体现场节理裂隙调查及水压动态资料为基础,建立边坡岩体渗流模型,分析评价水压动态与疏干工程施工过程及边坡稳定性的关系,并提出了有实际意义的水压控制方案。     

基于非稳定渗流过程的岩体渗透特性反演分析

 考虑岩土体渗流场在工程施工及运行过程中的动态特征,依据水头和流量2类测点的实测时间序列数据,建立基于正交设计、非稳定渗流正分析、BP神经网络和遗传算法相结合的非稳定渗流场反演分析方法,在一定程度上体现了多目标优化、全过程反演的特点,较好地解决了岩体渗透系数反分析的唯一性与可靠性问题。为了避免在反问题中由于利用水头和流量2种类型观测资料所带来的量纲问题,将水头和流量时间序列数据误差项归一化后构造量纲一化的目标函数,并在目标函数中引入权系数w,从而避免寻优时某一类型观测信息占优。针对长河坝水电站基坑施工期涌水问题,根据施工期各渗压计、基坑渗漏量实测时间序列资料和上游河水变化过程曲线,采用上述方法反演了坝基岩土体的渗透系数。反演分析结果表明：渗压、流量测点的实测和计算时间序列数据吻合较好,反演给出的各岩土体渗透系数与现场钻孔压水试验得到的岩体渗透特性分级相符,从而论证了该反演分析方法的可行性和反演结果的可靠性。研究结果为进一步评价大坝正常蓄水后坝基防渗体系的有效性提供了依据。     

裂隙岩体渗流与应力耦合分析

岩体变形与水力特性主要决定于岩体中的裂隙分布、密度和尺寸。本文建议的岩体渗流与应力耦合分析方法以裂隙渗流理论和变形本构关系为基础。文末给出重力坝及坝基渗流与应力耦合数值分析算例。     

考虑基桩影响的粉砂地基深基坑流砂模型试验研究

采用自制的基坑工程渗流、渗透破坏模型试验装置,通过对水头与土体变形的观测,研究均质砂土与粉土地基基坑工程中考虑基桩影响的渗透破坏问题,揭示基坑工程土体渗透破坏模式.结合有限元数值模拟分析,从土体应力状态改变的角度研究基坑工程的渗透破坏机制,并分析基桩对土体渗透破坏的影响以及渗流对基桩受力变形的影响.研究成果表明,受渗透力的作用,围护结构底部土体首先进入塑性状态,当坑内土体形成贯通的塑性区时,即发生渗透破坏.在均质地基中,其模式为楔形体破坏.受黏聚力的影响,粉土破坏时的水头差较砂土大,同时基桩的影响也会增大破坏时的水头差.     

三峡库区泄滩滑坡渗流场与应力场耦合分析

泄滩滑坡坡体从水力学特性来看为3层透水性较强的岩层(坡积物、滑坡堆积物和滑坡影响带)和2层透水性较弱的岩层(滑带和基岩)构成的互层状结构。以此为基础,进行了三峡库区蓄水至175m水平时泄滩滑坡的渗流场与应力场耦合分析,得出滑坡体内水头分布、滑带底面承受的浮托力分布以及各应力分量分布。可以看出,泄滩滑坡水力学特性上的这种互层状结构不利于滑坡体的稳定,耦合作用对渗流场的影响不大,但对应力场的影响较大。     

用渗透性随埋深变化趋势 反求岩体变形模量的简化模型

 取得大尺度范围岩体的宏观力学参数是地质工程领域的难题。渗透性随埋深衰减的趋势恰恰反映岩体在大尺度范围的渗流场–应力场耦合行为,为解决这个问题提供契机。根据自重应力作用下岩体的应变–渗透耦合机制,以孔隙度和裂隙宽度为中间参数,建立利用渗透性随埋深变化趋势反求岩体变形模量的简化模型,推导了岩块体积模量和结构面法向刚度的反演公式。这种简化模型是在假设岩体物质结构相对均匀、只存在单组裂隙、无构造应力的理想情况下建立的,但为获取大尺度范围岩体的宏观应力–应变参数提供一种新的参考途径。     

Der Einfluß der Druckwasserspiegelabsenkung auf den Speicherkoeffizienten

Kurzfassung: Durch eine Grundwasserabsenkung wird bei gespannten Verh?ltnissen die effektive Spannung erh?ht und hierdurch eine Kompression des Korngerüstes hervorgerufen. Bei der Definition des Speicherkoeffizienten wird im allgemeinen davon ausgegangen, da? die Kompression des Korngerüstes spannungsunabh?ngig ist. Tats?chlich zeigen besonders erstverdichtete Lockergesteine eine z. T. stark nichtlineara Abnahme der Kompressibilit?t Durch Verwendung einer in der Bodenmechanik gebr?uchlichen Beziehung zwischen Kompressibilit?t und effektiver Spannung kann eine Gleichung abgeleitet werden, die den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Speicherkoeffizienten und der Druckwasserspiegelabsenkung beschreibt. Anhand mehrerer theoretischer Beispiele wird dargelegt, da? sich der Speicherkoeffizient bei einer Druckwasserspiegelabsenkung um über 50% ver?ndern kann.

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Effective stress on a confined aquifer is increased if the piezometric head is lowered. The results is a compression of the grain skeleton which is usually considered to be a linear function of the stress. The coefficient of aquifer compressibility that is used for the definition of the storage coefficient would be a constant under this assumption. However, due to the nonelastic behaviour of the soil in particular under virgin compression, the compressibility depends upon the stress exerted on the aquifer. An equation for the functional relationship between storage coefficient and piezometric head can be derived by using a formula that relates compressibility and effective stress. Several theoretical examples demonstrate that the alteration of the storage coefficient under a decline of the piezometric head can amount to more than 50%.

     

含浅层强透水层堤基的上覆砂层管涌破坏试验研究

堤基中往往存在局部浅层强透水层并形成渗流优先通道,该通道不能大幅度削减流体的水头势能,易引起堤基管涌破坏,此类堤基管涌破坏机理的研究尚不明朗,仍需进一步研究。采用砂槽试验模拟堤基渗流,试验中通过抬升水箱水位,观察砂土中细颗粒流失现象,并分析渗流量、渗透坡降、测压管水头、砂土颗粒级配、锥头阻力、沉降量等关键参数。试验结果表明,水箱水位增大至48cm,浅层强透水层上覆砂层被"击穿"发生管涌破坏,管涌破坏分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段(0.05d≤0.075粒级砂土流失)、较细颗粒流失阶段(0.075d≤0.1粒级砂土流失)、管涌破坏扩大阶段(0.1d≤0.25粒级砂土流失)。管涌破坏过程中,细颗粒砂土流失,锥头阻力降低,砂土层发生沉降,且较细颗粒流失阶段的沉降较为突出。细颗粒砂土流失导致砂土层孔隙率和渗透系数上升,渗流量和渗透坡降随之增大。     

考虑渗流场影响深埋圆形隧洞的弹塑性解

将深埋圆形隧洞各影响因素简化为轴对称。首先，求解得到渗流场；然后，以渗透体积力方式作用在应力场，求解得到弹性位移和应力解析表达式，再应用Mohr-Coulomb屈服准则，求解得到塑性应力和塑性半径的解析表达式。通过考虑和不考虑渗流场影响两种方法的实例分析表明，随着洞内外水头差的逐渐增大，渗流场对应力场的影响作用将显著增大，但对切向应力的影响程度要比径向应力的大，且径向应力和切向应力不再符合无渗流时的分布规律，出现大小值交换：同时，随着内水水头的增大，涮周压应力和塑性半径逐渐减小，直到出现无塑性区；另外，考虑渗流场影响计算得到的塑性半径要比不考虑时大。     

土的自重应力新探

土的自重应力分布是土力学的基本理论之一,对于地下水位以下饱和粘性土中的自重应力分布目前学术界尚无定论。本文分别从浮力原理和有效应力原理出发,探讨了渗流作用下土的自重应力分布问题,揭示了地下水竖向渗流对土的自重应力分布的影响作用,解决了地下水位以下饱和粘性土中的自重应力分布问题。本文研究成果显示,在多层含水层系统中,由于地下水水头分布的不同,地下水在地下水位以下饱和粘性土中可能产生负浮力、零浮力、欠浮力、静水浮力或超浮力,土的自重应力分布与传统方法计算结果有很大的差别。正是由于地下水竖直方向的渗流影响,造成了长期以来对土的自重应力的低估或高估,以及对土的应力历史的误判。因此对土力学以及岩土工程中的许多问题比如土压力问题、地下水的浮力等问题,需要重新审视。