岩体不连续面互相关产状模拟的Copula函数方法

为准确描述岩体不连续面产状(倾角和倾向)的统计特性,并考虑倾角和倾向之间的互相关性,提出不连续面互相关产状模拟的Copula函数方法,通过确定拟合不连续面产状实测数据最优的边缘概率分布和Copula函数(相关结构),建立不连续面倾角和倾向的二维联合概率分布函数。同时与传统的Fisher分布和二维经验分布方法的计算结果进行可视化对比分析,采用极射赤平投影方法在赤平投影图上比较实测产状和不同方法模拟的产状之间的差别。最后,通过4个案例验证了提出方法的有效性。结果表明：传统的Fisher分布和二维经验分布方法不能准确描述不连续面产状之间的互相关性,而提出的Copula函数方法能够基于少量的实测数据更加灵活地构造出具有任意边缘分布类型和相关结构的产状联合概率分布函数,更加真实地表征不连续面产状之间的互相关性,克服了以往构建不连续面产状概率分布模型时将倾角和倾向视作2个独立变量的局限性。     

岩体结构面产状的综合模糊聚类分析

在岩体的力学和水力学分析中,岩体结构面产状的分析是极为重要的基础工作。传统的结构面产状图形分析较粗糙,因此模糊聚类方法得到了一定的应用。分析了模糊等价聚类方法和模糊软划分聚类方法在岩体结构面产状分析中的优缺点,并将上述2种方法结合起来形成岩体结构面产状的综合模糊聚类分析方法,给出具体的计算方法和过程。实例分析表明,结构面产状综合模糊聚类分析方法对结构面产状的分类合理,结果可靠,可根据实际问题灵活运用。     

不连续面产状Fisher分布拟合度检验方法的改进

 Fisher分布是描述不连续面产状最常用的概率密度函数。在使用Fisher分布描述不连续面产状时,首先应对Fisher分布拟合度进行检验。在回顾Fisher分布拟合度的传统检验方法的基础上,提出一种新的修正检验法。修正检验法的核心思想是在检验过程中对“超越上半球投影的产状(OEBEUHP)”进行调整。最后给出3个算例：算例1和2采用利用蒙特卡洛模拟技术生成的理论上服从Fisher分布的数据,通过对比传统检验法和修正检验法的结果来验证修正检验法的正确性;算例3中的数据来自某露天金矿边坡,该算例作为工程实例来应用本文提出的修正检验方法。结果表明：(1) 由于受OEBEUHP的影响,利用传统检验方法可能会得出错误的检验结果(如算例1和3);(2) 由于对OEBEUHP进行了调整,修正检验法总能得到正确的检验结果;故在检验不连续面产状Fisher分布拟合度时应采用本文所倡导的修正检验法。     

不连续岩体温度场的复合单元模型初步研究

 基于复合单元法原理和不稳定温度场的隐式解法,提出针对不连续岩体温度场的复合单元法。该算法的特点是每个复合单元可以含有任意的不连续面,如断层或节理,且当结构中含有需在计算中离散处理的不连续面时,网格的生成不受不连续面的数量、位置和方向的影响。初步研究针对含1条节理的复合单元模型展开,假定岩块中无对流和辐射影响,推导岩块子单元和不连续面的热传导计算式,得到不连续岩体温度场的复合单元算法基本方程组,然后将该算法整合到传统有限元分析程序中。分别采用传统有限单元和复合单元法模拟热水流过单条裂隙时岩体温度场的变化过程,二者的计算结果非常接近,表明不连续岩体温度场的复合单元算法是合理和有效的,但其配套的温度场等值线后处理程序有待进一步完善。该算法的提出为深部岩体的多场耦合研究提供又一思路。     

岩体随机不连续面三维网络数值模拟技术

岩体随机不连续面三维网络数值模拟技术是近年来逐步发展起来的一项新技术 ,该技术对坚硬块状节理化岩体的稳定性评价 ,及岩土工程设计几何参数的获取是一项重要的基础工作。该技术是在现场不连续面窗口调查的基础上 ,应用概率统计、随机理论、蒙特卡罗模拟及计算机编程等方法 ,通过对现场测量样本的产状、迹长、间距等的偏差校正 ,最终生成不连续面三维网络数值模型。     

不连续岩体渗流的复合单元法初步研究

基于复合单元法的原理，提出了不连续岩体三维渗流的新算法。该算法具有以下3个主要特点：（1）不连续面（如断层或节理）含于复合单元之中，在划分网格时不予考虑，使网格的生成大大简化：（2）复合单元中可含有由不连续面分割而成的任意形状的子单元，每个子单元各有一组用于插值的映射节点水头。子单元的水头势、流速由相应映射节点水头计算得到，而复合单元中不连续面上的水头势、流速则由其相邻的2个子单元的映射节点水头计算得到；（3）复合单元中映射子单元的节点水头求解过程与传统有限元法类似，不含不连续面的单元自动退化为常规有限单元，因而复合单元法计算程序可以方便地与传统有限元分析程序融合。简单模型算例验证了该算法的正确性，而重力坝算例则表明该算法的有效性和在前处理上的优越性。     

不连续岩体的三维弹粘塑性复合单元模型研究

阐述了复合单元法的原理，并在此基础上提出了针对不连续岩体的算法。该算法最突出的特点是每个复合单元可以含有几个不连续面，如断层或节理。该算法的主要优点是可以方便地整合到传统有限元分析程序中，且当结构中含有较多需在计算中离散处理的不连续面时，计算网格的生成不受不连续面的数量、位置和方向的影响。算例表明这种新方法是合理和有效的。     

钻孔岩心不连续面产状测定技术

本文简述克雷林岩心定向器的定向技术和三种确定岩心不连续面绝对产状的方法。这三种方法是赤平投影制图法、仪具法和解析法。     

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。     

渗流分析中排水孔和不连续面模拟的复合单元法

基于变分原理,研究渗流分析中模拟排水孔和不连续面的复合单元法。该方法将不连续面隐含于复合单元之中,并根据其切割情况将该岩体单元划分为若干个岩块子单元,同时视排水孔为强渗透介质,并将其作为“空气子单元”置于复合单元内部,但排水孔和不连续面无需在计算网格中绘出。复合单元法可以方便地处理排水孔穿越不连续面的情形,并且计算网格可以不受不连续面和排水孔的数量和位置的影响。如果计算域中不含排水孔和不连续面,复合单元法将自动退化为常规的有限单元法。该方法可以降低网格剖分的难度,提高计算效率,算例分析表明该方法是有效和可靠的。     

不同距离计算标准和有效性指标组合方案对节理优势组划分的影响研究

 通过对随机逼近法的扩展,实现不同距离计算标准下的优势组划分,研究不同的距离计算标准和有效性指标组合方案的性能。分析结果表明：欧几里德距离、球面最小弧长和夹角正弦平方均可作为节理优势组划分的距离计算标准,但在不同的距离计算标准下,有效性指标的性能存在明显差异。CH指标仅在球面最小弧长标准下有效;I指标则在欧几里德距离和夹角正弦平方标准下均能给出正确分组结果;DB和XB指标在3种距离计算标准下均可以对优势组数目作出合理的选择。目标函数对分组形式优劣程度的判断与有效性指标的判断存在差异,仅在夹角正弦平方标准下,I指标与目标函数存在良好的一致性。基于分析结果,提出夹角正弦平方距离计算标准和I指标的最优组合方案,实现甘肃北山深部岩体节理产状的优势组划分。     

基于数字钻孔图像的结构面连通性研究

 探讨钻孔内结构面在探测区域的空间延展性及两两钻孔间结构面连通所应满足的条件,并从结构面深度位置、两侧岩性及充填情况等方面进行结构面相关性研究,进一步确定两两钻孔岩体结构面的对应连通关系,最后通过开滦集团唐山矿区两两钻孔间结构面的连通性实例分析,证明通过数字钻孔图像确定结构面连通性的方法是有效可行的。     

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。     

基于VirtuoZo的岩体结构面几何信息获取研究

针对目前岩体结构面信息获取主要以人工现场接触测量为主,劳动强度大、效率低下的现状,进行基于数字摄影测量工作站--VirtuoZo获取岩体结构面几何信息的研究,以期为岩体结构面几何信息的快速获取开辟新的途径.以边坡为研究对象,以全站仪空间前方交会法进行控制测量,以普通数码相机为摄影工具,应用VirtuoZo进行像物关系模型的建立,获取立体影像并测取边坡岩体结构面特征点的空间坐标;再结合所研究的结构面迹线展示模型和基于空间坐标的产状计算模型,获取结构面的迹长和产状信息.与采用人工罗盘测得的产状信息进行比较,得到基于VirtuoZo的岩体结构面产状信息获取的精度.通过广州保利林语山庄边坡加固工程中岩体结构面几何信息获取和应用实践表明,该方法可行且有广阔的应用前景.     

基于动力显式方法的岩体结构面剪切破坏特征研究

 岩体中大量存在的各种不连续面,如断层、节理、裂隙等,是影响岩体工程力学特性的最重要的因素,因此,对岩体中广泛存在的结构面工程特性的研究具有重要的工程意义。在动力显式方法的基础上,对规则锯齿状的结构面进行剪切破坏特征进行分析,并进行室内模型试验。对数值模拟与模型试验的结果进行对比分析,得出归一化的锯齿状结构面在不同法向应力作用下的剪切破坏力学行为及重要剪切破坏规律,并验证了利用动力显式方法进行节理岩体工程力学特性研究的适应性。研究表明：在一定法向应力水平下,规则锯齿状结构面剪切破坏是随着剪切位移的增长而不断扩展,主要表现为结构面上的等效塑性应变分布范围与深度的不断扩大,最后达到纯摩擦的残余强度状态;等效塑性应变的扩展规律一般是在剪切方向上从试样两侧逐渐向中间扩展,对于下侧结构面而言,在达到剪切应力峰值之前,剪切应力主要分布在试样中相背剪切速度方向的一侧,在剪切峰值之后,随着结构面破坏范围不断增大,剪切应力分布趋于均匀;当正应力不断增大时,结构面发生爬坡滑移越来越困难,结构面破坏深度不断增大,峰值剪应力所对应的破坏模式逐渐变为直接剪断锯齿破坏。     

大理岩硬性结构面剪切蠕变及粗糙度效应研究

 针对锦屏二级水电站地下洞室富含节理的实际情况,利用双轴蠕变仪对大理岩硬性结构面进行剪切蠕变试验。通过对大理岩硬性结构面表面的量测,采用平均粗糙角描述大理岩硬性结构面表面粗糙度情况;分析不同粗糙度情况下岩样剪切位移与时间的变化规律。结果表明,粗糙角大的岩样瞬时变形要小于粗糙角小的岩样。此外,试验在较低的应力水平下,岩样蠕变变形表现为衰减蠕变和稳态蠕变,但当剪应力水平达到某一应力水平时,岩样在极短时间内迅速破坏,未出现加速破坏阶段,因此,利用大理岩剪切蠕变试验数据对标准线性体剪切蠕变模型进行辩识,得出各岩样的剪切蠕变模型参数,通过由模型参数得出的拟合曲线与试验曲线比较知采用标准线性体模型是合理的。最后分析各大理岩岩样的平均粗糙角与剪切蠕变模型参数的变化规律。     

岩体变形的替代数据混沌判定方法研究

 观测位移时间序列是岩体变形和破坏过程的综合体现,已广泛用于边坡、隧道和地下硐室等岩石工程的稳定性判断及其预测。根据岩体的观测位移时间序列,通过Fourier变换来生成替代数据,提出其混沌随机性的检验方法,可避免根据最大Lyapunov指数是否为负数以及关联维数是否为非整数来进行混沌判断所引起的不足;分别对玲珑矿巷道及枣林滑坡位移序列进行非线性混沌判定,获得理想的检验结果。     

工程岩体三维构模中钻孔数据处理方法

钻探、物探等工程地质勘察数据是揭示工程岩体空间状态的原始数据,其大量原始数据的处理是工程岩体三维构模中存在的主要困难之一。从三维构模的角度出发,将工程岩体按几何特征抽象为连续性岩体、断裂岩体、倒转褶皱岩体和侵入岩体4种结构单元类型。由于钻孔数据是描述工程岩体的重要原始数据,且具有多尺度性的特点,以钻孔数据为例,提出原始数据的纵向概化准则、横向概化准则和纵横向协调准则的处理方法,解决工程岩体多尺度显示问题。根据地质学的地质数据解释方法,结合岩层层状分布的特点,提出工程岩体三维构模中急需的钻孔数据处理方法:原始数据纵向概化准则和原始数据层处理概化方法。利用层处理方法对实测钻孔数据进行概化处理,确定工程岩体所对应的结构单元类型,进而建立组合结构工程岩体三维模型,验证了所提出的钻孔数据处理方法的可行性。     

基于分布式光纤传感技术的岩土体导热系数测定方法

 以线热源法为基础,阐述基于分布式光纤传感技术的岩土体导热系数测量方法的基本原理。详细介绍测量的基本过程、方法和仪器设备。设计试验模型,对不同含水量情况下的3种岩土体的导热系数进行试验研究。以试验数据为基础,分析光纤温度随时间的变化规律,即随时间变化分为快速和缓慢均匀增长阶段,发现缓慢均匀增长阶段中光纤温度与时间对数具有良好的对数关系,证明该技术可行。同时,研究加热功率大小对导热系数测量的影响,认为在本试验功率范围内,可忽略加热功率对导热系数的影响。在此基础上,研究岩土体含水量对导热系数的影响。研究结果表明,含水量对导热系数具有显著影响,随着含水量的增加,导热系数不断增加,但不同介质的影响程度不同。最后,对该方法进行详细讨论。     

利用地应力实测数据讨论地形对地应力的影响

首先详细描述了研究区域内2个钻孔的水压致裂地应力测试结果，包括测试段深度、最大和最小水平主应力的量值以及诱发破裂的印模定向试验结果。此外，还对测区内地质构造、地形地貌条件以及地层岩性进行了简要的介绍。经过对地应力测试结果以及相关数据的初步分析，发现对于相距仅280m左右的2个钻孔，其地应力状态及其分布规律存在较大的差异。为此，结合三维有限元数值模拟技术，对研究区域的地应力赋存状态和分布规律进行了更为详尽的分析，进一步研究和讨论了地形条件对地应力状态的影响和控制作用。