基于格子Boltzmann方法的土石混合体的渗流特性研究

为了探究土石混合体的渗流特性，基于颗粒离散元法和三维离散元模型虚拟切片技术建立了土石混合体的三维随机孔隙结构模型并将其体素化，引入三维格子Boltzmann方法从孔隙尺度对其渗流开展了模拟，并据此分析了块石含量、相对密实度和块石粒径对土石混合体渗透率的影响，最后探讨了不同条件下块石含量对土石混合体渗透率存在不同影响的内在机制。研究结果表明：当相对密实度和块石粒径不变时，随块石含量增加，土石混合体的渗透率总体上是逐渐增大的，且增大的速率越来越大；相对密实度越高，土石混合体的渗透率越低；块石粒径对土石混合体的渗透率存在一定程度的影响，当块石含量小于临界值时，块石粒径越大则渗透率越小，而当块石含量高于临界值时，块石粒径越大则渗透率越大；当土石混合体中土体的密度保持不变时，其渗透率随块石含量增加先减小后增大。     

节理接触面积和厚度对应力波传播特性 影响的颗粒流数值模拟

节理最重要的两个参数是接触面积和厚度，应用ＰＦＣ2Ｄ颗粒流软件开展了节理岩体动力特性的 数值模拟，研究了节理接触面积和节理厚度对应力波传播特性的影响。通过比较模拟参数和实际参数 证实ＰＦＣ2Ｄ有能力模拟应力波的传播特性。然后考虑到纵波在无节理情况下也存在衰减，进行了模拟分 析。最后将模型分成两组节理厚度，每组都有不同的节理接触宽度比例。最终通过对颗粒流模型的计 算分析得出:无节理情况下纵波在各向同性岩体中存在线性衰减特性；节理的接触宽度比例的减少会使 纵波的传播率减少；节理的厚度越大，纵波的传播率越小。     

岩石材料变形的稳定性分析及破坏形式的分叉分析

材料的非稳定性分析及局部化剪切带分叉分析是当前固体力学研究的前沿课题.本文试图将二者引入到岩石力学研究中,从理论上解决两个问题第一是岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题;第二是岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式问题.为此,首先建立了岩石材料的应变软化损伤模型,用于这两个问题的分析;其次运用经典稳定性问题的能量准则分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件及岩石材料在峰值点后的损伤变形稳定性问题;最后,采用弹塑性材料的不连续分叉准则分析了岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式.根据上述内容,全文分为3个部分,各个部分的主要工作及成果如下第一部分分析了岩石的基本变形性质,引用Frantziskonis和Desai损伤模型的概念,建立了能够反映岩石材料基本变形性质尤其是应变软化特征的损伤本构模型,并与实验结果进行了对比,证明该模型是适用的.第二部分介绍了结构及材料的稳定性问题的基本概念及基本理论和岩石力学中的稳定性问题及其研究现状.运用稳定性的能量准则,分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件.除了在刚性压力机上,采用位移控制的加载方式,获得岩石材料的应力-应变全过程曲线外,在普通压力机上,如果采取适当的措施,无论是何种加载方式,均能获得岩石材料的应力-应变全过程曲线.运用稳定性的能量准则,分析了岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题.证明了岩石材料的峰值点仅是一个分叉点而非失稳点,并提出了分叉点和失稳点的判别方法.模拟计算结果说明上述结论是正确的.第三部分介绍了岩石材料脆性破坏的基本特征及在单轴压缩和三轴压缩应力状态下的破坏形式和弹塑性材料分叉研究的基本理论以及岩土材料分叉研究的现状.采用不连续分叉理论,对岩石材料轴对称问题进行了局部化剪切带分叉分析.结果表明,单轴压缩应力状态下的岩石材料的脆性破坏形式是张破裂的;而常规三轴应力状态下岩石材料的脆性破坏形式是剪切破裂的,不存在张破裂的形式,剪切带方位角随围压的增加而降低.模拟计算结果表明在单轴压缩及低围压三轴压缩状态下,岩石材料的局部化剪切带发生于峰值应力之后,峰值应力点附近.但随着围压的增加,局部化剪切带分叉点将逐步远离峰值点,岩石材料的破坏逐步呈现塑性破坏的特征;当围压增加到一定值时,局部化剪切带将不会发生,此时岩石材料的破坏为塑性破坏形式.     

基于水下抽水试验的岩体渗透系数研究及应用

 通过分析水下岩体钻孔抽水试验的水力边界条件,运用势场叠加原理,将水力边界条件分解为水平补给和垂直补给2个部分。其中,水平补给原理与陆上承压水钻孔抽水补给原理相同;对于垂直补给部分,通过适当的简化假定,推导出垂直补给钻孔渗流量计算公式,从而得到适用于水下岩体钻孔抽水试验渗透系数计算的理论公式。利用该理论公式计算得出的渗透系数,采用数值方法模拟水下岩体现场抽水试验,计算结果与试验结果比较接近。为便于比较,利用基于陆上岩体抽水试验渗透系数计算公式得到的渗透系数,进行抽水试验的数值模拟。计算结果表明：相比基于陆上渗流理论的渗透系数计算公式,本文的理论计算公式能够更合理、更接近实际地反映水下岩体抽水试验的渗流特性。最后,根据本文渗透系数的计算公式,采用数值方法和经验公式预测某拟建海底隧道工程施工期的涌水量,两者结果比较一致,可为隧道选择设计方案和施工方法提供参考。     

非均质岩石材料宏细观力学参数的关系研究

利用基于岩石矿物种类及其含量提出的岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法,针对两矿物细胞元混合的非均质岩石模型进行参数赋值,通过数值试验研究了非均质岩石材料矿物细胞元含量及其力学参数对岩石宏观力学参数的影响;根据数值试验结果,探讨了岩石材料矿物细胞元弹性模量与宏观模量之间的函数关系。研究结果表明,岩石宏观弹性模量与矿物细胞元弹性模量、矿物细胞元含量都具有十分显著的线性相关关系,即基于岩石矿物种类及其含量的矿物细胞元随机性参数赋值方法建立的岩石有限元模型宏细观力学参数之间呈显著的线性关系;宏观力学参数可用细观力学参数的数学期望值即加权平均值来表示。     

岩体基本质量分级模糊综合评价法研究

深入分析影响岩体基本质量的关键因素,根据国标岩体基本质量分级,采用岩石坚硬程度和岩体完整性系数作为评价指标.考虑权重的动态变化将主观权重和客观权重组合,修正正态分布隶属函数,构建岩体基本质量模糊综合评价法模型,最后在全域范围内与国标分级结果进行对比.结果表明:两种方法在全域上的吻合率为67.2%,最大相差等级为2级;相差一级和相差两级的比率分别为28.5%和4.3%.采用动态组合权重,相较于常权吻合效果更佳.研究发现,国标岩体基本质量分级和岩土工程中的风险矩阵分析较为类似,分级具有风险特征.在岩体基本质量分级时,国标方法分级不可能高于最差单因素评价的等级,最终分级由最差因素决定;模糊综合评价法的实质是加权平均,最终分级是所有因素的折衷结果.因此,模糊综合评价理论在运用于岩石力学问题评价中时,必须考虑工程的实际要求,确保分级合理可靠.     

颗粒形状对断层摩擦强度影响的数值试验研究

为了研究断层破碎带颗粒形状对断层摩擦强度的影响,采用二维颗粒流程序,建立以不同形状颗粒为基本单元的断层破碎带数值试验模型,并采用形状系数对颗粒形状进行定量描述,研究了在不同法向应力和颗粒级配条件下形状系数对摩擦强度的影响。研究结果表明,异形颗粒间的咬合自锁作用大于圆形颗粒,致使异形颗粒填充的断层破碎带摩擦强度高于圆形颗粒填充的断层破碎带摩擦强度;断层破碎带残余摩擦系数与填充颗粒的形状系数之间有较好的线性关系。     

鲁布革水电站地下厂房锚喷支护效果的研究

为了研究鲁布革水电站地下厂房围岩采用锚喷支护的效果,我们曾进行了相似材料模型试验研究和有限元计算。模型试验和有限元计算分别对有支护和无支护的洞室围岩应力分布;围岩位移;以及洞室失稳的破坏荷载、破坏范围和破坏形态进行了研究。分析研究结果表明,锚喷支护能够改善洞室围岩的受力条件,增加围岩整体变形刚度和提高围岩的承载能力。洞室进行锚喷支护后,围岩拉、压应力值都有所降低;围岩周边最大变形减少20％左右,洞室破坏荷载可提高50％左右。本文对洞室围岩、喷混凝土层及锚杆的破坏机制亦进行了讨论。     

轴对称压缩条件下岩石局部化剪切带数值模拟

在岩石室内试验中,可以很清楚地观察到试样在失稳过程中常常伴随着宏观剪切带(破裂面)的形成。根据相关试验规程和标准规定的试样形状、尺寸和试验条件,采用FLAC3D软件,对岩石试样在轴对称压缩(单轴或常规三轴)条件下局部化剪切带的形成过程进行数值模拟,取得的结果与相关试验结果基本一致。     

三峡库区基础设施建设中的几个工程问题初探

三峡工程建设已接近尾声,库区移民城镇建设已基本完成,但库区移民城镇均面临后期经济发展的问题.为此,国家已结合西部大开发战略在库区进行大规模的基础设施建设,尤其是骨干交通网的建设.由于三峡水库在运行期高达30m的水位频繁升降,给库区基础设施建设带来了一些必须予以重视的岩土工程问题.文章结合国家重点公路杭州至兰州线重庆巫山至奉节段大宁河特大桥两岸岸坡冲刷及稳定性研究,介绍了三峡库区基础设施建设中必须予以重视的地下水动水压力问题、岩溶问题以及库岸再造问题等岩土工程问题,以及研究这些问题的方法及其存在的不足,指出了需要继续研究的方向.