节理岩体宏观力学参数的计算机模拟试验

本文借助力学理论与计算机方法，并在地质调查的基础上，对三峡工程船闸区典型地段的岩体进行了计算机模拟试验，用研究节理对宏观力学参数的影响以及宏观力学参数的结构效应。     

随机节理岩体变形与强度参数及其尺寸效应的数值模拟研究

节理岩体力学参数及其尺寸效应一直以来都是岩体研究的热点和难点,但对于基于结构面网络模型进行数值模拟的研究尚未见报道。笔者以小湾坝基卸荷岩体为例,在对现场节理进行大量统计的基础上,分析出节理特征值的分布函数,再运用蒙特卡罗方法建立了其结构面网络模型。在此基础上,利用编制的接口程序和现有的FLAC3D岩土分析软件,实现了对随机节理结构面网络模型的不连续位移数值模拟。模拟结果表明:小湾坝基卸荷岩体变形模量与岩体尺寸的关系服从负指数分布,而强度参数与岩体尺寸的关系基本服从负幂函数分布,其结果与现场斜面载荷试验及经验评估参数结果较为接近。     

顺层岩体边坡锚固等效参数计算方法研究

锚固等效参数是进行顺层边坡锚固效果数值模拟的关键科学数据。针对锚固顺层岩体边坡中结构体和结构面刚度系数不同的实际情况,将锚杆锚固后顺层岩体边坡的锚杆、结构面、结构体的复杂体系等效为一个均质岩体。推导了节理岩体等效法向刚度系数和等效切向刚度系数计算公式。基于结构体小变形、岩体变形可叠加性及抗剪强度参数c、φ值不相关性假定,利用Coulomb抗剪强度理论推导、建立了顺层岩体边坡锚杆等效抗剪强度参数c、φ值计算公式。     

等效岩体随机节理三维网络模型构建方法研究

由于目前仍难以将建立的结构面网络模型直接应用于岩体力学行为的分析,构建反映节理真实空间状态的等效岩体模型是岩体工程稳定性分析与计算的研究基础。以内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,通过现场节理测线法调查,运用概率统计理论对节理倾向、倾角、间距和迹长进行统计分析、偏差校正并建立概率分布模型。在此基础上,根据Monte Carlo随机模拟理论并采用Matlab软件,获取节理模拟数据,并通过OPEN GL三维可视化技术构建能充分反映工程岩体节理分布特征的等效岩体随机节理三维网络模型,模拟结果与实测数据具有良好的统计相似性。该研究成果可为等效岩体技术所利用,并为后续开展节理岩体变形特性、强度特性、尺寸效应、各向异性、表征单元体积(REV)、关键块体识别、开挖效应、破裂机理等量化分析研究奠定基础。     

等效岩体技术在岩体工程中的应用

 以某露天矿边坡为工程背景,结合岩石力学参数室内和现场原位试验,基于颗粒流理论和PFC3D程序,运用等效岩体技术,建立充分反映节理分布特征并考虑细观破裂效应的等效岩体模型,采用Fish语言编制加卸载命令流,研究岩体的强度和力学效应。研究结果表明：(1) 等效岩体在单轴压缩时,轴向应力–应变曲线分为弹性变形阶段、非稳定破裂塑性阶段和破裂后阶段,抗压强度和弹性模量与标准岩块试样相比,有较大幅度降低;(2) 随围压增大,等效岩体抗压强度和残余强度明显提高,延性特征增强,逐渐向理想塑性过渡;(3) 等效岩体技术能有效地描述岩体受节理分布影响而表现的各向异性特征;(4) 等效岩体内部微裂纹主要沿节理走向分布并扩展,破坏形式受主导节理面产状及性质控制。     

节理岩体力学参数取值研究

本文提出了一种确定节理岩体力学参数的计算机模拟试验法。该法基于节理裂隙的野外勘探资料建立岩体的损伤断裂模型,可在计算机上模拟计算实际试验过程,获得应力-应变全过程曲线和岩体变形模量、抗剪强度参数的各自异性特征。文中具体研究了拉西瓦工程岩体参数的取值问题。     

节理岩体正交各向异性等效强度参数研究

将节理裂隙视为岩体的损伤,利用岩体裂隙网络模拟技术、损伤力学和节理张量理论对等效抗剪强度参数(即黏聚力和摩擦系数)进行了研究。在岩体损伤力学研究成果的基础上,研究了包含多组节理裂隙的岩体在空间任意截面上损伤变量的近似计算方法;以损伤变量作为加权系数,将岩块和结构面抗剪强度参数的加权平均值作为岩体等效强度参数;根据岩体在各空间截面上的等效抗剪强度参数计算成果,将岩体抗剪强度参数等效为正交各向异性变化的抗剪强度参数;编制相应的计算程序,通过计算实例验证了研究成果和计算程序的正确性。     

节理岩体的等效连续模型与工程应用

本文将工程范围的规则节理岩体看作是由各向同性的岩石单元与等效各向异性的节理岩石单元构成的统一体,在深入分析节理岩石单元的变形与强度特性的基础上,详细推导了等效变形与等效强度的基本公式,提出了一种等效连续模型。通过非线性有限元数值分析,完成了节理岩体力学特性的模拟。利用前人的物理模型试验验证了该模型的有效性。上述数值模型运用于某一典型的工程节理岩体的强度预测,其结果是令人满意的。     

层状岩体多节理本构模型与试验验证

 根据含多节理层状岩体典型力学特征,在所提出的考虑一组节理面的层状岩体复合材料模型基础上,建立考虑多组结构面特性的层状岩体多节理本构模型,用来描述其在强度和变形方面的各向异性以及应变硬化–软化特征,进而采用VC++编程语言将该模型嵌入到FLAC3D软件中,实现其非线性数值计算功能。然后,利用所提出的本构模型与三维节理网络模型相结合,初步提出基于连续介质力学理论的合成岩体模型(SRMM)分析方法。基于这些模型理论和分析方法,建立现场真三轴试验岩样的三维合成岩体计算模型,通过与现场试验结果对比,表明所提出的本构模型在描述多节理岩体力学特性方面是可行的、合适的。     

节理岩体拉剪断裂与强度研究

根据节理岩体模拟试验的破坏模式，建立了节理岩体断裂等效模型，从而导出了节理岩体拉剪断裂等效判据，首次将Hoek－Brown准则中的m，s常数与反映岩体断裂性能的KIc和KIIc建立直接联系，从而可使KIc，KIIc和m，s互为确定。该判据与试验结果进行了比较，两者基本吻合。     

损伤流变模型在三峡船闸高边坡稳定分析的初步应用

将损伤力学理论应用于岩石力学，建立节理岩体的损伤力学模型，并采用粘弹－粘塑性理论和有限元法，编制了平面有限元计算通用程序对三峡船闸高边坡稳定性进行了模拟边坡开挖过程的损伤流变分析。     

三峡工程永久船闸陡高边坡各向异性卸荷岩体力学研究

岩体工程具有加载和卸荷两类不同性质的力学状态,在此力学状态各异的情况下,节理岩体的力学特性有本质的区别。岩体高边坡工程的力学状态主要为卸荷。在三峡工程永久船闸高边坡的研究中,作者提出了“各向异性卸荷岩体力学的新概念”,得出了与目前常规岩体力学研究不同的结论。该研究成果已被多项边坡工程和地下工程实例所验证。以前应用该理论对三峡永久船闸陡高边坡的研究成果,也日益为监测资料所验证。     

三峡右岸地下电站窑洞口围岩稳定性三维断裂损伤分析

三峡地下电站厂房窑洞口围岩属于一种断续节理裂隙切割的节理岩体,对主厂房与窑洞口相接处围岩的稳定情况,应用三维国国节理裂隙岩体的本构关系、损伤演比方程来评价此类岩体稳定性和变形行为。结果表明所建模型是有效的。     

三峡工程卸荷岩体声波测试及其参数研究

通过现场开挖边坡卸倚岩体不同距离的声波测试，研究了卸荷岩体的声波传播特性，并采用卸荷岩体力学的观点和方法，对声波测试结果进行了分析，得到了不同方向声波速度的变化规律，并发现其具有明显的正交异性特征，然后根据声波的传播特性，划分了边坡开挖后岩体不同的卸荷区域，确定了各卸荷区岩体宏观力学参数，最后与试验结果进行了比较，得到了比较一致的结论。     

工程岩体的超声波分类及强度预测

针对目前在岩石工程中广泛采用的隧洞围岩分类Ｑ系统和ＲＭＲ工程岩体分类,利用统计结果将岩体的超声波速与岩质量指数Ｑ和岩体分类指数ＲＭＲ联系起来,建立了由岩体超声波速估计岩体分类指数ＲＭＲ的计算公式,通过测定岩体的超声波可对岩体进行分类。为了预测岩体的变形及强度参数,引入Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ准则,给出了岩体变形及强度参数的预测方法。在三峡工程永久船闸高边坡岩体的应用中,超声波预测的力学参数与ＲＭＲ分类     

圈定基岩爆破损伤范围的声层析成象技术

将地震层析成象技术与弹性波跨孔测量法相结合，形成了一条圈定基岩爆破损伤范围的新途径。同时，结合爆破地震波衰减方程，分析了三峡工程节理裂隙岩体临界振动速度的范围。     

三峡船闸高边坡岩体时效特性及长期稳定性分析

介绍了三峡工程船闸区岩体及结构面现场蠕变试验成果，考虑施工开挖卸荷对边坡岩体的扰动影响，以及边坡内渗透水压力的作用，进行了施工期和运行期边坡流变稳定性的数值分析，分析结果得到了现场监测的验证。     

岩体变形模量随深度的变化关系

针对花岗岩，使用岩石力学参数管理系统ＲＯＭＥＤＡ（ＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓＤａｔａ）中的数据，推导了岩体变形模量随深度的变化关系，并把这种关系应用到三峡永久船闸边坡岩体变形模量的预测中。     

地下洞室围岩顶拱承载力学机制及稳定拱设计方法

 受枢纽布置和地形地质条件的限制,三峡工程地下厂房布置于右岸白岩尖山体中,主厂房洞室上覆岩体最薄处仅1倍厂房跨度,显然不满足现行规范关于上覆岩体厚度不小于2倍开挖宽度的要求。对于这类浅埋式的大跨度高边墙地下厂房,在上覆岩体厚度有限及一定初始应力条件下,洞室顶拱的稳定性是必须解决的首要技术问题。从岩体结构、岩体强度和地应力水平对围岩稳定性控制的角度出发,通过对地下厂房洞室围岩顶拱承载力学机制的研究,提出地下洞室岩体稳定拱的定义及其存在的力学条件,给出地下洞室岩体稳定拱的确定方法,分析采用地下洞室岩体稳定拱确定上覆岩体厚度的可行性,形成一套确定浅埋式地下厂房洞室埋置深度的稳定拱设计方法。研究结果表明,三峡工程地下厂房顶拱围岩具备形成稳定拱的埋深条件和水平应力等条件,形成稳定拱的最小埋深约为2/3倍洞跨,在上覆岩体中形成稳定拱的最小水平侧压系数应大于1.5,而最大水平侧压系数不宜高于3.0。据此进行主厂房顶拱设计,多年的应用成效显示,地下厂房顶拱围岩是稳定安全的,表明三峡工程地下厂房顶拱在既定的围岩强度、岩体结构以及初始地应力水平等条件下,采用稳定拱设计方法确定洞室上覆岩体厚度是合适、可靠的,能够保障洞室围岩稳定,满足工程安全的要求,可为解决大型浅埋洞室的设计提供理论基础和科学依据。     

三峡永久船闸高陡边坡整体稳定性的多因素综合评价

三峡永久船闸高陡边坡工程是1个开放的复杂巨系统,对其整体稳定性的评价需要综合考虑地质资料、数值分析计算成果以及监测数据等多源信息,基于多因素优化融合的思想,采用定性与定量综合集成的方法。基于系统工程的观点,借助可拓学理论,依据菱形思维模式和物元的可拓性,建立了三峡永久船闸高陡边坡工程整体稳定性的多指标分层次综合评价体系。采用物元的概念将研究对象、评价指标和量值结合为一体,应用物元变换建立整体稳定性评价的物元模型,从而实现对三峡永久船闸高陡边坡整体稳定性的质与量的综合描述,并结合其随时间的变化趋势,可以完成对高陡边坡整体稳定性的三维动态评估。另外应用优化理论,进行了评价指标的主、客观组合赋权。经计算得出边坡整体稳定性属1级,特征值为1.86,介于优与良之间。同时,所述方法亦可应用于大坝健康性态整体评价、岩体质量评估、大坝老化评估等其他领域。