裂隙岩体渗透特性反演分析

 提出裂隙连通率与连通系数的近似转换方法;采用该转换方法,建立含单组裂隙岩体的等效渗透张量;基于有限单元法,建立一套单孔定向压水试验数值模拟方法,并进行大量数值试验;以数值试验结果作为BP神经网络的训练样本,结合定向压水试验实测资料,提出反演裂隙岩体渗透特性(等效渗透张量)的方法,并通过工程实例验证该方法的可靠性。     

双目系统的岩体结构面产状非接触测量方法

 提出一种改进的摄像机姿态获取方法,并据其实现岩体结构面产状的非接触测量。主要步骤为：(1) 将摄像机安置于云台上,令摄像机坐标系与云台坐标系重合,然后将其固定;(2) 通过规范拍摄过程将摄像机姿态参数减少为2个,然后以云台平面产状测量结果换算得到;(3) 通过摄像机姿态参数完成坐标系转换,于岩体三维数字模型上测量并得到结构面产状。对该方法中摄像机姿态测量误差造成的目标岩体结构面产状测量传播误差进行分析,通过对边坡和隧道开挖掌子面岩体的现场试验,发现该方法简便易行、精度与传统测量方法接近并有较大提升空间。此方法可以方便地实现岩体结构面产状完全非接触测量,并有效扩大测量范围、提高测量效率,避免测量人员暴露于裸露岩体下的危险。     

裂隙岩体表征方法及岩体水力学特性研究

 岩体中裂隙展布的多样性和随机性是裂隙岩体工程特性研究的关键问题。考虑岩体裂隙几何形态(走向、倾角、迹长、间距、隙宽等)的随机性,利用Monte Carlo模拟技术,编制裂隙网络生成程序RFNM2D和RFNM3D。利用RFNM,不但能够生成可以描述和表征岩体及其裂隙结构信息的虚拟裂隙网络岩体,还能够将生成的裂隙网络岩体进行数值离散化,从而可以直接和多种数值计算方法(有限元法、离散元法等)相结合来解决实际工程问题。因此,RFNM生成的裂隙网络岩体实际上是一种数字随机裂隙岩体模型。基于渗流力学理论,应用有限元方法编制软件GeoCAAS,研究裂隙岩体的水力学特性,探讨裂隙几何形态对渗流性状的影响。     

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。     

基于分形理论的裂隙岩体地下水溶质运移模拟

岩体裂隙面是粗糙不平的，具有分形特征。裂隙本身可以看成由上下两裂隙面叠合而成的，可以应用分形几何理论来模拟粗糙裂隙面和裂隙张开度的分布情况。在用分形理论模拟裂隙面及裂隙张开度的基础上，用特征有限元方法对粗糙裂隙中的溶质运移进行了模拟。模拟结果显示，考虑裂隙面的粗糙度，模拟其中的溶质运移更符合实际情况。与平均张开度下光滑裂隙中的溶质运移相比，粗糙裂隙中的浓度锋面更落后，而且存在不均匀性和各向异性的特点。     

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。     

裂隙岩体水力学特性研究

 基于裂隙中的水流运动规律,通过现场压水试验,研究裂隙岩体的渗透特性及其高压渗透特性,重点分析其水力学特性的应力相关性。试验研究表明,裂隙岩体的渗透性与应力赋存环境密切相关,且对应力十分敏感;裂隙岩体的应力环境、水力劈裂压力及裂隙充填情况不同,其高压渗透特性有较大差异。同时,通过总结前人的研究成果并结合数值试验分析,从裂隙岩体渗流的非连续性、非均质性、各向异性、优势水力特性及尺寸效应等多方位描述裂隙岩体的水力学特性,对其水力学特性及其成因进行综合评述。     

岩体裂隙分维数与岩体强度的相关性研究

以岩体裂隙分布的分形规律为基础,采用数值计算方法,研究了岩体的单轴抗压强度与岩体裂隙分维数D的关系.结果表明,岩体的单轴抗压强度的对数值与岩体裂隙分维数D呈负线性关系.此结论对岩体工程的设计、施工以及稳定性的评判具有指导意义.     

岩体结构面粗糙度各向异性特征及尺寸效应分析

 岩体结构面形貌存在明显的各向异性和尺寸效应特征。由于结构面本身的复杂性,定量表征其属性仍是该领域的研究难点。鉴于此,考虑岩体结构面的地质本质性特征,应用地质统计学原理,提出采用变异函数参数(基台C和变程 )表示结构面粗糙度(JRCv)的方法;然后采用量纲分析法,给出JRCv表达式。应用提出的公式计算结构面上不同尺寸范围(100 Pixel×100 Pixel～1 000 Pixel×1 000 Pixel) 32个方向上的JRCv值,分析结构面粗糙度各向异性及其尺寸效应特征。研究结果表明：(1) 从表观看,沿分析方向,结构面越粗糙,JRCv值越大,JRCv可以定量表征结构面粗糙度及其各向异性特征;(2) 在结构面分析方向上,随尺寸范围的增大,JRCv值逐渐减小,达到一定范围时,JRCv值趋于稳定,通过分析各方向上JRCv值随尺寸范围的变化趋势,可以确定结构面的临界范围;(3) 结构面各向异性特征受结构面研究范围的影响,当研究范围达到一定尺度时,结构面各向异性特征趋于稳定。该研究成果将为定量分析岩体结构面力学性质强弱方向提供依据,为实验室或原位结构面力学试验选择合理尺寸试件提供一种新方法。     

山前高陡构造节理围岩的井壁失稳机制研究

 我国西部山前的高陡构造油气蕴藏丰富,但剧烈构造运动形成的节理岩体在钻井过程中容易出现井壁失稳问题,严重制约了勘探开发效益的提高。深入研究节理岩体井壁失稳机制对解决这一难题具有重要意义。结合中国天山山脉南缘霍尔果斯构造的地质情况,利用RFPA2D-flow软件建立山前构造节理岩体的井眼模型,探讨了井眼周围应力场和渗流场的特点,模拟了井壁围岩失稳坍塌的过程,讨论了稳定井壁的对策。井壁周围的应力集中出现在水平最小主应力方位上,而渗流则主要发生在水平最大主应力方位的节理面上,随着渗流作用节理面上流体压力逐渐升高,并导致围岩在节理面上发生拉张破坏而坍塌,井壁坍塌主要出现在水平最大主应力方位上。这一结果合理解释双井径测井曲线上井眼长轴发生翻转的现象。研究结果表明,降低节理面的渗流速度能够明显地减轻节理围岩的失稳,说明加强钻井液封堵性能对稳定井壁具有针对性;过低的井眼液柱压力会导致水平最小主应力方位上井壁围岩剪切破坏,然而过高的井眼液柱压力却对水平最大主应力方位上节理围岩的稳定产生不利影响,说明控制泥浆密度上限是必要的。研究成果对山前高陡构造钻井的井壁稳定问题具有参考价值。     

基于3DEC的节理岩体边坡地震影响下的楔体稳定性分析

首先,对于地震影响下节理岩体边坡的楔体滑动破坏,给出不同情况下楔体滑动安全系数的计算公式;然后,分析滑面上法向力作用点位置变化的距离li和楔体的安全系数与剪切力和水平面的夹角βi,水平地震力系数kh和竖向地震力系数和水平地震力系数的比值λ之间的关系。分析结果表明,li随着βi和kh的增大而增大,但随着λ的增大而减小;楔体的安全系数随着βi和k h的增大而减小,但在同样大小的水平地震力系数下,随着λ的增大而增大。最后,分析考虑地震影响下楔体安全系数计算在3DEC中的实现过程,并且给出计算过程中的2个重要步骤：确定空间三角形的面积和四面体的体积以及确定两节理面的交线矢量。最后,通过实例分析,说明该理论分析的正确性及合理性。     

节理岩体物理模拟与超声波试验研究

以三维各向异性介质弹性波方程为理论基础，给出具有不同节理面岩体的数学物理模型，将具有典型节理构造的岩体分别简化为横向各向同性和单斜各向异性介质，并得出各向异性介质中的弹性波在遇节理面发生反射、透射后沿不同传播方向的传播速度。根据上述数学物理模型制备节理岩体物理模型，相对于节理面以不同的入射角度进行超声波波速测试，试验证明，超声波波速对于物理模型中节理面的影响十分敏感，节理面的存在使弹性波传播速度重新分布，在合理布置测点的情况下，对节理面的存在及方向识别较为准确。在实际工程中，通过合理布置测点的超声波测试，可以对工程岩体中节理裂隙发育的优势方向进行判断，有效地反映岩体结构面的各向异性，为实际工程提供数据资料。     

裂隙隧道围岩动态损伤特性分析

针对隧道工程中破碎围岩钻爆施工时爆破荷载影响作用的分析与实践调查,引入反映裂隙围岩钻爆影响的损伤演化模型,模拟动荷载作用的影响。针对不同频率情况,可以预先有效地确定围岩破坏状态,决策开挖初期支护方案的有效形式;也为裂隙围岩全断面掘进机掘进、初撑力确定及支护方式选择,提供了一种有效的预测方法。     

节理岩体卸荷非线性力学特性研究

工程岩体根据其受力特性可以分为加载岩体和卸荷岩体,结合三峡工程永久船闸高边坡岩体,利用自行开发的三轴试验设备进行研究,根据几何和重力相似、材料力学性能相似、岩体结构相似、边界力相似、开挖过程模拟相似,由重晶石粉、铁粉、石膏、水等制作尺寸为250 mm×250 mm×250 mm的试件,试件的几何比尺选择为CL=3,9,27,81;并对几何比尺为27的试件制作含有与船闸轴线相垂直的卸荷方向成8°,36°,52°,82°,90°的结构面。对节理岩体的加卸荷应力–应变关系、卸荷岩体(应力–应变关系、抗拉强度、变形模量)的各向异性、卸荷岩体(抗拉强度、抗压强度、泊松比、变形模量)的尺寸效应、卸荷岩体的流变特性、卸荷岩体的强度准则进行试验研究。研究结果表明,不同结构面方向对岩体的卸荷作用明显;岩体的抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比以及岩体的各向异性等均随着尺寸的加大而降低;岩石受拉的流变特性与岩石所受的拉应力大小直接有关;得出Hoek-Brown准则所描述的岩体强度关系曲线中的岩体材料常数m,s值。     

基于3DEC的节理岩体边坡地震影响下的 楔体稳定性分析

 首先，对于地震影响下节理岩体边坡的楔体滑动破坏，给出不同情况下楔体滑动安全系数的计算公式；然后，分析滑面上法向力作用点位置变化的距离 和楔体的安全系数与剪切力和水平面的夹角 ，水平地震力系数 和竖向地震力系数和水平地震力系数的比值l之间的关系。分析结果表明， 随着 和 的增大而增大，但随着l的增大而减小；楔体的安全系数随着 和 的增大而减小，但在同样大小的水平地震力系数下，随着l的增大而增大。最后，分析考虑地震影响下楔体安全系数计算在3DEC中的实现过程，并且给出计算过程中的2个重要步骤：确定空间三角形的面积和四面体的体积以及确定两节理面的交线矢量。最后，通过实例分析，说明该理论分析的正确性及合理性。     

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。     

露天矿节理岩体边坡稳定性研究

针对眼前山露天矿南帮节理岩体边坡的结构特征,通过现场节理调查及统计分析,采用Monte-Carlo随机模拟方法,进行了节理三维网络的计算机模拟,研究确定了南帮边坡的节理岩体强度和破坏模式。通过滑动面自动搜索及FLAC数值模拟,系统地计算分析了南帮节理岩体边坡现执行开采和调整方案随采场逐渐下延的稳定状况,指出将三并段边坡的台阶坡面角由65°调整为60°可以从根本上改善眼前山露天矿南帮边坡的稳定状况,在矿山服务年限内满足开采的稳定性要求。     

节理裂隙岩体中不同埋深无支护暗挖隧洞稳定性的离散元法数值分析

针对一高速公路隧道工程，应用离散单元法对节理裂隙岩体中不同埋深无支护暗挖隧洞的稳定性及其机理进行了数值分析。分析结果表明，当节理的赋存条件不利于隧洞稳定时，浅埋隧洞（如埋深只有5m）的稳定性不如埋深较大隧洞（如埋深50m）的稳定性好；反之，当节理的赋存条件有利于隧洞稳定时，则浅埋隧洞的稳定性比深埋隧洞的稳定性好。分析结果还表明，“压力拱”效应在浅埋隧洞节理裂隙围岩稳定性中起着重要作用。     

节理岩体结构面连通性研究及其应用

岩体结构面通过几何学和力学两方面影响岩体稳定性。因此，可将结构面连通性研究分解为2类问题：（1）反映空间方位效应及岩体水力学特性的几何学连通性；（2）反映岩体强度的力学连通性：从两方面能更全面的反映岩体结构面的工程性质。首先采用单测线法对节理岩体结构面进行统计测量，对获取的结构面的产状和迹长进行取样偏差校正和蒙特卡洛模拟，从而形成结构面网络模型。然后，对网络模型进行分析与计算，得到结构面在几何学意义上的连通性：并由网络模型寻求真正的优势控制性结构面。最后，以此类优势结构面为基础，与其他随机结构面进行耦合分析，结合岩桥破坏机制，运用动态规划方法搜索抗剪力最小路径，得到更符合工程实际的结构面在力学意义上的连通率。