用投影法求算岩体结构面三维连通率

岩体结构面三维连通率是一个内涵空间岩体稳定性评价的重要参数,它完全不同于常规的与水文地质或岩体水力学相关的连通率。由于岩体中结构面发育的随机性,采用一般的方法很难得到岩体结构面在空间的三维连通率。介绍的岩体结构面三维连通率是基于现场工程岩体结构面三维网络数值模拟的基础之上,采用理想截面投影法来求取工程岩体关键部位、特定方向上的三维连通率,并通过计算机编程来实现计算,直接应用于工程中。     

岩体结构面连通率研究进展及应用

岩体结构面连通率的研究一直是岩石力学研究领域的难点之一。一些学者已经相继提出了多种确定连通率的方法，但许多方法可能引起的误差较大，实用性也较差。广义H—H连通率公式和基于网络模拟的计算方法是近年发展起来的比较成熟且实用的方法。文章评述了各种方法的适用性和有效性，并采用基于结构面网络模拟的“带宽投影法”进行了实例分析，最后讨论了岩体结构面连通率的研究趋向。     

数字化结构面三维随机网络模拟及其有效性检验

岩体结构面网络模型的可靠度直接影响后续渗流计算结果的可信度。针对我国高放废物处置库甘肃北山预选区出露良好的花岗岩体,利用GPS,GIS等数字化测量分析技术展开岩体结构面精细调查,获取10 000余条结构面特征参数,经数字化统计、处理,建立三维随机网络模型,并对该模型开展图形与数值有效性检验。结果表明:相比传统方法,数字化测量处理手段改善了统计样本数量与精度不足的困局,较好地实现了区域岩体结构面精细调查,具备理想检验效果的随机模型更适用后期力学、渗流数值模拟计算。     

基于三维裂隙连通率的裂隙岩体表征单元体研究

三维裂隙连通率综合反映了岩体内裂隙发育特征,是评价工程岩体稳定性的一个重要参数。为合理选取具有代表性的裂隙连通率,基于投影法对水平向三维裂隙连通率的尺寸效应进行分析研究,进一步确定岩体表征单元体尺寸。首先,对实测裂隙数据进行几何参数统计分析,采用逆建模方法建立一个100 m×100 m×140 m的裂隙网络模型。在模型中的10个不同高程上设置水平向的投影基准面,基准面尺寸位于5 m×5 m～100 m×100 m范围。利用投影法计算各投影基准面的三维裂隙连通率,分析三维裂隙连通率随研究尺度的变化情况。采用T检验和F检验判定各级尺寸与最大研究尺寸的研究区域的连通率均值和方差是否存在显著差异。研究结果表明,当研究尺寸达到65 m×65 m时,连通率均值和方差进入稳定状态,该尺寸可视为研究岩体水平方向的表征单元体。     

用遗传算法求解节理岩体三维连通率

应用节理岩体三维网络模拟技术建立结构面在三维空间分布的概率统计模型，将连通率的概念和求解均建立在岩体潜在破坏路径之上，通过连通率的求解米搜索岩体的最可能破坏路径。在搜索结构面和岩桥搭接组合破坏的临界路径过程中，应用了具有鲜明生物背景的遗传算法，并将这一结果应用于实际岩体工程，取得很好的效果。     

岩体结构面网络三维模拟的工程应用研究

主要介绍了岩体结构面网络三维模拟技术及其工程方面的研究。利用结构面网络模拟可以建立岩体的结构模型，研究岩体的结构特征，用于岩体质量评价、隔了体搜索等，在岩体力学问题研究中有着重要作用。     

基于平均迹长修正新方法的岩体三维连通率及抗剪强度参数计算

 岩体结构面连通率是反映结构面延伸程度和连通状况的一个重要参数,是确定裂隙岩体抗剪强度指标的关键和分析边坡稳定性的前提。对三维连通率的求解方法及其在估算抗剪强度参数中的应用进行探讨,在考虑结构面迹长和迹线与统计窗边线的交角均遵循一般概率分布类型的基础上,从概率统计角度推导出窗口法中结构面平均迹长的估算公式。利用基于平均迹长修正公式的三维结构面网络模拟方法对贵阳市鱼简河水利工程导流洞进口的岩体结构面进行模拟,在其三维可视化模型的基础上求得模拟区内不同截面的三维连通率,并利用三维连通率结果估算出岩体的综合抗剪强度参数。计算结果表明：该模拟区内岩体总体连通性较好,各向异性明显,70°～80°∠20°～40°范围内的截面为危险截面,最大连通率为0.914 3,最小黏聚力和内摩擦角分别为1.135 MPa和25.7°,工程建设中应予以重视。     

岩体随机结构面三维网络的生成和可视化技术

在总结随机结构面网络模拟研究关于结构面三维网络生成和可视化成果的基础上,假定结构面为Baecher圆盘形,考虑结构面大小、位置、产状、隙宽等要素,采用泊松随机过程生成随机结构面网络的样本单元。其中较为详细地介绍了利用结构面的空间几何关系获得结构面网络的交会信息方法,利用FORTRAN90编程语言编制生成三维结构面(渗流)网络的专用程序FRCGEN-3D,该程序也适用于三维结构面网络模拟研究岩体楔形体稳定和连通率求解问题。为使复杂的三维结构面空间几何关系得到展示,进一步借用OPENGL强大的图形处理编程功能,在此基础上完善了一套完整的三维结构面网络模拟专用的可视化系统V-FNW。该可视化系统具有交互界面和三维图形渲染、旋转、交切等功能,为结构面网络模拟研究岩石力学和裂隙网络水力学提供了一个可视化平台,具有相对广泛的应用价值和研究价值。     

结构面三维网络模拟计算RQD及精度对比研究

 以汶川映秀镇百花大桥边坡岩体为实例,运用结构面三维网络模拟法计算RQD值,具体步骤为：在概率统计结构面各项参数获取结构面模拟参数的基础上,利用Monte-Carlo法生成岩体节理三维网络,在边坡震时主滑平面、主滑横剖面、水平面上各方向布置测线模拟钻孔,获取54个钻孔岩石质量指标RQD值,以其期望值作为最终RQD。以结构面测量统计得到的等效钻探RQD为真值,对比体积RQD法和网络模拟法的相对误差(体积RQD法为24.6%;结构面三维网络模拟法仅为3.3%),证实结构面三维网络模拟法相对误差要小得多,精度显著提高。结构面三维网络模拟法是计算RQD的好方法,具有广泛的应用前景。     

裂隙岩体优势结构面产状反演

根据工程地质习惯，以自然方向为总体坐标系的轴向，给出了对应的结构面矢塞描述。研究了取样窗与结构面的相交关系，在取样窗上建立局部坐标架，推出结构面迹线矢量在局部坐标架中的分量和两类坐标架下的结构面矢量变换群；根据变换群的关系和性质，由结构面迹线与测试窗内勘探线的夹角反算出结构面的产状参数，并以最小二乘方法处理。本方法要求现场测试数据少，操作简单、迅速，便于工程应用。     

随机形貌岩石节理剪切数值模拟和非线性剪胀模型

 采用满足正态分布的随机函数,构造岩石节理剖面的形貌,为研究受剪岩石节理的细观剪切特性和宏观剪胀效应提供研究基础。利用UDEC软件,基于CY微段节理模型,开发随机形貌岩石节理直剪特性的数值分析程序,采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨微段节理的细观剪切特性和岩石节理的宏观剪切响应,提出节理抗剪强度参数与节理面粗糙度系数JRC之间的拟合关系。得到如下结论：JRC越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大,而峰值剪切位移与JRC成反变化关系;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;这些数值结论得到模型实验的充分验证。微段节理的细观切向爬坡和剪胀效应是岩石节理产生宏观剪胀的细观力学机制。通过对随机形貌岩石节理的宏观剪胀数值曲线性态进行分析,提出能考虑节理粗糙度JRC和法向应力影响的非线性剪胀本构模型,该模型较好描述了受剪岩石节理的剪缩段和剪胀段。     

基于直接法节理网络模拟的三维离散单元法计算

将直接法产生的节理网络模拟技术与三维离散元程序3DEC相结合，对结构控制型的工程围岩破坏问题提供了一种实用的方法。在硬岩中的较浅的工程开挖，岩体的破坏很大程度上是由结构面控制。因此，对优势的节理组的正确解译非常重要。直接法节理网络模拟技术对于正确识别岩体中的块体分布非常有效，其可以通过3DEC内置的FISH语言实现。最后给出了实例以说明求解过程与结果。     

岩体节理三维网络模拟技术及渗透率张量分析

在现场地质调查的基础上，对节理开度的概率分布函数进行了拟合，并进行了假设分布的有效性检验。这样，在进行节理三维网络模拟时，就可以生成具有厚度的圆盘来模拟岩体节理的空间分布。岩体节理的渗流量正比于节理开度的三次方，在Monte-Carlo法生成的模拟节理开度的三维节理网络的基础上，结合所述方法对岩体渗透率张量进行分析，使岩体渗透率张量的计算更加合理可行，且计算结果能更加客观地反映岩体的渗透特性。     

考虑三维形貌特征的粗糙节理渗流空腔模型研究

 为研究粗糙节理中的渗流,建立节理渗流空腔模型。将节理平面离散成1 mm×1 mm的单元格,单元格节点处的隙宽值由节理三维空腔组合形貌确定,假设单元格内渗流服从立方定理,逐一对单元格进行分析,用连续性方程求解整个节理面渗流,编制MATLAB程序进行计算。用大理岩人工节理试件沿节理长度方向将同一节理上表面相对下表面分别错开1,2,3,4,5和6 mm,形成节理不同的接触状态,计算这6种情况下的节理三维空腔组合形貌,得到不同接触状态下节理的隙宽分布和平均隙宽值。将节理渗流空腔模型和立方定理在不同接触状态下的渗流计算结果与节理试件在不同接触状态下的室内试验结果进行比较。分析结果表明：节理渗流空腔模型计算结果比立方定理更接近室内渗流试验结果,但是空腔模型计算结果和试验结果还有一定的差距,并对其误差存在的原因进行分析。     

应用蒙特卡洛法确定节理岩体的连通率和综合抗剪强度指标

本文提出了一种确定节理岩体连通率和岩体综合抗剪强度指标的新方法。该方法对传统的连通率的概念作了扩充,将连通率的确定归结为在岩体结构面网络图中寻找节理面和岩桥组合破坏路径的问题。在连通率的确定过程中,考虑了节理和岩桥的组合破坏机制。并应用动态规划原理,基本解决了岩体中存在多组节理面情况下的连通率确定问题,所得成果在漫湾电站左岸边坡稳定分析研究中获得了成功的应用。     

节理岩体二维和三维连通特性的对比分析

从理论上证明了节理岩体内有限大小的结构面实质上是呈三维分布的，岩体出露面上结构面出露迹线的分布一般不能代表三维岩体中结构面的分布特征。因此，实际应用中将涉及三维岩体有限大小结构面的问题简化为二维问题时会引起较大的误差。通过两个算例对比分析了应用Monte Carlo法和遗传算法计算得出的二维和三维连通率，算例分析的计算结果与理论分析相符。     

无厚度三节点节理单元在裂纹扩展模拟中的应用

节理厚度在实际工程中很难用常量描述,为便于描述节理的力学行为,在原三节点节理单元的基础上构造无厚度三节点节理单元,并推导出相应的刚度矩阵。由于三节点节理单元与原三角形单元共享节点,因而它在模拟裂纹扩展过程中无需对网格进行重新划分;另外,在网格剖分时,也无需考虑裂纹体的几何完整性,可直接对结构进行三角网格剖分。因此,该方法可为裂纹的模拟提供极大的便利,并显著提高计算效率。相应的大理石模拟试验表明,该方法在岩石裂纹扩展的模拟中是有效可行的。     

复杂不稳定块体的自动搜索及其失稳方式判断--基于随机不连续面三维网络模型

根据随机不连续面三维网络计算机模拟技术，建立了岩体不连续面空间分布概率统计数值模型，并在此基础上，应用“有形即是有限”的分析方法可以搜索出所有在临空面上出露的有限块体，确定其空间几何形态和几何参数。利用提出的“棱线矢量”法，判断块体的可动性，并用“主动合力矢量”法，确定块体的受压面，判断块体的失稳方式，最后评价块体的稳定性。     

基于三维地质模型的工程岩体结构精细数值建模

针对岩体结构数值模拟分析前处理工作中存在的地质模型建立、空间单元划分等难点,提出将三维地质模型与数值模拟分析进行耦合来简化其前处理的具体思路和方法。在三维地质建模系统中,建立精细的工程地质三维统一模型,通过单元网格几何模型的自动生成和模型数据的转换输入,可快速、准确地为岩体结构数值模拟分析提供不同类别、信息丰富的精细三维网格剖分模型,不仅简化了数值计算分析的前处理工作,同时也可丰富三维地质模型的属性信息,为工程设计与优化提供更直观、便捷的信息平台。