裂隙岩体三维渗透张量及表征单元体积的确定

 将基于复合单元法的数值试验和现场单孔压水试验相结合,对裂隙岩体的三维渗透张量及表征单元体积(REV)进行研究。首先根据研究域岩体的裂隙统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在统计域内生成三维随机裂隙网络,然后利用复合单元法计算不同尺寸岩体试件在不同方向上的等效渗透系数,以此计算岩体的三维渗透张量及REV尺度,最后利用现场单孔压水试验结果来修正裂隙岩体的3个渗透主值。在小湾水电站工程中,运用该方法对坝区岩体的三维渗透特性进行分析,得到修正后的岩体三维渗透张量,分析结果表明,结合单孔压水试验和基于复合单元法的数值试验来确定裂隙岩体的三维渗透张量和REV是合理且有效的。     

裂隙岩体三维渗透张量及表征单元体积的确定

将基于复合单元法的数值试验和现场单孔压水试验相结合,对裂隙岩体的三维渗透张量及表征单元体积(REV)进行研究。首先根据研究域岩体的裂隙统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在统计域内生成三维随机裂隙网络,然后利用复合单元法计算不同尺寸岩体试件在不同方向上的等效渗透系数,以此计算岩体的三维渗透张量及REV尺度,最后利用现场单孔压水试验结果来修正裂隙岩体的3个渗透主值。在小湾水电站工程中,运用该方法对坝区岩体的三维渗透特性进行分析,得到修正后的岩体三维渗透张量,分析结果表明,结合单孔压水试验和基于复合单元法的数值试验来确定裂隙岩体的三维渗透张量和REV是合理且有效的。     

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。     

裂隙岩体渗透张量的对称性证明及主渗透性推导

裂隙岩体具有显著的各向异性和非均质性的特点,研究时主要分为等效非连续介质模型、等效连续介质模型和孔隙–裂隙双重连续介质模型3种情况考虑。岩体渗流参数是岩体渗透特性的量化形式,是连续介质模型求解裂隙岩体渗流场的基础。基于裂隙岩体的性质及工程设计方面的考虑,经常把裂隙岩体当作各向异性的多孔连续介质来处理,而渗透张量的对称性是连续介质的标志。各类教科书缺乏渗透张量的对称性证明,而是直接使用这一结论。,为更加深入地理解裂隙岩体渗透张量的本质,证明含有单个裂隙、单组裂隙或多组裂隙的裂隙岩体的渗透张量的对称性,阐明渗透张量的主轴与主渗透性以及水力梯度与渗透流速的关系,进而推导出渗流控制方程。     

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。     

基于体视学原理的煤岩裂隙三维表征试验研究

 基于体视学原理,运用工业CT试验系统对煤样进行单轴加载扫描试验。对得到的CT扫描图像采用不同阈值求取其裂隙张量特征值平方和的曲线,选取曲线图拐点处所对应的阈值作为图像二值化的阈值,并验证该阈值是计算二阶张量的最佳阈值。同时实现体视学中对二值化后的图像测线及特征区域参数的提取,提出特征值平方和的概念作为描述煤样破损程度的参数。在从三维角度重构出的裂隙煤样中,选取3个正交面构造出二阶张量特征值平方和与孔隙率之间的关系,为进一步从三维角度描述煤样裂隙损伤奠定基础。     

土体的裂隙描述和表征单元体积研究

裂隙描述是研究裂隙对土体力学和渗透特性影响作用的基础工作,用裂隙度描述土体裂隙是一种较为合理的方法。裂隙的存在使得土体成为不连续介质,等效连续介质模型是较为成熟的用于不连续介质的模型,而确定表征单元体积的大小是运用等效连续介质模型的一个关键问题。本文建立了用摄影测定裂隙度的方法,使得裂隙度的获得更为简便和可靠。并在此基础上,建立了基于裂隙度估算表征单元体积的方法。研究表明:裂隙度是描述土体裂隙的综合指标,能够较好的反映裂隙的发育程度。用摄影法测定土体裂隙度和表征单元体积简单可行。     

范各庄煤矿砂岩岩体结构数字识别及参数表征

 借助先进的3GSM三维岩体不接触测量技术,对范各庄煤矿12煤底板砂岩岩体结构面进行现场测量,获取一系列真实描述岩体宏观结构的数字图像,提取节理几何形态空间分布信息,建立三维岩体结构面空间分布模型。在此基础上,得到砂岩岩体结构面联通网络,基于离散介质渗流方法和现场水文试验数据,建立岩体水力学参数表征方法,得到宏观岩体水力学参数,并分析参数的尺寸效应,实现岩体结构参数(几何形态)数字信息与水力学参数的定量表征有机衔接,为范各庄煤矿12煤底板砂岩岩体结构稳定性分析和突水危险性评价提供更加真实、可靠的数据支持。     

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。     

围压对节理岩体表征单元体尺寸的影响研究

 节理岩体的力学特性与其赋存的应力状态密切相关,已有的岩体表征单元体确定方法均没有考虑围压对表征单元体尺寸的影响。以某公路隧道为工程背景,采用三维离散元数值方法,对此问题进行研究。基于现场大量节理量测,统计出研究区岩体的优势节理组,建立岩体结构模型及三维离散元数值模型,模拟岩体的压缩试验,研究不同围压条件下表征单元体尺寸及岩体变形和力学特性的变化规律。结果表明：当围压小于20 MPa时,表征单元体尺寸随围压增加呈正相关增大;当围压大于20 MPa时,表征单元体尺寸不受围压影响,保持不变。当围压小于60 MPa时,岩体承载力随围压增加呈正相关增大;当围压大于60 MPa时,岩体承载力不随围压增加而变化。岩体的轴向应变、横向应变和体积应变随围压的变化规律也表现出明显的围压效应。     

节理岩体表征单元体的分形几何研究

节理岩体的尺寸效应是其内在结构复杂性的体现,应归因于岩体内裂隙网络系统的存在。提出在岩体结构宏观分区的基础上研究表征单元体,应用分形几何的观点进行研究。结果表明,分区内岩体结构具有统计自相似性。进一步的计算表明,用于描述岩体结构特征的分形维数随岩石试样尺寸的增加而减小;但当尺寸增加到某特定值时,分形维数趋于稳定,将此特定值称为结构表征单元体,即尺寸大于结构表征单元体的样本其结构具有代表性。根据表征单元体的定义,尺寸大于表征单元体的岩体试样,其力学性质具有代表性;而结构相似是性质相似的前提,由此可以推知,结构表征单元体为表征单元体取值的下限。     

地应力对裂隙岩体渗流特性影响的研究

岩体总是赋存于一定的渗流场与应力场中的，研究地应力场对渗流场的影响具有重要的意义。首先分析了裂隙岩体渗流运动的基本规律，研究了应力对渗流作用影响的机理。在此基础上，结合甘肃某工程进行了现场地应力测量及高压压水试验，并且作了大量地表的、钻井岩芯的节理裂隙地质调查，得到了该地区的地应力值和渗透系数值。然后通过回归分析，可以发现该地区渗透系数随地应力值的增大呈负指数递减的变化规律。     

基于几何测量法的裂隙岩体渗透性研究

基于某坝址区左岸灌浆平硐裂隙实测结果，建立了裂隙岩体渗透系数张量计算方法，并开发了渗透系数张量计算软件。运用该软件对某坝址区左岸灌浆平硐中裂隙的渗透性进行了计算，计算结果得到了现场的验证，故该软件可以作为压水试验反演分析的补充，可为岩体渗透性分区及防渗帷幕的优化提供科学依据。     

裂隙岩体渗透系数张量的反演分析

视岩体为非均质各向异性渗透体，以渗流场中测点水头及流量的计算值与实测值的最佳拟合为准则，把反演岩体渗透系数张量等参数的反问题归结成一个数学优化问题。为了确保反演计算的顺利进行，对极小化目标函数设置惩罚性附加项，在计算机上自动求得岩体工程中三维复杂渗流场反问题的解。最后介绍一个复杂工程实例的求解。     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。