节理岩体三维综合抗剪强度数值模拟研究

采用不确定性理论建立的三维节理网络模拟技术是计算机技术在岩体力学领域应尉的一个重要方面。该技术利用野外不连续面现场地质调查所获得的原始数据，建立结构面几何参数分布的概率统计模型，进而应用蒙特卡罗模拟方法构筑不连续面在三维空间的组合形态，借助计算机生成三维网络模型。在建立三维网络模型的基础上，通过搜索不连续面和岩桥组合破坏的临界路径来确定连通率并提供三维综合抗剪强度指标，在搜索过程中应用了具有鲜明生物背景的遗传算法。     

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。     

岩桥破坏的简化模型及在节理岩体模拟网络中的应用

提出一个简化的岩桥破坏 /结构面扩展模型 ,该模型符合现有试验观测成果 ,在力学机理上基于Lajtai对岩桥剪切破坏的研究 ,能方便地计算实际问题中各种结构面组合情况下的抗剪力。利用先进的优化方法 ,该模型用于在结构面模拟网络中搜索抗剪力最小的结构面-岩桥组合 ,从而研究裂隙岩体的结构面连通特性和综合抗剪强度。算例和分析表明 ,在不同的法向应力作用下 ,岩体沿某一组结构面受剪时 ,破坏路径上的连通率为常数 ,这时可以使用连通率求取岩体的综合抗剪强度指标。在剪切方向与某一组结构面的平均延展方向不相同时 ,破坏路径上的连通率随法向应力的改变而改变 ,这种情况下岩体的综合抗剪强度只能通过模拟试验直接求得。     

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。     

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。     

结合结构面统计的侧向岩石压力计算方法

岩体抗剪强度取决于结构面分布及其性质,侧向岩石压力的计算常用岩体等效内摩擦角参数,而边坡规范中岩体等效内摩擦角的取值难以反映实际岩体结构面分布及其性质的影响。为确定合理的支挡结构侧向岩石压力值,提出对现场岩体结构面性质包括产状、隙宽、迹长、间距、粗糙度进行统计,进而结合现场结构面统计的蒙特卡洛随机模拟结果和RMR地质评价系统,对岩体结构面进行定量评价。利用评价结果和Hoek-Brown准则拟合得到岩体等效摩尔库伦强度参数,由此计算侧向岩石压力。通过与现有方法进行对比发现,采用本方法得到的岩体等效内摩擦角计算所得的侧向压力更符合实际。     

JRC-JCS模型与直剪试验对比研究

 结构面抗剪强度是影响工程岩体稳定的重要因素,它决定工程岩体破坏的可能性。基于结构面粗糙度系数定向统计测量技术的JRC-JCS模型可以考虑地质和环境因素的影响,具有费用低、速度快、简便易行等特点,是获取工程岩体无填充或少填充硬岩结构面抗剪强度参数的实用方法,已为50多个岩体工程提供了结构面抗剪强度参数。为分析JRC-JCS模型评价结构面抗剪强度参数的可靠性,选取天然岩石结构面试样,进行干燥状态和饱和状态结构面抗剪强度直剪试验和JRC-JCS模型评价的对比研究。结果表明,在结构面粗糙度系数的定向统计测量、尺寸效应分析,以及剪切过程衰减折减的基础上,运用结构面粗糙度系数定向统计测量技术的JRC-JCS模型评价的结构面抗剪强度参数与直剪试验结果具有较好的一致性,JRC-JCS模型对结构面峰值摩擦角有较好的预测能力。     

岩体抗剪强度参数的结构面倾角效应

通过对泥质粉砂岩、泥质灰岩抗剪强度参数的层面倾角效应研究。以及石膏模型试件力学性质的结构面倾角效应研究，就结构面倾角对层状、似层状岩体抗剪强度参数产生的影响进行了较详细的剖析，阐明了层状、似层状结构岩体力学性质各向异性的本质和机理。并在此基础上对受倾角效应影响的层状、似层状岩体抗剪强度参数取值进行了较深入的分析，提出了较为客观的、极具参考价值的层状、似层状结构岩体抗剪强度参数的取值原则。分别得到了层状结构粉砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩以及薄层的层状结构灰岩、片岩、板岩的系列强度参数与结构面倾角口的相关公式。层状、似层状结构石膏模拟试件不同裂隙倾角条件下的室内三轴剪切试验研究进一步表明。新提出的相关公式可作为类似结构岩体抗剪强度参数在不同层面倾角下的取值参考。     

岩体结构面抗剪强度参数取值方法综述

在查阅文献资料的基础上,对试验法、公式法、经验法和反算法四种岩体结构面抗剪强度参数取值的方法进行了综述,分析了各种方法的适用性,为岩体结构面抗剪强度参数的合理取值提供了依据。     

露天矿山岩体力学参数估算法的应用研究

露天矿山边坡稳定性分析中岩体力学参数的取值至关重要,Hoek-Brown强度准则可以充分反映岩石的非线性破坏的特点,广泛应用于工程实践;结构面作为岩体的一部分,其对岩体的影响不可忽略;结构面的稳定性由抗剪强度决定,对结构面力学参数的估计同样是评价岩体强度的重要组成部分。利用轮廓曲线法和回弹法量取结构面粗糙度和壁岩强度量化地质强度指标GSI,并对潜在滑移结构面抗剪强度精准取值。结合广义Hoek-Brown强度准则估算和兴矿山II-B边坡岩体力学参数,通过极限平衡法分析其整体稳定性系数;利用Barton-Bandis模型线性拟合,计算结构面抗剪强度,对滑体落岩的稳定性进行分析。计算结果表明,整体边坡安全系数F_s=1.285,稳定性较好;含有潜在滑移结构面的岩体安全系数F_s=0.911,局部存在单平面滑移可能。计算结果符合现场实际情况,经反算法验证后,证明通过该方法估算得到的岩体强度参数及结构面抗剪强度是合理的。     

裂隙化岩体不连续面密度的分形研究

 不连续面密度是表征岩体内部不连续面分布特征的重要参数之一,但是岩体内不连续面的分布是随机的、不规则的,要想准确获得岩体不连续面密度的真实值是不可能的。基于现场调查的岩体露头不连续面特征,借助计算机模拟技术建立岩体不连续面分布的二维、三维随机裂隙网格模型,从数理统计学的角度计算岩体不连续面密度数值。并基于分形理论计算岩体不连续面分布的二维、三维分布特征,尝试建立岩体不连续面密度与分维数的数学关系。计算结果表明,岩体不连续面密度与分维数具有相同的变化趋势,随着不连续面分维数的增大,不连续面密度增大,不连续面密度与分维数之间存在线性关系。研究结果表明,不连续面分布的体密度和三维分形维数,可以更加综合地反映岩体内部不连续面的分布特征和空间信息及对岩体强度参数的影响,对工程应用具有更好的实际作用。且在此基础上,提出基于不连续面分布的体密度和三维分形维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。     

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。     

考虑各向异性特征的三维岩体结构面峰值剪切强度研究

 由于岩体结构面形貌的复杂性,目前,所提出的峰值剪切强度模型不能够很好地体现其各向异性特征。鉴于此,综合考虑岩体结构面起伏角和起伏幅度,提出一个考虑各向异性特征的综合参数?表征岩体结构面粗糙度的新方法;?由某一方向的起伏角参数SRv和起伏幅度参数A表示;其中参数SRv表示结构面粗糙度的各向异性特征,用变异函数分析方法进行计算获得。然后,应用该法分析Barton十条标准轮廓线,拟合出JRC与参数SRv,A的关系表达式;结合Barton强度公式,给出考虑各向异性特征的岩体结构面峰值剪切强度模型。最后,基于ShapeMetriX3D三维形貌测量系统,在实验室开展类岩体结构面形貌的量测;并应用上述方法估算结构面4个方向上的峰值剪切强度。于此同时,开展该类岩体结构面各向异性的剪切力学试验,通过试验值与估测值的对比分析,验证了所提模型的正确性。研究结果为准确预测岩体结构面抗剪强度提供一种新方法。     

岩体随机不连续面三维网络数值模拟技术

岩体随机不连续面三维网络数值模拟技术是近年来逐步发展起来的一项新技术 ,该技术对坚硬块状节理化岩体的稳定性评价 ,及岩土工程设计几何参数的获取是一项重要的基础工作。该技术是在现场不连续面窗口调查的基础上 ,应用概率统计、随机理论、蒙特卡罗模拟及计算机编程等方法 ,通过对现场测量样本的产状、迹长、间距等的偏差校正 ,最终生成不连续面三维网络数值模型。     

基于三维形貌参数的偶合节理峰值抗剪强度公式

 节理表面形貌是影响节理峰值抗剪强度的重要因素,采用人工模拟材料节理分别在0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 MPa的法向应力下进行直剪试验,研究三维形貌参数与峰值抗剪强度之间的关系。选用节理面有效三维平均倾角 、粗糙度系数 、最大可能接触面积比 作为表征节理面粗糙度的参数。直剪试验前、后采用TJXW–3D型便携式岩石表面形貌测量仪对节理表面进行形貌数据测试;根据直剪试验结果建立节理峰值剪胀角与三维形貌参数 , , 之间的关系;建议采用新的强度准则计算节理的峰值抗剪强度。新公式的计算结果与试验值具有较好的一致性,并将其与Barton公式的计算结果进行比较,可知Barton公式的计算结果低于试验实测值。     

基于三维形态空间分析和仿真试验的岩体结构面剪切强度参数研究

 获取结构面可靠的强度指标是研究岩体强度的重要基础。因不同结构面样本的巨大差异,以及剪切测试难以重复进行的实际情况,直接通过试验获取剪切参数通常难度较大且结果不理想。以具有定向变形特征的岩体剪切结构面为研究对象,探索性提出采用结构面剪切测试–结构面表面形态三维空间分析–数值仿真试验相结合方法,获取真实可靠的结构面强度参数。该方法优势表现为：岩体结构面摩擦角的2个组成部分即基本摩擦角和爬坡角完全分离,且能考虑结构面形态三维特性及剪切变形方向特征;同时,力学测试和数值试验结合,克服了单纯依靠剪切测试无法重复的重大难题。     

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。     

规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究

 通过规则齿型结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行基础性研究,阐述规则齿型结构面在剪切条件下力学特性的主要特征,以及其强度、变形等力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切应力作用下的剪切变形曲线以及不同粗糙度结构面的剪切变形特性进行深入研究,在此基础上提出结构面剪切变形特性的经验本构关系,同时对结构面综合抗剪强度参数在剪切条件下的变化规律进行研究,建立评价结构面剪切强度的经验公式。最后还对结构面在剪切条件下的扩容特性进行分析,并对现象做出解释。     

复杂应力状态下岩体强度的各向异性研究

 岩体中存在着大量的节理裂隙等不连续面,这些不连续面对岩体的强度起着重要的作用,岩体可能会沿着这些不连续面发生破坏。在分析中间主应力对岩体强度影响的基础上,验证统一强度理论,并在此基础上,建立可以反映中间主应力变化的强度参数,同时采用试验对其进行验证。针对含有不连续面的岩体,分析不连续面上的应力分布,建立复杂应力条件下的岩体各向异性强度准则,并针对该强度的特殊情况作简化,分析适用条件。采用节理岩体的真三轴试验对其验证,结果表明所建立的各向异性强度准则可以恰当的反映岩体的强度。分析中间主应力,结构面倾角和走向对岩体强度的影响。