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。     

考虑裂隙面粗糙度和开度分形维数的岩石裂隙渗流特性研究

岩石裂隙的粗糙度表征及其渗流特征的描述一直是岩石力学和工程地质领域的难点和热点问题。基于分形理论和流体力学基本原理,首先量化裂隙面的不规则粗糙元素,建立相对粗糙度与分形维数以及裂隙微观结构参数之间的定量关系。然后将粗糙度对渗流的影响转化为裂隙等效开度对流动特性的影响,结合裂隙开度与裂隙长度之间遵循的幂律关系,建立粗糙裂隙的渗透率计算模型。最后研究分形维数和裂隙的几何特征对渗流特性的影响,并使用相关试验数据验证模型的合理性。研究结果表明：裂隙粗糙度对渗流的影响不可忽视,渗透率与裂隙最大开度之间呈平方关系,裂隙开度和粗糙元素几何特征是影响渗流性能的关键因素。建立的渗透率模型不含任何经验常数,避免数据处理的繁琐过程,具有良好的适用性。     

孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体破裂及分形演化

为研究洞室裂隙围岩破坏机制,构建含孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体模型,在单轴压缩试验的基础上,结合RFPA软件对岩体模型的裂纹扩展进行数值模拟;采用盒维数法计算裂纹扩展数字图像的分形维数,研究加载过程中岩体模型的分形演化特征。结果表明:组合型缺陷加重了岩体模型的应力集中现象,劣化了力学参数,表现为最大压应力和最大拉应力的增幅分别达到20.57% ~ 58.19%、14.29% ~ 136.19%;单轴抗压强度和弹性模量的降幅分别达到55.76% ~ 66.09%、42.57% ~ 59.29%。含孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体物理模型和数值模型的裂纹扩展模式大致相同,可划分为弹性阶段(S-Ⅰ)、裂纹萌生、扩展阶段(S-Ⅱ)以及残余强度阶段(S-Ⅲ)3个阶段。分形维数的演化特征与裂纹扩展密切相关,并提出了基于分形维数的裂纹起裂以及整体失稳的判据。     

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。     

岩石剪切裂隙渗流特性试验与理论研究

 通过在三轴应力条件下对丹江口库区辉绿岩进行剪切破坏得到剪切裂隙,然后对剪切裂隙进行不同围压和裂隙水压力(渗透压差)作用下渗透性能的试验研究。研究结果表明：绝大部分岩样在剪切破坏后会形成单条贯穿剪切裂隙,这种剪切裂隙的渗透系数与净围压的关系符合指数函数特征,且受环向应变影响很大,但受轴向应变影响较小;裂隙水压力对裂隙渗透系数影响明显,在相同净围压下,裂隙水压力越大,渗透系数越大,其主要原因是较大的裂隙水压力使裂隙两侧基岩产生附加变形,导致隙宽增加。基于试验数据和理论分析,根据三维应力下的裂隙–岩块位移模型推导考虑裂隙水压力的渗透系数计算公式,该公式可以较好地描述不同围压和裂隙水压力下实测渗透系数的变化趋势,并且公式中的参数均可根据简单的三轴压缩试验得到,计算结果与实测数据符合较好。     

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。     

温度饱和水下的裂隙岩体力学特性研究*

在理论上，利用O‘Connell的饱和水裂隙岩体等效弹性模量与岩石模量的关系式，并由式中的裂隙密度概念意义，建立了温度作用下的裂隙密度与Oda提出的裂隙张量之间的关系式；在试验的基础上，给出了温度、饱和水下的单裂隙岩体应力－应变、抗压强度回归拟合关系表达式。并通过试验与拟合结果对以加以验证，其裂隙岩体力学模型可为裂隙岩体THM耦合分析提供合理的依据。     

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。     

考虑结构面特性的层状岩体复合材料模型与应用研究

 层状岩体由于存在着定向结构面导致其破坏机制和变形行为与一般岩体相比,存在着显著的差异。为此,先通过独立考虑基岩和结构面的物理力学特性,提出层状岩体复合材料硬化–软化模型,以便用来描述这类岩体在强度和变形方面的各向异性以及渐进破裂(或滑移)特征。然后,采用VC++编程语言将该模型嵌入到FLAC3D软件中,从而实现非线性数值计算功能。通过与经典理论解和已有模型数值解进行对比,以及对单轴和三轴压缩试验的数值模拟,表明该模型在描述上述这些特征方面是合适的。同时,这些压缩试验的数值模拟结果给出不同围压和倾角情况下层状岩体的力学响应特征,并初步探讨这类岩体的破裂(滑移)机制。最后,将该模型应用于典型边坡工程和洞室工程中,所得结果可以较好地解释工程现场的变形破坏现象,且与工程实践基本相符,验证该模型在工程应用方面的可行性。     

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。     

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。     

基于压水试验资料的岩体透水性分形特征研究

采用R／S分析方法对钻孔常规压水试验资料进行了分析，给出了能反映岩体透水性特征的分维数。通过对不同水电工程中压水试验的分析，探讨了不同岩性、构造条件下裂隙岩体透水性的分形特征。     

裂隙岩体渗流场与损伤场的耦合分析

通过引入渗透压力附加柔度张量的概念以及考虑渗透张量的演化行为，详细研究了裂隙岩体渗流与损伤变形的相互作用机理。在此基础上建立了基于两场耦合的裂隙岩体渗流损伤模型。工程算例结果表叫，当存在地下流体流动时，渗流对岩体变形破坏以及损伤变形对岩体渗流场的影响是不可忽略的。     

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。     

含复杂裂隙网络岩体渗流特性研究的复合单元法

研究含复杂裂隙网络岩体渗流特性的复合单元法，该方法首先利用蒙特卡罗方法随机生成符合给定概率分布特征的复杂裂隙网络；然后通过叟切和拓扑运算将各裂隙段置于常舰有限单元内部，形成内含由多个裂隙段分划而成的子单元的复合单元，根据推导的公式计算渗流场进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下几个主要特点：（1）可与传统的有限冗法融合;（2）可考虑每条裂隙的具体位置、产状、开度、长度和渗透性质；（3）可考虑岩石的渗透性及其与裂隙间的流量交换；（4）可计入不连通裂隙对渗流场的影响；（5）复合单元的拓扑信息由裂隙网络与常规有限单元边界的交切及其单元内部裂隙段的相互交切面生成，由于先没有考虑裂隙，故复合单元前处理简单。用复合单元法分析含复杂裂隙嘲络岩体的渗流行为及其渗流特性是一种新的数值模拟手段。算例分析表明该方法的可行性和有效性。     

岩石破坏声发射平静期及其分形特征研究

 通过岩石加载的室内试验方法,测试不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到岩石破坏全过程力学特性——岩石的全应力–应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,给出声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。着重讨论一次性加载过程中塑性变形阶段明显的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的“耗时”现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段;而对于塑性变形阶段不明显的岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测中也没有发现声发射相对平静期现象。另外,还运用分形理论,研究分析处于不同加载应力比的岩样在各个阶段的声发射分形维数,特别是研究声发射平静期维数变化情况。指出在加载初期分形维数处于较低值,且分形维数随加载应力增加而逐步增加;在加载到峰值应力的40%左右时,分形维数开始下降;在加载接近到峰值应力时,即处于声发射平静期阶段时分形维数逐步降到最低,且此时预示着岩石的破坏。此外,结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些实际问题进行总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

考虑岩体节理分布特性的各向异性强度准则研究

 针对岩体节理分布的特性,以Mohr-Coulomb和Rankine准则为基础,引入结构面网络模拟计算所得的岩体连通率和强度参数,研究岩体在各向异性强度准则下的理论方法。在此基础上,对岩体各向异性强度准则及其数值实现方法进行研究,并编制相应的计算程序对坝体–岩基系统的深层滑动面进行动力分析。分析结果表明,岩体在各向异性强度准则下的破坏面不一定与最大剪应力面重合;综合考虑Mohr-Coulomb和Rankine准则可改进Mohr-Coulomb准则对岩体抗拉强度过高估计的缺点,更符合工程实际;所建立的各向异性强度准则能真实地模拟各向抗力与响应的相互关系所反映的节理裂隙岩体的破坏特征。