裂隙岩体几何与力学尺寸效应的关联性研究

利用块体化程度指标,从岩体空间结构角度,揭示岩体几何与力学尺寸效应的关联性。基于GeneralBlock软件构建35种不同结构面延展性和间距组合的岩体多尺度三维裂隙网络模型,利用所提出的块体化程度修正理论,计算不同尺度岩体的块体化程度,确定裂隙岩体的几何特征尺寸(即几何REV);通过GeneralBlock–3DEC模型关联参数的对接,构建多尺度岩体离散裂隙网络模型,分析岩体抗压强度、弹性模量等特征力学参数随岩体尺寸的变化规律,计算裂隙岩体的力学特征尺寸(即力学REV);比较几何REV与力学REV的计算结果,探讨岩体几何尺寸效应与力学尺寸效应的关联性。研究表明:岩体几何REV尺寸小于岩体力学REV尺寸,且岩体力学尺寸效应主要由岩体几何尺寸效应引起;随着岩体尺度的增加,反映岩体结构特性的几何特征参数先趋于稳定(即先期达到几何REV),达到力学REV后岩体的力学特征参数趋于稳定。     

基于有限元方法的裂隙岩体等效强度参数研究

 利用等效连续介质力学方法分析裂隙岩体中工程稳定性时,选择合理的裂隙岩体等效强度参数是取得可靠分析结论的前提。依据建立的裂隙岩体网格,结合岩石统计损伤模型和结构面损伤模型,通过有限元数值方法研究裂隙岩体加载中的渐进破坏过程,以及裂隙岩体等效抗压强度的尺寸效应和各向异性。分析结果表明,从岩块到岩体,岩体等效抗压强度很快降低至稳定幅度,岩体抗压强度的各向异性也不显著。最后,对10 m尺寸的岩体进行不同围压下抗压强度的数值分析,得到裂隙岩体的强度参数,并和Hoek-Brown经验准则进行对比。文中的分析方法对于工程裂隙岩体的宏观参数取值具有参考价值。     

裂隙岩体表征单元体的确定及工程应用

以某水电站为工程背景,介绍了两种确定裂隙岩体REV的新方法:数字图像处理法和非连续变形DDARF法。依据水电站岩性差异、风化及卸荷程度,将围岩划分为若干工程地质区段并建立随机裂隙网络模型,研究尺寸效应对岩体力学参数的影响规律,获得了REV表征尺寸和等效力学参数;得到岩体的非线性强度准则,嵌入FLAC^3D对水电站开挖进行模拟,并监测关键点位移。结果表明:水电站围岩的抗压强度与围压成正相关;洞室开挖对厂房上下游中部和拐角处影响较大,应加强对这些部位的支护;关键点的位移数值结果与现场监测值基本吻合,误差小于5%。数字图像处理法和DDARF法为裂隙岩体REV的确定开拓了新思路,对复杂条件下地下洞室围岩的稳定性分析有广泛的应用前景。     

岩体尺寸效应及其特征参数计算

 岩体的尺寸效应包括完整岩块的尺寸效应与节理岩体的尺寸效应,但两者之间还缺乏有机联系。基于物理力学试验与细观参数统计分布理论,建立试样尺度的随机概率模型。通过统计宏观节理分布,建立包含随机分布节理的岩体尺度模型。将实验室获得的岩块强度应用于岩体的计算中,提出一种从细观层次、宏观层次的多尺度岩体工程计算方法,建立2种尺度效应的联系。最后,就非均匀性、围压与节理密度对岩石尺寸效应的影响问题展开探讨。随着均值度的增加,试样的特征尺度逐渐减小。随着围压的增大,岩体特征强度逐渐增大,而岩体力学参数的特征尺寸增大不明显。随着节理密度的增大,特征尺寸和相应的特征强度都是减小的。本方法试图建立细观与宏观力学参数之间的桥梁,获得岩体计算的力学参数,为解决工程岩体参数取值与计算提供一条思路。     

层状复合岩体变形试验尺寸效应的数值模拟

由于层状复合岩体软硬相间，不满足均匀、连续和各向同性条件，因此，通过现场试验方法确定层状复合岩体等效变形模量会存在许多问题，尺寸效应即是主要问题之一。结合清江水布垭水利枢纽地下厂房P1q^3层软硬相间层状复合岩体力学参数取值问题，在现场岩体变形试验基础上，通过开展数值模拟试验，研究了不同加载尺寸对层状复合岩体变形参数的影响。研究成果表明：层状复合岩体变形模量具有明显的尺寸效应，岩体变形模量与加载面直径之间可近似采用负幂函数表示：E=7．989D^-0.552常规变形试验加载尺寸明显偏小，当加载面直径应达到3～5m，岩体等效变形模量取值3～4Gpa，比常规试验降低70％左右。     

节理岩体力学参数取值研究

本文提出了一种确定节理岩体力学参数的计算机模拟试验法。该法基于节理裂隙的野外勘探资料建立岩体的损伤断裂模型,可在计算机上模拟计算实际试验过程,获得应力-应变全过程曲线和岩体变形模量、抗剪强度参数的各自异性特征。文中具体研究了拉西瓦工程岩体参数的取值问题。     

石英云母片岩各向异性特征多尺度精细化描述

丹巴石英云母片岩片理面发育,具有典型的各向异性特征。此外,现场石英云母片岩中还普遍发育大小不一的石英脉,导致各向异性特征更加复杂。因此需要同时考虑片理面、石英脉和节理裂隙网络的影响。首先,在小尺度的室内试验中,对岩石薄片进行细观结构分析,并开展多组与片理不同夹角的加载试验,揭示石英云母片岩的变形模量和强度随片理角度的变化规律。以颗粒流方法 PFC(Particle Flow Code)为基础,采用光滑节理模型模拟片理面、颗粒体模拟岩石基质,从机制层面上实现片理面与岩石基质破坏过程的模拟,准确再现了室内试验结果。为了研究现场大尺度岩体的各向异性特征,利用三维数码摄像技术,现场采集并精细统计岩体结构尤其是石英脉的空间展布特征,并将该特征准确还原于数值模型中,开展不同尺寸、不同结构组成的各向异性特征研究,揭示变形参数和强度参数的变化规律,为工程岩体力学参数选取提供了重要依据。     

多裂隙岩体三维加锚损伤断裂模型及其数值模拟与工程应用研究

 博士学位论文摘要　利用断裂力学理论、损伤力学理论和三维非线性有限元数值分析方法系统研究了断续多裂隙岩体的力学变形特性、强度特性和空间损伤岩锚支护效应。(1) 根据断续节理面几何特征的概率统计模型, 推导出了节理面主要几何特征参数的数学计算表达式, 为正确分析裂隙岩体的力学变形特性提供了重要的节理面几何特征参数保证。(2) 根据节理裂纹压剪应力场中的扩展变化过程和扩展过程中的能量转换与能量变化, 建立了多裂隙岩体的能量损伤演化方程。(3) 根据脆性岩体的损伤变形机制, 建立了脆性岩体在初始损伤和损伤演化状态下的三维脆弹性损伤断裂本构关系。(4) 考虑多裂隙岩体的损伤变形机制, 通过引入有效应力反映损伤与塑性变形的耦合效应, 并根据能量损伤演化方程、不可逆热力学定律、广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。(5) 根据锚杆、锚索对裂隙岩体的支护、加固作用机理, 建立了多裂隙岩体锚杆支护的空间损伤岩锚单元支护模型和锚索加固的空间加索损伤岩体联合作用模型。(6) 根据脆性岩体的断裂破坏机制, 建立了脆性裂隙岩体的起裂准则和初裂强度计算公式, 并推导出了成组有序分布的平面裂隙岩体和三维币状裂隙岩体的脆性断裂破坏强度计算公式。(7) 将上述损伤断裂本构模型和岩锚支护、加固作用模型编制成三维非线性有限元计算程序, 应用于三峡船闸高边坡开挖卸荷稳定分析, 获得了较为满意的计算结果, 验证了模型的有效性和正确性。     

锦屏二级水电站深埋引水隧洞稳定性研究

裂隙岩体的渗流应力耦合机理是岩体水力学的研究重点。基于多孔介质有效应力原理,以体积应变为切入点,建立了考虑岩体变形特性的渗透系数动态演化方程和弹塑性耦合损伤本构模型,并将所建立的本构模型编制程序导入到大型商用有限元程序ABAQUS,研究锦屏二级水电站深埋引水隧洞运营期围岩和衬砌的受力和变形特征。研究成果表明:考虑渗透系数动态演化的力学模型可以更好地反映隧洞运营期衬砌的外水压力特征,比不考虑渗透系数动态演化的计算结果更加合理,由于锦屏4个引水隧洞的间距较大,隧洞开挖和运行放水所产生的裂隙损伤演化区没有形成贯通区域。     

岩体表征单元体与岩体力学参数

在岩体多场耦合分析中,许多采用岩体表征单元体(REV)讨论岩体的渗透特性。事实上,岩体REV是岩石力学的一个基本科学问题,它是选取岩体力学模型以及确定岩体力学参数的基础。从REV的基本概念出发,阐述岩体REV的力学意义;根据岩石及岩体的结构和地质特征,定义了岩石力学中常见的6个尺度,并分析了REV与其它尺度的关系;归纳总结并提出了岩体REV的3种确定方法:能量叠加法,地质统计法,数值模拟法;讨论了岩体REV与岩体力学模型及岩体力学参数取值之间的关系;提出了岩体力学参数的"5S"相关性和岩体力学参数场的概念和分析方法。     

裂隙岩体渗透张量计算及其表征单元体积初步研究

基于三维节理网络模拟技术,应用渗流能量叠加原理,推导节理岩体渗透张量的理论计算公式,在此基础上提出裂隙岩体渗透表征单元体积的确定方法。该方法考虑空间节理的具体分布和连通情况,同时根据节理的开度变化和立方定理又可分析应力场对渗透张量的影响,可方便、有效地进行裂隙岩体渗透特性的分析。随后讨论节理迹长、间距、开度、产状和组数等结构面几何特征对岩体渗透特性及表征单元体积的影响。最后采用上述方法,以拉西瓦水电站右岸岩体为例,计算工程岩体的渗透张量,并分析渗透表征单元体积大小及地应力对其渗透特性的影响。研究结果在工程设计中具有应用价值。     

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。     

基于精细结构描述及数值试验的节理岩体参数确定与应用

岩体参数是岩体工程设计与优化的重要依据。以现场精细结构测绘为基础,借助数值计算工具,进行大样本岩体力学试验为岩体参数的确定提供了一种新思路。精细结构描述的重点在于现场地质测绘工作的细致。以统计窗为基础,结合地质素描和数码摄像技术,补充发展了一套岩体精细结构测绘的现场工作方法。以现场测绘为基础,建立岩体结构模型。同时,通过离散元数值试验与物理模型试验的对比,验证数值试验的精度,并以锦屏一级水电站为例对坝区岩体进行大样本岩体数值试验,给出应力–位移全过程曲线、应力分布、位移分布及塑性区分布等分析成果。对比发现,数值试验结果与岩体质量评价结果基本吻合,计算结果可靠。数值试验细化了岩体参数的分布特征,大样本试验将会促进工程参数风险预测和可靠度分析的发展。     

中等延展性裂隙岩体典型单元体及其渗透张量

岩石力学工程中常利用等效多孔介质方法研究裂隙岩体水力特征,等效渗透系数就是等效方法中的重要参数,典型单元体(REV)尺度与存在性决定了等效渗透系数的可靠性和有效性。因此,研究典型单元体的尺度和存在性有重要意义。利用随机方法和水量均衡法开发离散网格软件FractureToKarst研究裂隙岩体渗透问题,从理论推导和多元线性回归分析两种方法验证了程序在研究裂隙岩体渗流的尺度效应的可靠性。以此为基础建立了两组正交中等迹线长度的二维裂隙网格,讨论了此类裂隙岩体REV的存在性及尺度与其裂隙间距的关系,并通过统计学的方法求解出渗透系数张量。     

Investigation of mechanical properties of fractured marbles by uniaxial compression tests

Uniaxial compression tests(UCTs)on 34 naturally fractured marble samples taken from the transportation tunnels of Jinping II hydropower station were carried out using the MTS815 Flex test GT rock testing system.Rockburst proneness index WET is determined for the marble samples with the UCTs.According to the number,size and spatial structure characteristics of the internal natural fractures of the marble samples,fractures are basically divided into 4 types,namely,single fracture,parallel fracture,intersectant fracture and mixed fracture.The mechanical properties of naturally fractured rocks(4 types)are analyzed and compared with those of intact rock samples(without natural fractures).Experimental results indicate that failure characteristics of fractured rocks are appreciably controlled by fracture distribution or fracture patterns.In comparison with intact rocks,the failure of fractured marbles is a locally progressive failure process and finally rocks fail abruptly.Statistically,the uniaxial compressive strengths(UCSs)of rocks with single,parallel,intersectant and mixed fractures are 0.72,0.69,0.59 and 0.46 times those of the intact rocks,respectively.However,the elastic modulus of the fractured Yantang marbles is generally not different from that of intact rocks.But the elastic moduli of Baishan marble with single,intersectant and mixed fractures are 0.61,0.62 and 0.45 times those of intact rocks,respectively.Experimental results also indicate that WET of fractured marbles is generally smaller than that of intact marbles,which implies that rockburst intensity of fractured marble in field may be controlled to some extent.In addition,the bearing capacity of surrounding rocks is also reduced,thus the surrounding rocks should be supported or reinforced timely according to practical conditions.     

基于声发射定位的自然裂隙动态演化过程研究

 利用MTS815岩石力学试验机和PCI-II声发射三维定位实时监测系统对取自锦屏II级水电站交通辅助洞的含自然裂隙大理岩岩样进行单轴压缩条件下的声发射(AE)测试,并结合AE振铃数实现对不同空间分布类型自然裂隙时空演化过程的精确定位和追踪。试验结果表明：含自然裂隙大理岩岩样受压破坏过程中的局部渐进特征显著,AE累计数曲线的上升与试验的加载过程和岩样内部的应力调整关系密切;单一型和平行型自然裂隙空间分布形式相对简单,在压应力水平较低时AE大事件(振铃数＞20)随着压应力的渐增沿自然裂隙面展布,当压应力接近峰值强度时,AE大事件在裂隙面末端部位大量集聚,并朝着最终的实际破裂方向扩展;含交叉型自然裂隙岩样体内的AE大事件在初始压密阶段分布相对均匀,但随着压应力的持续增加,裂隙面附近的AE数量逐渐增加,并向裂隙面的交叉部位集聚;混合型自然裂隙结构最复杂,但仍不难根据AE大事件的空间分布确定岩样内部的软弱部位及相应的应力场变化规律。以上试验和分析结果对于深入研究岩体破裂失稳机制具有一定的意义,也可为现场微震监测提供指导。     

Effects of fracture distribution and length scale on the equivalent continuum elastic compliance of fractured rock masses

fracture systems have strong influence on the overall mechanical behavior of fractured rock masses due to their relatively lower stiffness and shear strength than those of the rock matrix.Understanding the effects of fracture geometrical distribution,such as length,spacing,persistence and orientation,is important for quantifying the mechanical behavior of fractured rock masses.The relation between fracture geometry and the mechanical characteristics of the fractured rock mass is complicated due to the fact that the fracture geometry and mechanical behaviors of fractured rock mass are strongly dependent on the length scale.In this paper,a comprehensive study was conducted to determine the effects of fracture distribution on the equivalent continuum elastic compliance of fractured rock masses over a wide range of fracture lengths.To account for the stochastic nature of fracture distributions,three different simulation techniques involving Oda's elastic compliance tensor,Monte Carlo simulation(MCS),and suitable probability density functions(PDFs) were employed to represent the elastic compliance of fractured rock masses.To yield geologically realistic results,parameters for defining fracture distributions were obtained from different geological fields.The influence of the key fracture parameters and their relations to the overall elastic behavior of the fractured rock mass were studied and discussed.A detailed study was also carried out to investigate the validity of the use of a representative element volume(REV) in the equivalent continuum representation of fractured rock masses.A criterion was also proposed to determine the appropriate REV given the fracture distribution of the rock mass.     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

裂隙岩体精细结构描述及工程特性数值试验

 基于裂隙的空间形态及分布的统计特性,应用裂隙网络随机模拟技术,建立工程裂隙岩体的数字化岩体模型,并编制程序实现自动化建模。利用GeoCAAS程序进行裂隙岩体数值试验研究,发展了研究裂隙岩体的力学和水力学特性以及两者关系的方法。主要探讨裂隙岩体变形模量和渗透系数随裂隙迹长变化而演化的规律,并进一步分析变形模量和渗透系数之间的关系。     

温度应力对裂隙岩体强度的影响研究

 从断裂力学理论出发,定量分析高于常温的温度场中温度应力作用对含有单条裂隙、单组裂隙以及多组裂隙岩体强度的影响规律。由理论角度,从弹性力学着手,采用解析的方法以等效荷载法,利用叠加原理,将代表性体积单元中单条裂隙温度应力的表达式叠加到代表性体积单元的单条裂隙的结构荷载中,推导岩体裂尖处在一定温度应力作用下断续裂隙介质的细观断裂强度表达式,简便有效地将细观尺度如裂隙长度、方向等与宏观条件如温度、强度有机地结合起来,完善现阶段研究对于裂隙岩体强度表达形式的不足,引出一个能够全面展示宏、细观层面及考虑温度影响因素,综合表达裂隙岩体强度稳定性的探索新思路。最后通过相关试验结果,验证所建立的公式具有较高的可靠性。