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。     

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。     

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。     

基于界面元的岩体裂隙网络渗流模型中 不稳定块体预测

 以野外不连续面现场地质调查所获得的真实裂隙展布为基础,以随机不连续面三维网络计算机模拟技术为指导,建立岩体不连续面空间分布概率统计数值模型;在此基础上,将裂隙网络和界面元相结合,用水力学和几何参数来表征裂隙岩体内渗透空间结构的具体布局,建立基于界面元与裂隙网络耦合的裂隙网络渗流模型,该模型可以通过界面元法对渗流场的模拟获得岩体网络裂隙渗流的渗径,而且可以计算出水头分布的情况,进而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,实现不稳定关键块体自动搜索,对于评价及预测关键块体的稳定性具有重要意义。     

节理岩体结构的分形几何研究

在岩体结构宏观分区的基础上,应用分形几何的观点从三维角度对分区内的岩体结构进行了研究。应用随机不连续面三维网络模拟技术建立岩体结构统计均质区内不连续面的概化模型,借助计算机模拟再现岩体结构;从岩体结构网络图中抽取“样本”,通过计算二维、三维样本的分形维数,表明三维分形维数等于二维分形维数加1,从三维角度表明统计均质区内岩体结构具有统计自相似性。     

混凝土任意形状骨料及其界面层有限元模型的生成方法

以VC 为编程工具,编制了可视化程序,提出了混凝土任意形状骨料及其界面层的二维生成算法,在该算法的基础上,利用AutoCAD为二次开发工具生成了具有任意形状骨料及界面层的二维混凝土试件几何模型和有限元网格模型.该模型能很好地模拟人工骨料和再生骨料,从而为细观结构研究提供了有效的建模工具,为进一步的复合材料多尺度分析奠定了基础.     

基于三维地质模型的地下洞室曲面块体分析

 利用水电工程中地质确定型数据和统计型数据,耦合随机结构面网络模拟技术和基于NURBS-BRep 混合数据结构的地质构造建模技术,对不同类别的地质对象进行相应的拟合和构建,建立岩体结构三维精细模型。在此基础上,提出曲面块体的概念和数学定义,综合考虑随机裂隙面和空间断层、洞室开挖面等确定性地质结构面来进行曲面块体识别与分析,并提出曲面块体的封闭性、完备性、唯一性三大识别定理。结合水电工程实例,以地下洞室区域为研究对象,依据曲面块体识别定理及其相关技术快速识别分析出区域内曲面块体,为进一步分析块体稳定和围岩加固提供有效的地质和几何信息。     

滑坡实时监测网络地理信息系统研发及应用

 基于ArcGIS Server平台,结合SQL Server数据库,开发适用于滑坡的安全监测网络地理信息系统(GIS)。该系统在研究安全监测对象的空间和属性数据建模及可视化网络查询的基础上,完成滑坡监测信息的断面分析、平面分析及三维分析模块,实现监测信息在断面、平面和三维视图中的图形化表达及插值分析、趋势图分析等多种可视化分析功能,满足滑坡监测的空间数据和属性数据一体化、可视化显示及网络查询、空间分析功能多样化等功能需求。该系统适用性强,对滑坡监测数据的实时分析、安全评估以及预报决策将起到重要作用。     

等效岩体随机节理三维网络模型构建方法研究

由于目前仍难以将建立的结构面网络模型直接应用于岩体力学行为的分析,构建反映节理真实空间状态的等效岩体模型是岩体工程稳定性分析与计算的研究基础。以内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,通过现场节理测线法调查,运用概率统计理论对节理倾向、倾角、间距和迹长进行统计分析、偏差校正并建立概率分布模型。在此基础上,根据Monte Carlo随机模拟理论并采用Matlab软件,获取节理模拟数据,并通过OPEN GL三维可视化技术构建能充分反映工程岩体节理分布特征的等效岩体随机节理三维网络模型,模拟结果与实测数据具有良好的统计相似性。该研究成果可为等效岩体技术所利用,并为后续开展节理岩体变形特性、强度特性、尺寸效应、各向异性、表征单元体积(REV)、关键块体识别、开挖效应、破裂机理等量化分析研究奠定基础。     

裂隙岩体三维网络流的渗透路径搜索

裂隙是岩体的主要渗透通道,但裂隙网络的分布非常复杂,只能借助计算机模拟技术。以随机不连续面三维网络计算机模拟技术构筑岩体裂隙系统的空间分布,为岩体水力学问题研究提供岩体空隙结构的物理背景;依据计算几何学提出三维空间裂隙间相互位置关系模式和相应的判定算法,并建立裂隙网络系统渗流模型和表征裂隙间相互位置关系的图论数学模型,经定义边界条件、确定连通分量、删除孤立裂隙等一系列预处理后,实现了裂隙岩体三维网络流渗透路径的计算机搜索。     

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。     

基于裂隙网络的消落带岩体劣化区域分布研究

经过十多年的145~175 m水位波动,三峡库区消落带碳酸岩岩体出现了明显的岩体劣化现象。根据岩溶岩体劣化形成机理与地表水―地下水的活动密不可分,本文首次提出了基于裂隙网络的连通性和水力边界条件的劣化岩体空间分析方法。利用增强Baecher模型、Levy―Lee分形裂隙模型、双变量fisher分布模型和双变量正态分布模型模拟随机裂隙位置和方位,构建定位裂隙与随机裂隙叠加的三维离散裂隙网络。通过裂隙连通性分析,确定连通区位置。考虑水力边界条件,利用相交分析圈定岩体劣化区空间展布情况。以龚家坊消落带岩体为例,验证了方法的有效性,并讨论了大型结构面和层面的重要作用。这一分析方法将有力推动三峡库区岩体劣化及防灾减灾相关工作。     

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。     

岩体灌浆的数值模拟

认为浆液只在连通性和渗透性好的裂隙网络中流动,在模拟岩体裂隙网络基础上,建立了裂隙网络宾汉姆浆液的渗透模型,在此模型上对灌浆进行实时模拟。另外还研究了灌浆过程中裂隙变形及对灌浆的影响。计算结果表明通过该模型可预测浆液在岩体中渗透状态,改进灌浆参数.     

裂隙岩体渗流模拟的三维离散裂隙网络数值模型(Ⅰ)：裂隙网络的随机生成

对于裂隙岩体中的渗流来说，离散裂隙网络模型比等效连续体模型更能刻画其基本规律。发展了用于模拟裂隙岩体渗流的三维离散裂隙网络数值模型，并编制了裂隙岩体渗流模拟程序FracFlow。该模型可以利用野外露头上采集到的裂隙的观测数据，通过计算机处理最终形成三维裂隙网络的人工几何模型，然后用边界元法求解所生成的裂隙网络中的渗流问题。在此第一部分中，介绍了利用计算机随机生成三维裂隙网络的详细过程，然后利用算例校核了程序的正确性。     

Estimation of REV size and three-dimensional hydraulic conductivity tensor for a fractured rock mass through a single well packer test and discrete fracture fluid flow modeling

A new methodology is presented to determine the representative elementary volume (REV) size and three-dimensional (3-D) hydraulic conductivity tensor for a fractured rock mass. First, a 3-D stochastic fracture network model was built and validated for a gneissic rock mass based on the fracture data mapped from scanline surveys at the site. This validated fracture network model was combined with the fracture data observed on a borehole to generate a stochastic-deterministic fracture network system in a cubic block around each packer test conducted at a different depth region in the same borehole. Each packer test was simulated numerically applying a developed discrete fracture fluid flow model to estimate the influenced region or effective range for the packer test. A cubic block of size 18 m, with the packer test interval of length about 6.5 m located at the centre of this block, was found to be suitable to represent the influenced region. Using this block size, the average flow rate per unit hydraulic gradient (defined as the transmissivity multiplied by mean width of flow paths) field for fractures was calibrated at different depth regions around the borehole by numerically simulating the packer tests conducted at different depth regions. The average flow rate per unit hydraulic gradient of the fractures that intersect the borehole was considered to be quite different to the average flow rate per unit hydraulic gradient of the fractures that do not intersect the borehole. A relation was developed to quantify the ratio between these two parameters. By studying the directional hydraulic conductivity behaviour of different cubic block sizes having the validated stochastic fracture network and calibrated hydraulic parameters, a REV for the hydraulic behaviour of the rock mass was estimated to be a block size of 15 m. The hydraulic conductivity tensor in 3-D computed through regression analysis using the calculated directional hydraulic conductivity values in many directions was found to be significantly anisotropic. The principal directions of the hydraulic conductivity tensor were found to be agreeable with the existing fracture system of the site. Further, the geometric hydraulic conductivity calculated was found to be comparable to the hydraulic conductivity estimated through the radial flow assumption in continuum porous media.     

二维任意裂隙网络裂隙–孔隙渗流模型的两种解法

 与裂隙网络渗流模型相比,裂隙–孔隙渗流模型(双重介质渗流模型)假定裂隙及裂隙切割而成的岩块均透水。这样可以只考虑较大裂隙形成的裂隙网络,而岩块及其内部的较小随机裂隙均作为连续孔隙介质进行渗流分析,从而减少裂隙网络中的裂隙数量以增加计算容量。讨论裂隙–孔隙渗流模型研究存在的问题,归纳剖析2种解法,即整体求解法与流量交换法。整体求解法中,裂隙作为有一定宽度的介质并划分为实体计算单元,与岩块单元的单元渗透矩阵合并成总体渗透矩阵进行求解。裂隙实体单元无需在网格划分时划出,只需在计算程序中对裂隙节点进行扩展。流量交换法中,裂隙系统和岩块系统分别形成渗透矩阵和渗流方程组,分别计算2个系统的渗流,2个系统之间通过流量交换,最终实现流量平衡和同一节点的水头一致,并指出水交换量只修正下游节点的渗流平衡方程。通过算例,比较2种解法的特点。还提出任意封闭回路在不增加节点前提下的三角形划分法。     

压裂中水力裂缝穿过天然裂缝判断准则

为准确预测水力压裂过程中水力裂缝是否会穿过天然裂缝及其穿出方向,基于弹性力学理论,建立了水力裂缝穿过天然裂缝的判断准则,并给出了水力裂缝穿出天然裂缝时穿出角度的计算方法。计算结果表明：在给定逼近角下对应有确定的水力裂缝穿过天然裂缝所需的水平主应力比值范围,超过或低于这个范围水力裂缝将不能穿过天然裂缝;高逼近角及高水平主应力比值下水力裂缝易直接穿过天然裂缝;在相同逼近角下,水平主应力比值越大,穿出方向总是倾向于靠近增大的水平主应力方向。     

裂隙岩体渗流模拟的三维离散裂隙网络数值模型(Ⅱ)：稳定渗流计算

承接上文的工作，给出了三维裂隙网络中稳定渗流的数值解法。每个裂隙被看作一个二维均质各向同性渗流域。数值方法采用边界元法，可以降低问题的维数，并可方便地对裂隙进行自动单元剖分。讨论了渗流问题控制方程基本解的确定，证明了3个常见基本解的等价性。编制了裂隙岩体渗流模拟程序FracFlow，并设计算例校核了程序的正确性。