岩体不连续面互相关产状模拟的Copula函数方法

为准确描述岩体不连续面产状(倾角和倾向)的统计特性,并考虑倾角和倾向之间的互相关性,提出不连续面互相关产状模拟的Copula函数方法,通过确定拟合不连续面产状实测数据最优的边缘概率分布和Copula函数(相关结构),建立不连续面倾角和倾向的二维联合概率分布函数。同时与传统的Fisher分布和二维经验分布方法的计算结果进行可视化对比分析,采用极射赤平投影方法在赤平投影图上比较实测产状和不同方法模拟的产状之间的差别。最后,通过4个案例验证了提出方法的有效性。结果表明：传统的Fisher分布和二维经验分布方法不能准确描述不连续面产状之间的互相关性,而提出的Copula函数方法能够基于少量的实测数据更加灵活地构造出具有任意边缘分布类型和相关结构的产状联合概率分布函数,更加真实地表征不连续面产状之间的互相关性,克服了以往构建不连续面产状概率分布模型时将倾角和倾向视作2个独立变量的局限性。     

岩体节理产状极点分布的分形维

40多年来人们一直关注岩体节理产状分布的研究,但由于岩体节理产状呈现出双变量参数的复杂分布,因此准确地描述节理产状的特征及在实际岩石工程中的应用都很不成熟。据此,采用传统的下半球Schmidt等面积投影网与分形几何知识及计算机编程技能结合的方法,研究岩体节理产状空间分布的几何特征,给出岩体节理极点在下半球Schmidt等面积投影网中的分形维,总结出岩体节理极点分形维分布的基本规律,即节理极点较多的优势组其分形维值一般也较高。但节理极点产状的分形维还与该组节理产状分布的范围有关,产状分布范围越大,分散性越高,其所对应的分形维也越高。提出了节理产状在分布上存在分散度的概念,认为岩体节理极点分布分形维可表示与产状分布分散度的特征,并通过一个实例来讨论和分析上述研究成果。     

双目系统的岩体结构面产状非接触测量方法

 提出一种改进的摄像机姿态获取方法,并据其实现岩体结构面产状的非接触测量。主要步骤为：(1) 将摄像机安置于云台上,令摄像机坐标系与云台坐标系重合,然后将其固定;(2) 通过规范拍摄过程将摄像机姿态参数减少为2个,然后以云台平面产状测量结果换算得到;(3) 通过摄像机姿态参数完成坐标系转换,于岩体三维数字模型上测量并得到结构面产状。对该方法中摄像机姿态测量误差造成的目标岩体结构面产状测量传播误差进行分析,通过对边坡和隧道开挖掌子面岩体的现场试验,发现该方法简便易行、精度与传统测量方法接近并有较大提升空间。此方法可以方便地实现岩体结构面产状完全非接触测量,并有效扩大测量范围、提高测量效率,避免测量人员暴露于裸露岩体下的危险。     

岩体随机不连续面产状数据划分方法研究

动态聚类算法从本质上讲是单目标组合优化算法,一般需要事先给定目标分类数和初始聚类中心,且初始聚类中心的选择对数据划分结果影响较大。为了解决该问题,提出将产状数据的划分问题转化为多目标优化问题,并采用小生境Pareto遗传算法进行求解。针对聚类问题的特殊性,采用基于链表的编码方案,并建议相应的遗传操作算子;通过引入小生境技术和Pareto支配集理论,仅通过一次求解可由Pareto支配集给出对应于不同目标组数的最优分组结果,而且不用事先给定目标组数以及初始聚类中心。最后,将算法应用于三峡船闸高边坡岩体实测不连续面产状数据的划分,得到较为符合实际的优势结构面分组。     

节理产状极点分布的分形维改进方法

定量化描述结构面产状的空间分布特征一直是研究的重点和难点,有助于判断不稳定块体的组合形式,为分析岩体稳定性提供准确、有效信息。基于陈剑平等提出的岩体节理产状极点分布分形维计算方法,从Schmidt极点图的等面积网格剖分原理入手,对其方法进行修改,直接对Dips软件形成的Schmidt产状极点图进行网格剖分,将自定义输入变量直接改为环数 n,大大简化了网格剖分的编制程序。并以大岗山水电站坝区右岸拱肩槽内侧边坡测网资料为基础,计算岩体节理产状极点分布分形维D,其结论和数据与陈剑平等的方法所得基本一致,验证了修正方法的正确性和可行性,为陈剑平等方法的普遍应用起到了一定的推广作用。     

节理产状的应力波反射法反演研究

 节理对岩体工程有重要的影响,采用应力波反演节理产状有重要的工程意义。根据解析几何理论严密推导出节理面反射波走时公式,该公式建立节理真倾向、真倾角值与测点走时的直接关系。通过复信号分析可得到信号的瞬时振幅、相位和频率,节理岩体模拟试验测得的信号分析表明,即使面波干扰严重,由瞬时频率还是能有效判断节理反射波初至时刻,得到不同测线上的测点走时,在MATLAB平台上编制程序,由这些测点走时搜寻出反射波等时圆圆心,最终能很好地反演出节理产状。     

岩体结构面产状的综合模糊聚类分析

在岩体的力学和水力学分析中,岩体结构面产状的分析是极为重要的基础工作。传统的结构面产状图形分析较粗糙,因此模糊聚类方法得到了一定的应用。分析了模糊等价聚类方法和模糊软划分聚类方法在岩体结构面产状分析中的优缺点,并将上述2种方法结合起来形成岩体结构面产状的综合模糊聚类分析方法,给出具体的计算方法和过程。实例分析表明,结构面产状综合模糊聚类分析方法对结构面产状的分类合理,结果可靠,可根据实际问题灵活运用。     

节理岩体裂隙扩展过程一种新改进的弹脆性模拟方法及应用

 通过改进原有的FLAC3D本构关系为弹脆性本构,并采用超细单元划分法,模拟和研究双裂隙岩石试件在单轴、双轴加载作用下的破坏过程。数值计算结果与前人试验所得到的相应结果具有良好的一致性。用此方法还模拟了4条2组不同倾向裂隙的破裂过程和椭圆形三维单裂隙的扩展过程,且三维数值模拟结果与前人试验也有很好一致性。最后,将该模型引入到某边坡开挖工程的裂隙扩展过程研究和稳定性分析中,取得较好效果。     

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。     

基于损伤能量耗散的岩体块度分布预测

提出一整套岩体块度分布预测方法。首先，根据岩石分形断裂切割岩块的块度形成机制，利用能量守恒关系，建立损伤–能量–碎块尺寸理论关系式。为方便应用，将该式简化。然后，根据块度分布的自相似性，将岩石块度分布特性应用于岩体块度分布预测。提出适合工程应用的损伤模型建立方法，并针对岩体块度分布的特点，定义岩体裂隙损伤参数。作为实例，计算金川节理岩体的块度分布。该研究对于自然崩落法采矿岩体块度分布预测具有重要意义。     

基于蠕变试验的结构面长期强度确定方法

 选取巴顿提出的10条标准剖面线中的第1,10条作为人工模拟结构面的表面形态,并用水泥砂浆浇注成试件,在岩石双轴流变仪上,进行不同法向应力水平下的室内剪切蠕变试验。根据试验结果,利用过渡蠕变法、等时曲线法、蠕变曲线第一拐点法确定结构面试件在剪切状态下的长期强度,分析对比由该3种方法得出的长期强度的差异性,并基于本次试验结果讨论3种方法确定结构面长期强度各自在理论上与试验上的合理之处,同时也探讨3种方法的不足。该研究成果对于岩体长期强度试验方法的理论及其应用都是一次有益的探索。     

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。     

适用于半迹长测线法的岩体结构面直径新试算法

 当假定结构面形状为圆盘时,直径成为岩体结构面空间分布的重要参数,需由实测迹长推求。提出直径新试算法,以Monte Carlo法模拟结构面几何要素分布、解析几何学推导分布关系、Excel或C++等编程试算直径分布使试验逼近实测未删截半迹长分布,此时试算直径分布为最佳直径分布。由于结果具有离散性,进行降低离散性试验,发现多次试算取平均值能有效降低离散性。新试算法较Priest-Zhang算法更准确、容错能力更强、计算速度更快、硬件配置更低、文件和内存占用量更小、编程更简便、运行更稳定,且较Priest-Zhang算法、黄 磊前期算法适用分布形式更广。新试算法填补了在半迹长测线法中能够适用于多种分布形式的直径准确算法鲜见的空白,在汶川地震区得到成功验证,值得推广。     

裂隙岩样力学特性细观数值试验方法探讨

 节理裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题。物理模型试验由于制样难、耗资大、结果有限,研究者难以利用其开展系统深入的研究。提出以典型的物理模型试验结果标定数值模型,再利用标定后的数值模型开展系统数值试验研究的思路,既可充分发挥物理模型试验接近实际情况的优势,又可充分利用数值模型试验建模快、成本低等优点。同时,还对数值试验模型的建立、数值试验的定性与定量、数值试验模型的改进、数值试验模型的标定等方面进行了讨论。最后,利用标定、修正后的数值模型试验研究了侧压、裂纹面摩擦因数等在物理模型试验中难以实现的因素对含两条共面裂纹岩样的应力场、强度和宏观破坏模式的影响范围规律。     

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。     

遗传规划方法用于确定岩体移动参数

运用遗传规划理论,建立确定岩体移动参数的遗传规划模型,用岩体移动实测数据对网络进行训练,并用测试样本对模型进行测试。研究结果表明,模型的预测性能是令人满意的。运用经典的概率积分法计算公式,通过工程实例计算分析表明,采用遗传规划方法确定出的地表移动参数符合工程实际。     

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。