裂隙岩体非饱和水力应力耦合的不连续介质模型研究

目前对于裂隙岩体饱和水力应力耦合的研究取得了一些进展,但在很多工程领域不能简单地采用饱和渗流分析,而是要考虑岩体饱和-非饱和渗流、应力耦合作用对工程岩体的强度和稳定性的重要影响.因此在总结众多学者对裂隙岩体水力耦合研究成果的基础上,根据DDA力学计算和非饱和渗流计算原理,提出了基于非连续介质方法的--DDA方法的非饱和水力应力耦合模型;并给出了降雨入渗工况下的边坡水力耦合算例.计算结果表明,边坡稳定性随着降雨入渗时间的增加而减小,降雨强度越大,边坡稳定系数的降幅越大;考虑水力耦合时的边坡稳定性要小于不考虑水力耦合时的边坡稳定性,且在同一时刻,若降雨强度越大,考虑水力耦合与不考虑水力耦合的稳定系数差值越大.仿真试验和工程应用表明其计算成果是符合实践规律的,由此说明了所提出的水力耦合模型能正确反映裂隙岩体的水力学特性,验证了该模型是可行有效的,可付诸于实践.     

裂隙岩体水力学特性研究

 基于裂隙中的水流运动规律,通过现场压水试验,研究裂隙岩体的渗透特性及其高压渗透特性,重点分析其水力学特性的应力相关性。试验研究表明,裂隙岩体的渗透性与应力赋存环境密切相关,且对应力十分敏感;裂隙岩体的应力环境、水力劈裂压力及裂隙充填情况不同,其高压渗透特性有较大差异。同时,通过总结前人的研究成果并结合数值试验分析,从裂隙岩体渗流的非连续性、非均质性、各向异性、优势水力特性及尺寸效应等多方位描述裂隙岩体的水力学特性,对其水力学特性及其成因进行综合评述。     

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。     

岩体裂隙化程度与岩体变形参数的关系研究

岩体的裂隙化程度是影响岩体结构类型、岩体质量优劣以及工程岩体综合评价利用的重要因素,因此岩体裂隙化程度的定量评价具有重要的工程意义.在介绍岩体结构面分类情况的基础上,选用单位面积节理数即平硐内硐壁每5 m硐段的裂隙总条数作为岩体裂隙化程度的量化指标.然后,结合黄河上游某水电站的工程实例,运用单位面积节理数指标,通过数理统计方法统计分析岩体中的裂隙条数,探讨了该指标与岩体变形参数的关系,为可利用岩体的评价提供了较好的理论基础.     

多组贯穿裂隙岩体变形特性研究

 天然岩体通常含有多组平行分布的贯穿裂隙,因此,在工程设计和围岩的稳定性分析中,研究多组贯穿裂隙岩体的变形及其变形特性具有重要意义。假设岩块为各向同性线弹性体,裂隙的应力与位移之间满足线性刚度关系,利用莫尔应力圆方法,建立多组贯穿裂隙岩体变形的计算模型。在此基础上,将裂隙岩体等效为各向异性连续体,给出裂隙岩体的等效弹性模量和等效泊松比,研究岩块和裂隙的材料和几何参数对岩体等效弹性模量和等效泊松比的影响。模型能较全面的考虑构成岩体的岩块和裂隙的材料参数与几何参数对岩体变形的影响,对预测岩体的变形和稳定性有一定的参考价值。     

裂隙岩体渗流与三维应力耦合的理论与实验研究

围绕裂隙岩体渗流与应力之间的关系问题,从理论出发,经过合理的建模和严密的推演,得出裂隙岩体渗流与三维应力的耦合方程。该方程经过了大量的三轴实验数据的验证,解决了裂隙岩体受到的侧向应力对其渗流是否有影响这一岩石力学学科中争议很大的问题。指出了裂隙侧向应力引起的裂隙侧向变形是影响裂隙岩体渗流的主要因素,其影响符合负指数规律。同时,还分析了裂隙组的渗流问题。     

冻结岩体单裂隙应力场分析及热–力耦合模拟

 我国寒区分布面积广泛,岩体冻融损伤问题涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合,严重威胁着寒区岩体工程的安全稳定。在考虑水分迁移的条件下,以水冰相变为切入点,结合断裂力学、弹塑性力学理论,分析冻胀荷载作用下饱和岩体裂隙应力场分布规律与尖端应力强度因子。考虑温度对冻结率的影响,采用等效热膨胀系数法模拟冻胀荷载,运用FLAC3D软件建立单裂隙冻胀热–力耦合模型,编制FISH程序进行计算,得出冻胀作用下裂隙附近应力场分布,并与理论值进行对比分析。     

非饱和裂隙孔隙岩体持水曲线的预测研究

对于大量发育有毛细管通道的渗透性岩体,其持水曲线已经得到一些应用,但用试验方法较准确地测定具有基质孔隙和裂隙双重孔隙介质的岩体持水曲线仍是一个非常困难的问题,目前一般只能采用压汞试验进行转化得到;同时,持水曲线的准确程度将直接关系到岩体中非饱和作用研究结果的准确程度。因此,如何有效且准确地得到岩体持水曲线是值得研究的课题。基于微观结构特征和毛细管理论,讨论裂隙孔隙岩体持水曲线的预测方法;通过室内岩体微观结构的试验,进行持水曲线的预测,并与压汞试验曲线进行对比。对比结果显示,预测曲线与实测曲线吻合较好,准确度较高。由此可见,该预测方法简便、准确、实用性强,是得到孔隙性岩体持水曲线的有效途径。     

深部裂隙岩体锚固机制研究进展与思考

 高地应力、高地温、高渗透压以及强时间效应使得深部裂隙岩体表现出一定的延性、蠕变性等软岩力学特性,现有锚固理论落后于工程实践的现状,导致许多锚固工程设计多采用经验、半经验方法。几十年来,国内外诸多学者对深部岩体锚固机制开展了大量现场、室内试验及数值计算工作,岩体锚杆锚固作用机制方面的理论研究取得了丰硕成果,但由于深部岩体所处地质条件的复杂性,这些成果普适性和准确性较低。结合已有的锚固理论,运用合理的数值模拟方法与现场、室内试验对岩土锚固机制进行深入研究,进而指导锚固工程设计施工具有重大意义。对深部裂隙岩体锚固机制研究现状进行了系统全面的总结,归纳分析了该研究领域存在的关键科学问题,主要包括：选择合理的锚固力学传递计算模型、正确描述锚固体应力分布规律、建立合理的锚固界面力学模型。深部裂隙岩体锚固机制研究应综合考虑工程应用效果和加锚岩体形态、加锚构件效应等因素。     

岩体裂隙分维数与岩体强度的相关性研究

以岩体裂隙分布的分形规律为基础,采用数值计算方法,研究了岩体的单轴抗压强度与岩体裂隙分维数D的关系.结果表明,岩体的单轴抗压强度的对数值与岩体裂隙分维数D呈负线性关系.此结论对岩体工程的设计、施工以及稳定性的评判具有指导意义.     

构皮滩水电站高拱坝建基面卸荷岩体变形参数研究

 乌江构皮滩水电站高拱坝建基面开挖成型后,在建基面上进行大量的声波测试,通过不同高程、不同部位的声波测试,根据波速沿坡距综合关系曲线确定卸荷深度,并分析波速分布的规律及特征。在卸荷带内进行35点原位变形试验,其加载路径和最大压力与拱坝作用于岩体的条件相似。通过35点变形试点的动静对比试验,建立卸荷岩体变形参数与波速之间的关系,利用大范围的声波测试结果评价卸荷带岩体变形参数。结合开挖前后波速和变形参数的变化规律,分析研究该高拱坝建基面卸荷岩体变形参数的弱化程度。试验结果表明,建基面卸荷深度为6 m,卸荷带岩体平均波速降低7.0%,平均变形模量由29.1 GPa降低至16.2 GPa,平均降低43.6%。提出卸荷岩体的变形参数及取值方法。     

坝基破碎岩体高压渗透变形原位试验

 为获取向家坝水电站坝基挤压破碎带岩体的渗透变形特性,针对坝基破碎岩体空间分布特点,研究适合于渗透变形试验的现场压水试验系统和压水试验方法,提出坝基岩体渗透变形的原位高压试验方法。本研究最大特点是采用对观测孔内的水质取样分析和钻孔电视录像进行对比分析方法来研究原位渗透变形特征,并提出确定临界水力坡降的基本判据。研究结果表明,所提出的原位渗透变形高压压水试验方法可以较好地反映破碎岩体实际环境状态,原位渗透变形试验获得的临界水力坡降较室内试验成果更真实合理。     

李家峡拱坝左岸高边坡岩体变位与安全性态分析

实际工程中常遇到山体单薄,地质构造发育,表层岩体卸荷松弛,甚至蠕变或滑移等高边坡安全稳定性问题,因而加强对此类高边坡岩体的变位监测并对实测数据进行及时的处理与分析,对于确保工程安全具有十分重要的意义.据此,以李家峡拱坝左岸高边坡为例,探讨如何通过岩体变位监测资料来全面分析和评价高边坡安全稳定性.在对水库初次蓄水以来的谷幅位移和左岸高边坡岩体变位监测资料进行时空定性分析和变形疑点物理成因分析的基础上,应用最小二乘法建立了岩体变位各测点的逐步回归模型,并以其对测值年变幅的拟合与分离结果,定量分析水压、温度、时效等因子对高边坡变位的影响效应.研究结果表明:(1)在库水位逐步抬升至正常蓄水位的过程中,李家峡左岸高边坡岩体主要产生朝河心方向的下滑变位,但位移量相对较小;(2)库水位在2002年1月趋于相对稳定后,高边坡岩体变位逐步趋于收敛并保持稳定,目前其安全性态基本正常;(3)由于局部岩体 仍存在轻微下滑趋势,建议加强对这些部位的监测.     

鱼简河拱坝坝肩岩体稳定性分析

鱼简河拱坝坝肩岩体内断层、节理及软弱夹层发育，存在安全隐患。首先，在现场勘察和室内外试验的基础上，确定右坝肩1034m高程以上块体为最危险块体；然后，采用极限平衡法和三维有限单元法对此块体分别进行稳定性计算，极限平衡法计算所得块体在校核工况下稳定性系数为2.0，有限单元法计算所得块体在相应工况下稳定性系数为3.0，两者存在较大差异，故从物理和力学模型上对差异产生的原因进行了分析，发现有限单元法因屈服准则选取不合适导致稳定性系数计算结果偏高，而极限平衡法因夸大了拱端作用力导致稳定性系数计算结果偏低；最后，综合确定块体稳定性系数为2.4，未达到规范要求，建议对右坝肩1034m高程以上块体采取相应的治理措施。     

应变敏感的裂隙及裂隙岩体水力传导特性研究

通过将岩体单裂隙视为非关联理想弹塑性体，导出单裂隙在压剪荷载作用下，其机械开度和水力传导度的解析模型，并采用已有相关试验研究成果对解析模型进行验证。在此基础上，通过将岩体概化为含一组或多组优势裂隙的等效连续介质，给出一种描述裂隙岩体在复杂加载条件下考虑非线性变形特征及滑动剪胀特性的等效非关联理想弹塑性本构模型。基于该模型，给出裂隙岩体在扰动条件下应变敏感的渗透张量的计算方法，该计算方法不仅考虑裂隙的法向压缩变形，而且反映材料非线性及峰后剪胀效应对裂隙岩体渗透特性的影响。该模型通过引入滑动剪胀角和非关联理想塑性，较为逼真地反映了真实裂隙及裂隙岩体峰后的剪胀特性、变形行为和水力传导度变化特征。通过数值算例，研究了裂隙岩体在力学加载及开挖条件下渗透特性的演化规律。     

BEHAVIOR OF SOAKING ROCK AND ITS EFFECTS ON DESIGN OF ARCH DAM

泥钙质胶结砾岩遇水后软化，力学性质会发生较大变化，其强度及刚度均大幅度降低；同时，软岩吸水后会膨胀。首先，通过试验研究泥钙质胶结砾岩在自由状态、受压状态下由于浸水而产生膨胀变形；然后，通过数值计算，分析几种拱坝运行期间可能出现的工况；最后，结合原型观测得出结论，在砾岩上修建结构物如拱坝时，除了要考虑岩体由于自重等因素产生的初始应力场外，还需根据实际情况，考虑浸水对砾岩力学性质的影响。     

软岩遇水软化膨胀特性及其对拱坝的影响

泥钙质胶结砾岩遇水后软化,力学性质会发生较大变化,其强度及刚度均大幅度降低;同时,软岩吸水后会膨胀。首先,通过试验研究泥钙质胶结砾岩在自由状态、受压状态下由于浸水而产生膨胀变形;然后,通过数值计算,分析几种拱坝运行期间可能出现的工况;最后,结合原型观测得出结论,在砾岩上修建结构物如拱坝时,除了要考虑岩体由于自重等因素产生的初始应力场外,还需根据实际情况,考虑浸水对砾岩力学性质的影响。     

地下厂房顶拱围岩变形机制分析

针对水电站地下厂房开挖过程中顶拱出现局部坍塌和变形持续发展的现象,结合地质资料、监测成果和施工过程,对变形产生的原因从表面宏观变形表现和深部位移特征2个角度作定性和定量的分析。分析结果表明,在地下洞室开挖过程中产生的坍塌和垮塌现象,主要是受开挖后应力重分布,以及爆破作业的影响,形成的小型不稳定块体,断层及裂隙结构面的存在是主要地质因素,支护滞后是造成局部坍塌的主要施工因素。因此,考虑岩体的非连续性,施工期采取有力的支护措施对确保顶拱围岩稳定十分重要。平行施工在一定程度上可以加快施工进度,但对围岩位移会造成一定影响。对于顶拱围岩而言虽然施工作业面已远离,但由于施工强度大、爆破频繁,对顶拱部位围岩位移发展仍具有一定的控制作用,因此在复杂地质条件下施工过程中应尽量避免平行施工。