岩石节理剪切渗流耦合试验及分析

节理岩体内渗流的发生主要是通过断裂节理网络产生,节理面的几何特性和受力特征决定和影响着节理裂隙的渗透性质,从而极大地影响着水下隧道及地下硐室中的渗流。应用自行研制开发的试验设备(岩石节理单一剪切-渗流试验机(SMT-E-4010)),在恒定法向荷载和恒定法向刚度的边界条件下,对不同接触状态下的岩石断裂节理试件分别进行一系列节理的剪切渗流耦合试验,研究剪切过程中力学性质、水力学性质的变化情况;同时,结合立方准则对试验数据进行分析讨论。试验结果表明:节理力学性质,水力开度和透过率在剪切过程中呈现出两阶段的变化性质。     

岩石节理非饱和渗透特性初步研究

利用不溶混驱替的方法，在室内精确地观测了花岗岩节理非饱和渗透排泄和吸湿过程，探讨了节理非饱和渗透机理，提出了基于节理张开度概率分布的毛细压力与饱和度的解析模型以及节理非饱和水力传导度的理论表达式。研究表明，单节理非饱和渗透特性与二维非均质多孔介质具有一定的相似性，文中提出的有关模型可作为确定岩石节理非饱和渗透参数的参考方法。     

随机形貌岩石节理剪切数值模拟和非线性剪胀模型

 采用满足正态分布的随机函数,构造岩石节理剖面的形貌,为研究受剪岩石节理的细观剪切特性和宏观剪胀效应提供研究基础。利用UDEC软件,基于CY微段节理模型,开发随机形貌岩石节理直剪特性的数值分析程序,采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨微段节理的细观剪切特性和岩石节理的宏观剪切响应,提出节理抗剪强度参数与节理面粗糙度系数JRC之间的拟合关系。得到如下结论：JRC越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大,而峰值剪切位移与JRC成反变化关系;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;这些数值结论得到模型实验的充分验证。微段节理的细观切向爬坡和剪胀效应是岩石节理产生宏观剪胀的细观力学机制。通过对随机形貌岩石节理的宏观剪胀数值曲线性态进行分析,提出能考虑节理粗糙度JRC和法向应力影响的非线性剪胀本构模型,该模型较好描述了受剪岩石节理的剪缩段和剪胀段。     

岩石节理剪切过程中应力与渗流特性的数值模拟

 岩石节理剪切过程中应力与渗流特性受节理法向条件的影响很大。在岩石节理表面形状三维数值化表达的基础上,首先建立岩石节理剪切过程中力学与渗流的计算模型;接着,应用GIS技术,模拟分析不同法向条件(固定应力、固定刚度)下节理的剪切过程,获得节理剪切过程中应力与渗流特性的变化规律。结果表明,法向应力、裂隙张开度、渗透系数均随着剪切位移的增加而逐渐增加,整个剪切过程渗透系数增加了两个量级左右;而剪应力的变化却受法向条件的影响,剪应力在出现峰值后快速下降,而后固定应力条件下剪应力很快趋于一个稳定的值,而固定刚度条件下剪应力却又缓慢上升。     

岩石节理吻合系数及其对节理特性的影响

根据节理表面的接触特性提出了一个节理几何特性的新参数──节理吻合系数 ＪＭＣ。实验显示，节理吻合系数是描述节理孔隙、形变、刚度、剪切强度和水渗导等特性的 重要指标。因此，将节理吻合系数和原有的节理粗糙系数相结合，可以更全面地描述节理的 几何特性，进一步估测岩石节理的水力特性。     

岩石节理的分形描述

本文给出了６种节理的分形量测方法，讨论了岩石节理粗糙性的分形描述，ＪＲＣ和分形维数的关系，以及分维对节理抗剪强度和节理摩擦角的影响。可以说，分维能定量地刻画节理的粗糙性，并有可能用来预测节理抗剪强度和节理摩擦角。     

节理岩石的应力波动与能量耗散

应用SHPB试验和分形方法研究节理岩石的应力波动与能量耗散关系，分析节理面不规则结构对应力波穿越节理时的波动性质、非弹性变形和能量耗散的影响。研究结果表明：节理面不规则结构明显地影响应力波的传播性质。在相同入射波条件下，粗糙节理岩样的应力波衰减程度大于平直光滑节理岩样的衰减程度，粗糙节理的实际变形大于平直节理的变形。节理岩石的能量耗散比WJ/WI随节理面分维值D增大而增加，两者呈非线性关系；但当分维值小于临界值时，粗糙节理岩样的能量耗散比WJ/W与平直节理面的能量耗散比基本相同，并给出节理岩石能量耗散随节理面分维值D变化的表达式。     

节理间距及岩石质量指标的估算

迪尔提出的岩石质量指标RQD已被广泛地用在岩石力学工程中表示岩体的质量.当无岩心可资利用时,可借哈德生等提出的方法估算RQD值.本文简明介绍了此法的基本内容,并用一详细实例说明了这种估算的步骤及所得的结果.从这些结果引出的问题也在文中作了初步讨论。     

岩石节理剪切–渗流耦合试验系统的研制

对所研制的岩石节理剪切–渗流耦合试验系统的结构和功能进行详细介绍。该系统包括法向和切向力加载系统、水压加载系统和渗流剪切盒3部分。最大法向和切向荷载均为600 kN;试样尺寸为200 mm(沿剪切方向)×100 mm(垂直于剪切方向)×100 mm(高)和300 mm(沿剪切方向)×300 mm(垂直于剪切方向)×150 mm(高),可在渗透压力为0.5 MPa(相当于50 m高的水头)时,在节理剪切过程中,剪切盒保持密封不渗漏。其中法向力加载除了可以实现常法向应力和常法向位移的加载方式外,还可以实现常法向刚度的加载方式,更符合客观实际;水压加载系统是用类似“针筒注射器”的装置完成,在试验过程中可分别测量进水口和出水口处的水压和流量;经特殊设计的渗流剪切盒可以保证节理在进行剪切渗流试验中,一定压力的渗流水会沿指定路径流过节理面,且不发生渗漏。将以上各部分形成系统,可以实现岩石节理剪切–渗流耦合试验的功能。利用研制的系统,对取自雅砻江水电站锦屏二期工程的岩样进行试验,结果表明：所研制的新试验系统可以满足节理剪切–渗流耦合试验的要求,且系统操作方便,试验过程稳定,试验数据精度较高,可用于探索水库、大坝、地下洞室的开挖、矿山深度开采、石油深度开采、深部核废料处理、地热开采等极为广泛工程领域的自然现象与深刻规律,为能源与资源的开发提供研究手段。     

不规则柱状节理网络随机模拟方法研究

现场调研发现,不规则柱状节理岩体柱列横截面为不同边数多边形镶嵌组合图形。为了生成不规则柱状节理网络,基于voronoi图生成原理建立了不规则柱状节理岩体柱列横截面镶嵌组合图形的随机模拟方法,即:先将不规则柱状节理岩体区域假设为矩形区域,确定该矩形区域的范围,然后在该区域内采用随机函数生成一定数量的随机点,通过控制镶嵌组合图形不同边数多边形的比例对随机点进行筛选,得到生成voronoi图所需数据点,然后采用delaunay三角剖分算法生成voronoi图,即为所需不规则柱状节理岩体柱列横截面镶嵌组合图形,再在CAD软件中对该镶嵌组合图形进行编辑处理,即可得到不规则柱状节理网络三维模型,可为后续3D打印柱状节理网络实体模型和建立不规则柱状节理网络数值计算几何模型提供支撑。最后,以Giant's Causeway典型柱状节理岩体为例进行其柱列横截面镶嵌组合图形随机模拟,初步验证了上述方法的可靠性。     

岩体节理剪切变形的幂函数模型

在分析了岩体节理剪切变形常用双曲线模型和指数模型的基础上 ,提出了一种幂函数模型。用幂函数模型描述的回归曲线以及根据试验参数得到模拟曲线与试验值比较误差均较小。最后 ,对模型中参数的影响因素进行了分析     

岩体结构面法向循环加载本构关系研究

对岩体结构面在法向循环加载下的受力变形关系进行了理论研究。试验表明,加卸载应力–变形曲线均可表示为双曲线函数,并且呈现不断硬化的特性,伴随产生法向残余位移。对已有双曲线型式的本构关系加以拓展,引入新的模型参数,假定卸载和重加载曲线均以结构面最大压缩位移为渐近线,曲线在法向力时为0的起始刚度由前一次循环过程的加载和卸载曲线起始刚度决定,从而完全确定循环加载本构方程。新参数体现结构面法向循环加载曲线的收敛速度和所产生的残余位移等受力变形特性,取决于岩石类型、结构面几何特征和填充物特性。通过设定参数的不同取值,这一模型分别等价于已有的不同模型。与无充填岩石裂隙和有厚度岩石夹层在法向循环加载下的试验结果对比表明,模型能较好描述岩体结构面的本构关系。     

断续节理岩体随机模型三维离散元数值模拟

针对断续节理岩体提出了一种随机计算模型。在该模型中，假设结构面的形状为正方形，通过岩体结构面的统计分布函数模拟结构面的空间随机分布。给出了随机节理模型的实现方法，对该随机模型的算法可靠性进行了验证。通过单向加载模拟试验研究了节理岩体破坏强度与节理倾角及节理连通率等因素的关系，并与极限平衡条件推导的理论结果进行了比较，分析了数值模拟结果与极限平衡理论结果的异同性，进而验证了节理随机计算模型的可靠性。同时，研究了节理连通率与岩体等效弹性模量之间的影响关系，给出了二者的影响关系式。     

岩体节理三维网络模拟技术及渗透率张量分析

在现场地质调查的基础上，对节理开度的概率分布函数进行了拟合，并进行了假设分布的有效性检验。这样，在进行节理三维网络模拟时，就可以生成具有厚度的圆盘来模拟岩体节理的空间分布。岩体节理的渗流量正比于节理开度的三次方，在Monte-Carlo法生成的模拟节理开度的三维节理网络的基础上，结合所述方法对岩体渗透率张量进行分析，使岩体渗透率张量的计算更加合理可行，且计算结果能更加客观地反映岩体的渗透特性。     

饱和、非饱和岩石损伤统计本构模型探讨

基于统计理论和损伤力学对岩石在荷载作用下的破坏、损伤特征进行了探讨,建立了弹性损伤统计本构模型。在损伤演化方程中全部采用有效应力,并能反映岩石剩余强度。在混合物理论基础上,建立了饱和、非饱和岩石损伤软化统计本构模型。该模型能反映岩石在单轴抗压试验中初始加载阶段全应力-应变曲线稍向上凹曲的特征,以及在岩石受力过程中损伤和空隙(或孔隙)中流体对应力-应变关系所起的作用。与试验结果的比较显示模型是合理的。     

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。     

基于结构面统计模型和应力场的岩体稳定性分析的期望滑移路径方法

介绍了一种根据分区域结构面设计模型以及岩体在荷载作用下的应力场，在指定岩体结构区域内搜索出最可能出现滑移路径的方法。首先论述了分区域结构面统计模型生成时的子区域边界处理技术；然后在Einstein的理论框架下，根据岩体结构实际荷载应力场，给出了计算岩体内局部位置的指定方向上的抗滑储备的公式；随后介绍了滑移路径搜索的具体算法和技巧；最后在对所搜索到的滑移路径进行统计拟合处理的基础上，给出了期望滑移路径及平均偏差在概率意义下的误差估计。     

循环荷载作用下节理凸起体概化破坏模型及剪切强度计算分析

认知循环剪切荷载作用下节理剪切强度的劣化机制并提出相应的分析模型,是准确评价地震荷载作用下岩体工程安全的重要基础之一。基于不同起伏角度、强度等级的人工节理试样在多种法向应力下的循环剪切试验结果,分析循环剪切的试验曲线特点及表面凸起体的破坏过程和残余凸起体的形态特征,提出表征节理表面凸起体形态变化过程的概化破坏模型。利用提出的破坏模型,分别确定剪胀角与剪胀率、凸起体剪断率以及表面基本摩擦角之间的表达关系;并引入到 Ladanyi-Archambault 剪切强度公式中,建立以剪胀角经验公式和 Ladanyi-Archambault剪切强度公式为基础的节理循环剪切强度公式。最后将部分试样的剪切强度计算值与试验值进行对比,结果表明计算值与试验值总体上吻合较好,高起伏角度节理试样存在一定偏差。     

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。