复杂岩石块体识别的单元重构–聚合方法

 为解决工程岩体开挖中含有复杂开挖边界时的块体识别问题,提出岩石块体识别的单元重构–聚合方法。首先,引入成熟的网格划分技术,通过建立网格模型(如有限元模型),实现对复杂开挖边界的精确模拟;其次,采用基于单元重构技术的结构面建模方法,将分布于岩体内的结构面建入网格模型;然后,提出基于单元聚合技术的块体构建方法和考虑有限性结构面时的单元组处理方法;最终可实现基于网格模型的复杂岩石块体识别。该方法识别所得的块体系统基于网格模型,块体的所有特征信息均可通过模型的单元和节点提取,块体的可视化也可在既有网格模型图形显示平台上实现。算例验证表明,当将结构面分别考虑为无限延伸和有限延展时,该方法的块体识别和稳定分析成果均与通用块体分析软件的结果一致。进一步将该方法应用于水电站大型地下洞室群的块体识别,可证明其应用于复杂岩石块体识别的有效性和优越性。因此,该方法是一种能够考虑复杂工程岩体开挖边界的岩石块体识别的新方法,其实现过程独立于基于拓扑原理的传统块体识别思路,为块体稳定分析提供了新的实现途径。     

高应力下岩石非线性强度特性的试验验证

 深埋工程岩体开挖后围岩的强度特性表现出明显的非线性特征。基于室内岩石三轴加载及卸荷力学试验成果,对高应力下岩石的非线性强度特性予以验证,并开展高应力下应力路径对强度参数影响规律研究。采用已有的二次抛物线型、双曲线型、幂函数型等型式的包络线来研究强度特征的非线性,结果表明,幂函数型Mohr准则能够作为在高应力加载和卸荷应力路径下的岩石破坏的强度判据。在低围压下(＜10 MPa),三轴卸围压破坏强度要小于常规三轴强度;而在高围压下,前者略高于后者。内摩擦角的正切值与等效法向应力的函数关系表明岩样的实际内摩擦角并不是一个不变值,具有幂函数关系的非线性特征,在低应力下卸载破坏内摩擦角要比常规三轴压缩剪切内摩擦角略大,在高应力下则相反;根据Mohr准则中内摩擦角与理论破裂角之间的关系,随着应力增加它们的破裂角均呈非线性衰减并趋向π/4。     

边坡稳定分析的三维极限平衡法及工程应用

对于具有复杂空间几何特征和地质构造的实际工程边坡,在进行稳定分析评价时,需对其进行三维分析。通过发展完善边坡稳定分析的三维极限平衡法程序CORE-lam3D,可模拟真实的坡面、地质界面、地下水位面、滑动面等复杂空间曲面,可采用3种三维极限平衡分析方法对潜在的滑动面及其可能多个滑动方向进行分析计算,可分析水荷载、地震荷载、加锚等因素作用的影响。通过对瀑布沟库首右岸拉裂变形体的稳定性进行研究,说明了CORE-lam3D的实用性和可靠性。     

应用PLAXIS有限元程序进行渗流作用下的边坡稳定性分析

为了进行渗流作用下的边坡稳定性分析,必须考虑 渗流场与应力场之间的相互耦合作用。目前对渗流作用下边坡稳定性的分析一般都是通过自 编程序进行的,通常都是先对渗流进行有限元数值模拟,然后再对边坡采用条分法进行稳定 性分析。目前国际上关于渗流作用下边坡稳定性的分析方法发展较快,已经可以采用有限元 强度折减法来进行分析计算,尤其是PLAXIS有限元程序对于这方面有较好的适用性。应用PL AXIS有限元程序采用有限元强度折减法,进行了渗流作用下的边坡稳定性分析,并用ADINA 和GEO -SLOPE程序进行了验算。     

高围压岩石三轴流变试验仪研制

 TLW -2000型岩石三轴蠕变试验仪是经科技部资助对原流变试验设备进行技术升级与改造项目的主要成果,能自动稳压、自动记录并能进行高围压三轴流变试验。介绍了该仪器的升级改造、各项性能指标校准及通过三轴流变试验对设备进行测试的情况。该设备稳压系统升级改造采用先进的伺服控制、滚珠丝杠和液压等技术组合,达到了良好的稳压效果。     

无网格法对岩体不连续面的模拟

 鉴于以Goodman单元为代表的界面单元在传统有限元法中取得了广泛而成功的应用,因而采用无网格法进行岩土工程数值分析时,首先考虑引入Goodman单元以模拟不连续面。详细分析将Goodman单元引入无网格法模拟不连续面的可行性和当前研究所存在的问题。研究结果表明,由于Goodman单元最初的应用对象是有限元法,其位移模式实质是为了实现与其相连接的有限单元相协调;而无网格的位移模式是基于离散节点的,对于不同的待插值点,影响域覆盖该插值点的节点及其数量也不相同;因而必然存在着无网格法的位移模式与Goodman单元边界上假定的位移模式不相协调的问题。解决这个问题的关键是在考虑节理单元的刚度对总体刚度矩阵的贡献时,应采用数值积分计算得到节理单元的刚度矩阵而不是简单的将传统解析表达式累加到求解系统的总体刚度矩阵中去;考虑到上述特点,界面单元可以隐式或显式出现在计算模型中。以自然单元法为例详细介绍显式和隐式Goodman单元的具体实现方案,并给出相应的算例进行数值验证和对比;所提出的思路对于一般的无网格方法都是适用的。     

确定软岩岩体承载能力方法研究

根据重庆市及川东地区软岩的试验研究成果 ,从实际工程岩体应用问题出发 ,分析了软岩岩体的破坏特征和力学性态 ,提出了确定其承载力的方法     

DDA块体接触开-闭迭代研究

非连续变形方法是一种隐式求解的动力学计算方法,且采用在块体界面加减刚硬弹簧的方式来满足块体界面无张拉和无嵌入的接触准则。基于建立的DDA块体接触分析模型,推导了静力条件下块体的接触位移理论公式,并且通过接触力的计算,验证了该公式的正确性。运用此公式,定量研究了块体变形模量、弹簧刚度、时间步长和接触位移之间的相互关系,并绘出了当块体变形模量和弹簧刚度一定时,接触位移随时间步长变化的关系曲线。通过建立简单的块体系统力学分析模型,剖析DDA中开-闭迭代完整的实现过程,证明了石根华博士在DDA计算中采用时间步长来调整和加快开-闭迭代收敛的策略是合理、高效的。该研究也揭示了DDA各参数取值应依据的基本规律,可以推动DDA的实际工程应用。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

某水电站引水隧洞突水数值模拟

 离散元软件 UDEC 可以用来模拟裂隙岩体的开挖以及进行水力全耦合分析。采用 UDEC 来模拟裂隙岩体开挖后在水力耦合作用下渗流流量与其对应水压力的变化过程并预测可能发生的突水灾害。结果表明开挖洞室以后,在围岩渗流与应力耦合作用下,围岩中裂隙隙宽、裂隙中水压及其渗透流量三者相互作用、相互依赖。裂隙隙宽的减小使得结构面水力梯度变大,作用在裂缝上的渗透压力增大,促进导水裂缝扩展,裂隙连通性增加。裂缝隙宽增大,渗透能力增强,渗流量增大,其渗流压力相应降低。在一定条件下,裂隙隙宽的改变可导致局部水力通道的形成,高压水头从局部涌出,从而促进突水灾害的形成。西南某水电站在深部裂隙岩体中开挖引水隧洞,该处地应力高且外水压大,容易引起突水灾害,对其进行了突水数值模拟,提示了一些可能发生突水的位置。