裂隙岩体几何和力学表征单元体尺寸的颗粒流分析

确定裂隙岩体的表征单元体尺寸对于准确分析工程尺度裂隙岩体的结构特性和力学特性非常重要。根据加拿大Brockville铁路隧道内裂隙分布的地质参数,采用Monte-Carlo法构建大尺寸的裂隙网络模型,计算不同尺寸裂隙网络模型的单位体积内的裂隙面积(P_(32))和单位体积内的裂隙数量(P_(31)),确定裂隙岩体的几何表征单元体尺寸(即几何REV)。然后采用颗粒离散元方法构建不同尺寸的等效岩体模型,利用数值试验法得到单轴抗压强度和弹性模量随岩体尺寸的变化规律,确定裂隙岩体的力学表征单元体尺寸(即力学REV)。最后探讨了几何REV尺寸与力学REV尺寸之间的关系,揭示了裂隙岩体结构特征和力学特征之间的内在联系。     

基于REV的岩质边坡力学参数模拟试验方法

从岩体宏观连续性假设出发,引入岩体表征单元体(REV)概念.首先根据岩块的三轴与卸载回弹试验以及结构面的室内直剪试验确定其基本力学参数;然后以数值模拟试验方法,依据当岩体区域体积达到并超过岩体REV尺寸时其力学性质趋于稳定的变化规律,对岩质边坡岩体REV的存在以及大小进行确定;最后根据满足REV尺寸的三维模型最终计算出对应边坡岩体的力学参数.     

基于离散裂隙网络与离散元耦合方法的礼让隧道岩体力学参数确定

为了准确地确定礼让隧道节理岩体力学参数,采用3DEC程序中离散裂隙网络(discrete fracture network, DFN)技术,建立了能反映节理裂隙分布特征的离散裂隙网络模型。在此基础上,结合室内岩石、节理力学试验,运用等效岩体技术及3DEC程序,建立基于离散裂隙网络-离散元(discrete fracture network-discrete element method,DFN-DEM)耦合方法的等效岩体模型,并构建反映工程岩体节理分布特征的多尺度等效节理岩体计算模型;通过对多尺度等效节理岩体计算模型进行单轴压缩试验,获取岩体峰前及峰后的力学性质,分析节理岩体的尺寸效应、各向异性、表征单元体及等效岩体力学参数。结果表明:DFN-DEM耦合技术解决了非贯通节理的建模问题;随着等效岩体尺度增大,节理岩体峰值强度、弹性模量逐渐减小,各向异性特性逐渐减弱,且尺度达到5 m×5 m×10 m趋于稳定得到表征单元体;表征单元体尺度下等效岩体力学参数为弹性模量9 GPa、单轴抗压强度0.7 MPa、内摩擦角25°、黏聚力0.3 MPa、抗拉强度0.12 MPa,与Hoek-Brown强度准则所得力学参数对比,两者较为接近。该法为研究工程岩体的稳定性提供了数据基础。     

利用节理张量确定岩体代表性单元体积

代表性单元体积 ( REV)是工程地质重要概念之一 ,目前 REV的确定尚无确切的量化方法。利用节理张量确定 REV的方法是利用现场节理量测资料 ,通过节理统计和岩体结构面网络模拟技术 ,计算岩体的 REV。该法可用于确定野外现场原位测试或室内实验试件的尺寸     

岩土介质孔隙结构参数灰色关联度分析

细观孔隙结构是控制多孔介质渗透率的主要因素之一.采用高分辨率工业显微CT,分别对砂雨法成样南京粉砂、振捣干法成样南京粉砂、鄂尔多斯油砂、自贡砂岩和砂雨法成样玻璃珠扫描成像.三维重构后选取尺寸为300体素的表征单元体(Representative Element Volume,REV),基于最大球算法提取出REV的16种孔隙结构参数,并采用格子波尔兹曼方法计算出各REV渗透率.采用灰色关联度方法,分析了平均配位数、平均孔径、最大/小孔径等16个细观孔隙结构参数对多孔介质渗透率影响的主、次关系及其权重.结果表明,16种孔隙结构参数对渗透率的影响从大到小依次为:孔隙平均体积、孔隙最大体积、平均中值喉道、喉道平均半径、孔隙平均半径、喉道最大半径、平均喉道长度、孔隙最大半径、孔隙率、孔隙最小体积、孔喉平均配位数、孔隙截面积平均形状因子、喉道截面积平均形状因子、孔隙最小半径、孔喉比与喉道最小半径.可为岩土介质细观尺度渗流分析提供参考.     

节理玄武岩强度特性三维离散元压缩模拟试验

基于节理玄武岩几何结构特征和岩体强度REV尺度,利用三维离散元建立不同节理倾角下的数值模型试件,进行三轴压缩模拟试验分析.对柱状节理岩体在不同围压、不同节理倾角、不同参数比值下的强度变化规律性进行探讨,研究其各向异性比,获取并分析了柱状节理岩体在不同倾角下的等效力学参数.研究结果表明:节理玄武岩强度曲线在不同节理倾角和围压下近似呈U型分布;各向异性程度随围压升高以指数函数形式降低,以坝基原位岩体水平应力15 MPa估算,坝基处玄武岩体属于中等各向异性水平;在节理倾角75°时,对应的等效摩擦角为44.4°,等效黏聚力为1.15 MPa,参数计算值在原位测试值范围内.     

基于三维点云的岩体结构面自动分类与参数计算

结构面间距是岩体稳定性和力学特性分析中的一个重要参数，在岩石力学、采矿工程、边坡监测等领域的数值计算中广泛应用.本文以岩体边坡露头为研究对象，基于非接触测量获得的三维点云数据，提出一种基于密度聚类的结构面细化分类方法；在结构面粗略分组提取的基础上，通过投影变换、散乱点拟合等算法，求得结构面间距和岩体体积节理数.设计开发了结构面细化分类及间距等参数计算与分析原型系统，实际案例分析表明，本文方法可有效实现结构面的自动细化分类，并能够计算出间距等相关参数，可为岩体质量分级和岩体稳定性分析等提供方法支撑.     

基于摄影测量技术的岩体结构面参数的获取

为了更高效、全面、安全的获得岩体结构面参数,建立了两种从三维模型中获取结构面参数的算法：ply2parameter算法和scanline算法。Ply2parameter算法在三维模型上对表现形式为平面的面状结构面采样,根据采样得到的结构面顶点集合,使用主成分分析计算结构面的法向量,计算岩体结构面参数。sancline算法计算出在三维模型上沿着虚拟测线标记出的面状结构面和表现形式为迹线的线状结构面的参数。最后对结构面进行优势分组;以甘肃北山的一个岩石露头为例应用上述两个算法。将得到的结果和野外实测的结果对比,显示出了良好了相关性。     

层状节理岩体变形特性数值模拟研究

层状节理岩体变形特性的研究,对于实际工程确定其力学参数具有重要参考作用.本文选取层状节理岩体为研究对象,分别建立不同倾角、不同尺寸层状节理岩体三维数值计算模型,采用FLAC3D软件模拟单轴压缩试验,研究了层状节理岩体不同方向弹性模量的各向异性特性和尺寸效应.研究表明:沿节理走向的弹性模量受节理倾角和模型尺寸影响极小;沿倾向和高程方向的弹性模量随节理倾角增大呈U型分布,且具对称性,其各向异性特性显著;随着模型尺寸增大,不同倾角层状节理岩体的弹性模量变化规律不一致,但总体减小且趋于稳定;采用多项式拟合层状节理岩体主要变形方向的变形参数函数并求导,可确定其典型单元体尺寸和等效变形参数.     

结构面岩体的网络模拟研究

简要介绍了蒙特卡罗方法的基本原理及结构面几何参数的分布规律，用蒙特卡办方法对程潮铁矿的结构面岩体进行了模拟研究，得到了与岩体等效的结构面网络图，该图对岩体力学性质研究有重要价值，同时由结构面网络图得出岩体的ＲＱＤ值，此值与钻也得到的ＲＱＤ值有较好的一致性。     

岩体隧道施工诱发的关键块体三维模型及其验证

在岩体隧道工程岩体结构面的观测基础上,研究了结构面三维模型及网络模拟技术,通过不连续面网络图模拟真实岩体的几何特征,讨论了两种块体搜索方法,即根据确定结构面参数搜索确定块体和根据节理面网络图搜索随机块体的方法.引入概率理论对被节理切割的岩体中关键块进行了分析,采用蒙特卡罗法和面向对象的编程技术,给出了基于统计原理的岩体不连续面三维计算机模拟方法.建立了岩体工程适用的块体搜索和计算模型,实现岩体隧道工程的关键块体计算机搜索、三维显示和旋转等.     

矿山岩体数据的线性回归分析及在岩体评价中的应用

通过实测矿山岩体数据,利用计算机模拟等效现场的岩体结构后,得到每个岩块的体积值和大于一定体积值的岩体百分比值两组参数。在Excel软件中利用最小二乘法对两组参数做线性回归分析,并求出其斜率及反三角函数值。再结合中科院岩体质量划分结果对岩体的破碎程度进行评价分析,提出了工程岩体完整程度评价方法的新思路。     

三山岛金矿采场顶板危岩体推测方法

在应用三维岩体不接触测量系统对采场顶板岩体结构面的几何特征参数进行识别基础上,自行研发三维岩体节理建模与分析系统,构建采场顶板三维岩体结构面空间分布模型.依据采场顶板岩体结构面的几何特征参数和延伸节理等结构面的空间特征,通过延伸节理等结构面的空间交汇,识别采场危岩体赋存的空间位置、形态、体积等,并对采场顶板危岩体稳定性进行判断.应用上述研究成果,对三山岛金矿新立矿区40055#采场顶板结构面进行现场测量,确定采场顶板危岩体空间赋存位置,为采场顶板稳定性分析和危险性评价提供更加真实、可靠的数据支持.     

Bandis经验公式修正及其应用

针对三维离散元程序中刚度参数合理选取方法及其应用开展研究.通过理论分析,给出了结构面剪切刚度及法向刚度的理论公式;结合室内剪切试验研究和数值分析,得到了符合工程实际的剪切刚度修正Bandis经验公式及法向刚度参数经验公式,从而明确提出了一种结构面刚度参数的选取方法;通过实际工程边坡稳定性分析,探究了基于上述方法选取的参数对实际工程模拟的适用性.研究表明,岩体结构面刚度参数是应力的函数,修正Bandis经验公式能够较为完善地表征剪切破坏前结构面的剪切刚度变化规律;利用编制FISH程序使刚度参数随应力变化而改变的方法,使3DEC软件对工程岩体变形特征的模拟更加符合实际,从而验证了该方法的合理性.     

基于图像的三维裂隙岩体特征提取、简化及网格生成方法

为用最少的网格对高分辨率数字图像的三维裂隙特征进行简化表征,提出了一种基于图像的三维裂隙岩体特征提取、简化及其网格生成方法。首先采用中心面点提取算法将裂隙转换为一系列面,并对其进行网格生成、面片交叉标识及网格优化,以生成的裂隙面网格为约束生成四面体网格模型。然后采用体素和形状相似度两个参数对生成的面网格的代表性进行评估,通过最小二面角、半径比、边长比及体积比等网格质量度量参数对生成的四面体网格质量进行了评价。最后,以一个三维二值化岩石裂隙图像数据为例,对所提方法的有效性及可行性进行了验证。结果表明,该方法在保留裂隙主要几何特征的前提下较好地生成裂隙曲面网格。     

岩体裂隙网络管单元多参数模型渗透张量研究

根据现场实测的岩体裂隙产生状况,采用圆盘裂隙假设,用Monte-Carlo方法生成3组裂隙形成裂隙网络。基于水在裂隙中的沟槽流形态将三维裂隙网络简化成空间一维管单元模型,且认为管单元的等效管径与隙宽呈线性关系。设置每组裂隙等效管径与隙宽比值为待求参数,利用遗传算法反演得到,进而求取等效渗透张量,并与整体单参数模型获得的等效渗透张量相比较。与工程实测渗透张量对比,结果表明多参数模型较单参数模型能够更好地表征渗透张量。     

岩质边坡节理信息数字识别及三维模型重构——以石家庄市南障城镇边坡为例

在地质调查中,为了实现岩质边坡节理信息数字识别及三维模型重构,开发设计了基于倾斜摄影的裂隙岩体边坡三维模型重构软件。该软件通过小型无人机倾斜摄影采集数据,然后基于增量式运动结构恢复算法和深度图融合的多视点立体视觉算法（multi-view stereo,MVS）进行三维模型重构,最后利用随机抽样一致算法（random sample consensus,RANSAC）和区域生长法对得到的结果进行岩体结构面识别,得到结构面产状等节理信息。把软件得到的三维模型和节理信息结合FLAC3D有限元软件,运用强度折减法进行稳定性分析。结果表明：采用小型无人机采集的数据完整有效;三维重构出的模型可以很好的描述出实际岩质边坡;结构面识别得到的岩质边坡节理信息误差较小;基于岩体体积节理数和结构面条件因子量化地质强度指标（Geological Strength Index,GSI）的方法得到Hoek-Brown准则参数准确可靠。可见,利用小型无人机倾斜摄影结合开发设计的软件,可以快捷、高效和准确的实现岩质边坡节理信息数字识别及三维模型重构,对于实际工程具有一定的应用价值。     

基于贴近摄影测量技术的高陡危岩体结构面调查方法

为解决传统危岩体结构面接触式调查手段风险高、效率低的问题,提出了一种基于无人机贴近摄影测量技术的结构面提取方法,并以某高位危岩体为例,开展了工程实例验证。首先利用多旋翼无人机对危岩体进行多角度贴近摄影,构建精细化的三维模型和三维点云;然后通过K近邻算法及PCA主成分分析完成优势结构面产状的半自动提取,最后结合三维模型中的岩体裂隙等特征,对危岩体稳定性进行快速评价。结果表明：该方法可获取符合工程精度要求的岩体点云数据,完成结构面产状的半自动提取,且倾向倾角的提取误差均在3°以内,能满足工程精度需求,为分析危岩体稳定性提供可靠的基础数据。     

3D打印骨支架结构设计及其应力分布研究

骨支架的应力集中会导致结构发生开裂或坍塌,严重影响骨支架的承载能力。应力集中容易发生在孔与孔的连接处,因此,孔的形状设计是影响骨支架应力的关键因素。以1 mm×1 mm×1 mm的立方体为基础单元,分别构建了正方形孔、正六边形孔、圆形孔和立方密排单元4种三维模型,通过调整孔径获得不同孔隙率的单元体模型。使用有限元方法对单元体模型进行静态压缩数值模拟,结果表明,孔隙率为36%～66%时,最大应力最小的结构是立方密排结构,分别为5.50、7.18、10.53和15.41 MPa;综合应力分布云图和压缩等效模量图,得出立方密排单元结构的力学性能最好。采用选择性激光烧结技术制备立方密排单元结构的支架,该支架具有较好的抗压强度。     

岩体结构面网格渗透张量分析方法

工程岩体的渗透特性研究是其渗流分析和稳定性设计的技术关键·作者以现场岩体渗透结构面概率模型统计资料为依据,采用离散介质方法建立典型裂隙网络模型,提出计算岩体结构面网络的等效渗透系数张量方法·应用等效连续介质模型分析方法研究区域岩体的渗流问题·针对现场的矿山边坡水文地质实体,运用该技术建立了反映岩体渗透各向异性的等效连续介质模型·实例分析表明,该技术途径不但适合工程岩体宏观渗流分析的特点,而且能够较为深刻地认识裂隙渗流的本质·