地下水封石洞库围岩渗透系数探讨

本文针对《GB 50455-2008地下水封石洞油库设计规范》中4.0.3条规定的＂地下岩体渗透系数应小于10-5m/d＂,结合湛江国储石油基地地下水封洞库工程勘察中遇到的问题,列举国内国外结晶岩体渗透性方面的试验数据并加以分析,得出＂地下岩体渗透系数应小于10-5m/d＂的规定是欠妥当的。     

节理岩体损伤模型的有限元分析

将岩体中固有的初始节理损伤考虑成宏观损伤场，通过引入损伤张量模拟岩体的多裂隙性。损伤张量由节理组的实测数据确定，并引入有效应力来计算节理岩体的力学效应。编制了损伤模型的平面非线性有限元程序，并采用损伤模型和常规有限元模型的有限元程序对某矿山边坡进行对比计算分析。结果表明，损伤模型的有限元解析能反映节理岩体的各向异性。     

应用ABAQUS程序进行节理岩质边坡稳定分析

利用ABAQUS有限元软件,按强度折减技术对一实际工程大型节理岩质边坡进行了稳定性分析.针对ABAQUS程序节理材料模型的定义过于简化,只能将岩体视为满布节理的材料,节理视为相互贯通且遍布于岩体中,而不能根据实际节理面间距或分布密度来定义节理的缺点,提出了将受节理面控制的岩体进行"砖块式"划分的方法以模拟实际的节理分布情况.实例的计算结果表明,采用ABAQUS程序的节理材料模型弱化了实际岩体的强度,得到的分析结果过于保守,而采用将岩体"砖块式"划分的分析方法更符合实际情况,计算的结果更为合理可靠.     

渗流作用下柱状节理岩体强度特性试验

为研究白鹤滩水电站柱状节理玄武岩在高渗透压力作用下的强度特性,采用与水电站现场岩体物理力学性质相近的人工材料,制作具有相同节理构造的柱状节理岩体模型试样,开展了不同渗透压力的渗流应力耦合三轴力学试验,分析了渗透压力对柱状节理岩体的破坏模式、强度和渗流量的影响。试验结果表明:渗流作用下柱状节理岩体的破坏模式为沿着节理倾角的滑移破坏;渗流作用下的柱状节理岩体具有较低的强度,三轴压缩峰值强度与渗透压力呈负相关关系;应力应变曲线可分为4个阶段,渗流量随应力应变曲线呈现出阶段性特征,渗透压力对岩体强度和渗流量影响较明显。     

单裂隙岩体水-力耦合数值分析

随着地下工程的不断发展,诸多地下工程在水-力耦合作用下发生失稳破坏,裂隙岩体水-力耦合一直是国内外学者研究的热点问题。基于单裂隙岩体水-力耦合概念模型,应用离散元程序计算分析裂隙水压强、岩体应力对裂隙渗流场和岩体位移场的影响。计算发现：模型约10 s后达到稳态,节理流体形成从左向右的渗流场,节理入口处流体压强与节理流体压力梯度成正相关;节理岩体位移主要形成从节理入口处向其周边辐射的位移场,节理入口处流体压强与节理岩体位移梯度成正相关;节理岩体水压主要形成从节理中部区域处向其周边辐射的水压场,岩体顶部施加向下应力与节理水压梯度成正相关。研究结果对解决地下工程水-力耦合问题具有一定的科学意义和工程价值。     

节理对岩体隧道变形影响的数值分析

节理、断层等结构面造成岩体变形的不连续性,并且对岩体变形、应力等造成重要影响。基于节理岩体隧道概念模型,应用离散元程序计算分析完整岩体、1条和2条节理对岩体隧道位移和应力的影响。结果表明:随着模型隧道节理的增加,节理接触处发生应力集中现象,导致隧道内顶部位移越来越大,增幅约为25.2%,隧道底部位移场曲线由"凹"字形转化成"凸"字形;岩体隧道位移较大处其相应接触处拱梁位移也对应较大,体现了隧道顶部传力于拱梁的一致性,增大幅度约为29.5%;隧道内顶部Z方向观察点压应力呈现出越来越大的态势,模型计算达到约200步时,隧道内顶部Z方向观察点压应力达到稳态;隧道内顶部Z方向观察点应力与位移呈现出较为一致的规律,即随着节理增多,隧道内顶部Z方向观察点位移与其应力呈正相关。     

结构的三维非线性界面元分析

评价了用于含软弱夹层岩体弹塑性分析时常用的Ｇｏｏｄｍａｎ单元及其变形形式的单元。结合界面元法的特点，在单元交界面上引入了能模拟材料弹性及塑性变形的弹簧及滑块元件，使界面元法很好地解决了材料的弹塑性分析而无需另设置任何形式的夹层单元。文中导出了反映层状岩体横观各向同性材料的界面应力公式和非线性界面元的计算公式，并制了相应的计算程序。数值考题表明，将界面元法用于材料的非线性分析，尤其对含有各种节理面的     

充填节理岩体中应力波传播特性研究

在考虑节理接触面与充填材料共同变形的前提下,文章基于时域递归法推导了应力波在充填节理处的传播方程,并对其进行了对比验证;分析了节理接触界面刚度、节理厚度及入射角度对波在充填节理处传播特性的影响规律;依据应力均匀性假定,将充填节理简化为不考虑厚度的位移不连续模型,考察了充填节理法向与切向力学性质的变化规律。结果表明:所推导的波传播方程计算值与相关研究结果吻合较好,通过迭代可求出反射波与透射波的数值解;在相同的节理厚度和波入射角度下,透射系数随节理接触界面刚度的增加而增大,反射系数则逐渐减小;不同节理厚度下等效法向与切向刚度均随接触面刚度的增加而增大,而随节理厚度增加,等效法向与切向刚度呈降低趋势。研究结果对揭示应力波在节理岩体中传播规律具有一定参考价值。     

节理倾角对岩体破坏特性影响的单由压缩数值试验

岩体中的节理通常会对岩体的破坏特性产生决定性的影响,本文通过对单轴压缩试验条件下含不同倾角节理的岩体试样破坏过程的数值试验,发现由于岩石材料的非均匀性,不合节理时岩石试样的宏观破坏主裂纹位置和方向不确定,具有一定的随机性,而且峰值强度较高;含节理的岩体宏观破坏时主裂纹明显受节理的影响,除节理倾角0°情况外,主裂纹均与节理的上下端相连;含节理岩体的峰值强度均低于不合节理的岩体,并且节理倾角60°以下时岩体峰值强度较低,而60°以上时峰值强度开始明显升高,90°时甚至接近不含节理的岩体.     

节理岩体的无单元模型

根据岩体结构特点，建立了节理岩体的无单元模型，编制了二维节理岩体的无单元程序，并给出了算例。计算结果表明，该模型是合理可行的。     

动静荷载下类节理岩体裂纹扩展特性研究

为了研究节理岩体在动静荷载下的裂纹扩展特性,采用室内试验和颗粒离散元程序PFC2D5.0对类节理岩体在动静荷载下的破坏形态进行研究.对比分析不同荷载下节理倾角对破坏形态的影响.结果表明,节理倾角等于45°时为翼裂纹与次生裂纹转变的临界角度值;当倾角小于45°时,新生裂纹主要为翼裂纹,裂纹起裂与岩体破坏主要受张拉应力控制;当倾角大于45°时,新生裂纹主要为次生裂纹.裂纹起裂与岩体破坏主要受剪切应力控制.在冲击荷载下,单节理岩体与双节理岩体的破坏形态类似,都为张拉破坏,主要裂纹形式为翼裂纹.     

节理岩体的渗透系数与应变、应力的关系

根据岩体裂隙渗流实验成果，采用机械隙宽的概念并根据节理岩体的力学本构关系，导出了含一组或多组节理的岩体的等效渗透系数与复杂应变的耦合关系式，以一组节理为例，以 Ｚ为法线的节理等效渗透系数为：ｋｚ＝ｋ０ｚＤｉ（Ａｚεｚ＋１，（ｃτｚ·）２（式中Ａｚ、Ｃτｚ为εｚ、γｘｙ、γｙｚ的耦合作用系数，Ｄｉ、ｎｉ为与应力、应变有关的修正系数）。公式说明节理岩体的等效渗透系数是复杂应变的函数，并且受裂隙面几何形态、节理面力学参数、间距、隙宽、应力加载和卸载条件的影响，是复杂岩基在复杂应变条件下考虑力学－渗流耦合关系的一种新的探索。     

无单元法应用于节理岩体

无单元法是一种新方法,其在岩体问题的应用中,至今报道甚少.根据岩体结构特点和无单元法的优点,建立了节理岩体的二维无单元模型,编制了相应的节理岩体无单元程序,并给出了算例,计算结果表明,该模型是合理可行的,同时给处理岩体节理问题带来了方便.     

共面断续节理岩体直剪强度特性模型

采用理论分析和模型试验相结合方法,对共面闭合断续节理岩体直剪强度特性进行分析和研究.引入法向变形协调条件,基于Mohr-Coulomb理论,推导共面断续节理岩体模型的直剪强度公式.模型试验表明:全应力-应变曲线主要经历了线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段;剪切应力峰值和残余强度都随正应力的增大而增大,而变形特性随正应力的变化规律性不强;抗剪峰值强度随节理连通率的增大而减小,低连通率时强度下降速度慢;节理分布形态对强度也有影响,节理在两边分布的试样强度普遍高于节理在中间的;理论计算结果与试验值吻合较好,能较好描述共面断续节理岩体的直剪强度特征.     

共面断续节理岩体模型抗剪强度及破坏特征分析

为探究共面断续节理的几何特征对岩体力学性质的影响,对制作的含节理类岩石材料进行了直剪试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究节理连通率和岩桥长度对岩体抗剪强度及裂纹发育的影响.结果 表明:各级法向应力下,节理连通率的增加限制翼型应变集中区的形成,进而阻断翼裂纹的发育,使岩桥倾向于拉剪破坏,并会造成岩体模型抗剪强度降低;而节理连通率相同时,岩桥长度的改变则不会对岩体抗剪强度造成明显影响;岩桥长度是改变裂纹发展趋势的主要因素,这是因为岩桥长度的变化会增加或降低相邻节理端部应变集中区的交互影响;最后从能量的角度出发揭示了节理连通率和试样破坏失稳的关系.     

裂隙煤岩体的流固耦合精细模型

将裂隙煤岩体视为裂隙-孔隙双重介质,以满足某种概率分布的主干裂隙网络描述煤岩体裂隙的分布;将主干裂隙间包含低序次裂隙的基质煤(岩)块视为各向同性孔隙介质,建立裂隙煤岩体的流固耦合精细模型.对不同介质分别进行渗流-应力耦合分析,在应力计算时采用等厚度节理单元进行模拟,在渗流计算时,采用节理单元的中面坐标将节理单元转换为线单元进行模拟的数值技术,解决2类介质耦合求解时存在不同介质间流体的交换问题.研究结果表明:裂隙煤岩体流固耦合的数值实验结果反映了裂隙煤岩体渗流的各向异性,孔隙渗流滞后裂隙渗流现象,体现了煤岩体贯通主干裂隙网络对渗流场分布起控制作用;数值实验结果较真实地模拟了煤岩体应力分布的复杂性,体现了孔隙单元的有效体积应力和裂隙单元的有效法向应力随渗流发展的时效演化规律.     

加锚节理岩体的复合界面元模型

利用界面元法来研究岩体中的不连续问题是非常有效的。文章研究了节理岩体作为复合块体的等效模型,建立了包含层状节理的复合界面元分析模型,并研究了包含锚杆界面的加锚岩体复合界面元非线性分析模型;针对锚杆所穿越节理面有可能相接触和张开2种情形,分析了锚杆在节理面的抗剪作用机理,导出了相应的弹塑性矩阵。给出的算例表明该法是适用有效的。     

裂隙岩体渗透各向异性对地下储油洞库水封性的影响规律

为研究岩体渗透各向异性对地下储油洞库的水封性影响规律,建立油库单一洞室的二维等效连续介质模型,用不同渗透张量表征岩体渗透各向异性的不同情况,并开展数值模拟。从洞室周围水压力、渗流场和涌水量等角度对模拟结果进行分析,并评价了洞室水封性。结果表明:岩体各向渗透性较均匀时,储油洞室水封性要求相对一致,有利于水幕系统的统一设计和施工处理,容易通过设置的水幕系统保证洞室整体的水封密闭;岩体最强渗透方向在45°～90°之间时,有利于水幕系统的水压力向下传递,形成高水力梯度区包围洞室,保证洞室密封。     

节理岩体宏观力学参数尺寸效应的数值试验

基于Mont-Carlo法,建立了节理岩体的结构面网络,采用RFPA2D-DIP数值模拟软件把生成的网络图转化为有限元网格,从而建立能反映材料细观结构的数值模型.对其中6个不同尺寸的节理岩体试件进行单轴受压数值模拟试验,分析了不同尺寸节理岩体应力与应变之间的关系,以及抗压强度和变形模量的尺寸效应,并对岩体的破坏过程进行了研究,描述了1500mm×1500mm岩体的破坏过程.结果表明,随着岩体尺寸的增大其抗压强度和变形模量均减小,但变化幅度却越来越小,抗压强度随尺寸增大趋于稳定的速度更快,并得出了指数衰减的拟合关系式,不同尺寸岩体的破坏过程大致相同.该研究方法为节理岩体宏观力学参数的研究提供了一种新方法.     

不同压剪应力比作用下节理类岩石材料破坏模式的试验研究

通过对含充填节理类岩石材料试件进行变角度压剪试验,探究不同压剪应力比作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响。定义削弱度,分析节理倾角对岩体抗剪强度的影响。研究结果表明:不同压剪应力比影响试件的初始破坏模式,最终破坏由过大剪切位移所致,并且节理倾角决定试件破坏后的形态;压剪应力比越大,同角度节理试件的抗剪强度越大;在相同压剪应力比下,与无节理试件抗剪强度相比,节理会削弱试件的抗剪强度,倾角不同,削弱度不同。