基于岩石节理分形特性的岩体稳定性智能辨识

 调查国内大量矿山地质资料,分析其矿岩节理裂隙数据,采用分形理论揭示岩体节理间距和产状分布的分形特性.采用混沌算法优化神经网络,建立矿岩稳定性与其岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角、内聚力、弹性模量、岩体节理间距分形维数和节理产状分形维数的智能辨识模型,寻求岩体判别新方法.研究表明,岩体节理间距分形维数和产状分布分形维数可反映岩体节理空间分布的整体信息;节理间距分形维数越小,岩体完整性越好;产状分布分形维数越低,节理分散程度越小;即二者分形维数越小,岩体稳定性越好.智能辨识模型可以根据矿岩力学参数、岩体节理分形特征,预测不同地质条件下的岩体质量,为工程支护设计及施工提供依据.     

基于分形理论的岩体原生节理分布特征研究—以长河坝水电站为例

由于岩体内部结构面的分布规律具有随机性、复杂性的自相似的特征,可以运用分形理论对其进行研究。通过现场节理调查,描绘了待爆破区域原生节理的分布网络,并统计分析了节理迹长和倾角的概率分布模型;运用盒维数计算方法得出了结构面分布的分形维数D,讨论分形维数D与岩体的工程质量以及结构面分布之间的关系,实现了对岩体的工程性质以及不同尺度结构面的定量对比分析。结果表明:节理面的倾角和迹长分别服从正态和对数正态分布;江咀料场节理分布的分形维数D=1.315,响水沟料场节理分布的分形维数D=1.275,河口料场断层系的分维数D=1.164,可见分形维数D越大,结构面越发育,岩体的工程质量就越差;另外随着调查尺度范围的增大,分形维数D反而减小。研究结果可对分形理论在岩土工程质量评价及节理岩体的爆破块度预测等方面提供参考价值。     

矿石块度影响因素的定量分析研究

以岩体构造调查及构造面空间分布规律为基础,采用矿石预测的RMPSDOF微机系统,对影响矿石块度尺寸和形状组成的各因素:节理间距(频度),节理面持续性系数,两组节理面之夹角、地应力状态、各组优势节理面所占的百分比和完整岩石及弱面力学性质,对矿石块度的影响程度进行模拟研究。     

岩体节理面的分形与分维研究

应用分形几何理论对岩体节理进行描述,求得了节理的分维数d_1,并建立了节理分维数d_f与其粗糙度JRC的关系。有了节理的分维数就可方便的进行节理的分类及强度计算,这比传统的用JRC描述节理更具有实际意义。     

节理岩体力学参数确定的数值试验方法

为解决现场或室内试验条件下难以测试大尺度岩体并确定其参数的问题,总结提出了应用数值试验方法确定节理岩体宏观力学参数的方法流程.即将节理岩体单元离散为岩块和节理两种类型,通过室内试验分别研究其力学特性,再把岩块和节理进行组合形成岩体,通过数值计算得出节理岩体的力学特性.将这套方法应用到贵州省某高速公路岩质边坡的岩体参数优化分析中,研究了试件尺寸、各向异性、岩块及节理力学参数等对岩体宏观力学参数的影响.数值试验方法为工程节理岩体参数的确定和优化提供了一种新的思路.     

节理倾角和间距对TBM双刃盘形滚刀破岩效率的影响

通过实验研究不同节理倾角和间距对TBM双刃滚刀破岩的影响效果。实验采用预制节理水泥砂浆试件模拟节理岩体,节理面与侵入力方向夹角?分别为0°,30°,60°和90°,节理面间距分别为20,30,40和50 mm,采集整个加载过程中滚刀的侵入深度和侵入力,并采用相机进行实时拍摄,获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。研究结果表明:节理岩体存在3种基本破碎模式,主要与节理倾角有关;相邻滚刀的协同破岩作用导致滚刀间岩体产生贯通裂纹,形成片状岩碴;当节理倾角为60°时,破岩比能耗最小,滚刀破岩效率最高;节理间距对岩碴的形成有较大影响,比能耗随着节理间距增大而增大,破岩效率降低。     

节理对岩体强度变形特性影响的模型实验

采用模型试验研究节理对岩体强度变形特性的影响.设计150 mm×150 mm×150mm尺寸的3组模型试验,在不同的正压力下,分别对完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体进行中型剪切试验.研究结果表明:岩体以脆性破坏为主,主要有4种典型的破坏方式,破坏形态与节理的排列方式、贯通性以及应力状态等因素密切相关;完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体变形破坏发展过程具有不同的分段特征:完整岩块曲线主要经历剪缩错动、线弹性增长、破坏和残余强度4个阶段;贯通节理岩体曲线主要经历线弹性增长区、过渡区和滑移破坏区3个阶段;断续节理岩体曲线主要经历线弹性增长、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.断续节理岩体摩尔库仑曲线分别以完整岩块和贯通节理岩体的破坏包络线为上界和下界,可以通过地质力学分析缩小带宽,估算断续节理岩体的强度.     

节理岩体损伤及分形耦合分析

计算了锦屏水电站解放沟坝段平硐测点节理岩体的损伤张量、充填维数及多重分维值；建立了充填维数与连通率、多重分维值与最大主损伤值的关系式，初步明确了分维的物理意义，并对其可能的应用作了分析。     

螺旋切削式采矿头破碎钴结壳粒度分布规律实验研究

钴结壳破碎块度是衡量螺旋滚筒式采矿头破碎效果的重要指标，也是集矿和扬矿系统的设计依据．对常用的4种矿岩破碎粒度分布公式进行了分析，利用线性回归按4种分布公式对实验数据进行拟合，得出分形分布能更准确地描述钴结壳破碎块度分布特征，分维数能定量描述富钴结壳破碎的块度组成，图2，表2，参10．     

基于节理网络模拟和分形理论预测矿岩体块度

块度尺寸和分布特征是自然崩落法选择与设计的重要依据之一,块度预测的可靠性决定采矿方法设计的成败。以金川镍矿Ⅲ矿区贫矿自然崩落采矿法可行性研究为工程背景,开展了岩体块度预测研究;根据Ⅲ矿区开拓工程所揭示的工程岩体,进行了3个区域的岩体节理裂隙调查与统计分析,获得了节理裂隙统计结果及空间分布特征参数;采用蒙特卡罗随机模拟方法生成节理网络模型,并结合岩体分形理论,推导出矿岩体块度尺寸与分布的预测模型;基于所建立的预测模型进行矿岩体初始块度预测。结果表明,当特征尺寸确定为1.2m时,根据1 570m中段调查的4个区域的矿岩体大块率分别达到8.8%,20%,14.83%,6.51%,平均大块率为12.54%;虽然Ⅲ矿区矿岩体破碎,但矿石比岩石强度高,导致矿岩体初始块度的大块率较高,不利于自然崩落法的放矿控制和连续生产。本研究结果为金川矿山的采矿方法选择与决策提供了理论依据。     

异种钢熔焊接头特征的分形探讨

以异种钢熔焊接头为研究对象 ,探讨了用分形描述熔焊接头特征的可能性 ,结果表明是可行的 .对接头中的熔合线和垂直熔合线的元素分布曲线进行了分形描述 ,并提出综合分维这一新概念     

节理岩体对P波传播的影响

应力波在节理岩体中的传播规律是十分复杂的,不仅会受到岩石物理力学参数的影响,还会受到节理性质及分布特征的影响.以含平行双节理的岩体作为研究对象,采用数值模拟的方式探讨了平面P波在节理岩体中传播规律.首先,对含平行双节理的岩体进行了分析,探讨了节理刚度、归一化节理间距、节理倾角、节理刚度比对质点振速缩放系数(VSF)在节理前、节理间和节理后分布特征的影响.结果表明:对于节理岩体,节理刚度越大,平面P波的透射性越好,能量衰减的越少;在一定范围内,归一化节理间距越大,能量衰减的越多;节理倾角对不同位置的监测点的影响各不相同;不同刚度比下,对节理2附近的监测点影响较大,其余监测点基本上没有影响.     

不同间距和倾角的岩石节理对TBM滚刀破岩的影响

在隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)开挖过程中会遇到表面节理条件不同的围岩,影响TBM操作参数的选取和施工效率。为研究节理条件对滚刀力的影响,本研究设置了三种岩面切缝方案模拟不同间距和角度的节理岩石进行线性切割试验,观察岩面破坏情况,收集岩渣并记录滚刀破岩的三向力和振动信号,从岩体破坏、刀具振动情况分析贯入度、切缝的间距和角度对滚刀破岩效果的影响。结果表明：滚刀法向力和滚动力均随着贯入度的增大而增大;切缝间距400 mm比间距200 mm的岩样所需的破岩力更大,但是破岩效果较差;斜切缝岩样相比平行切缝岩样所需破岩力更低而破岩效果较好。在此基础上本研究利用多元线性回归方法建立了滚刀力预测模型,具有较高的预测精度。     

粗糙岩石节理剪切强度的修正公式

以Mandelbrot-Weieratrass函数构造的具有分形节理的岩石试件为模型，通过多组压剪实验，得到了岩石节理法向应力和分形维数及切向应力的近似关系，并利用实验结果得出了粗糙节理岩体剪切强度的修正公式。     

岩石节理面粗糙度的分形效应与试件尺寸影响分析

 岩石节理面的粗糙度是影响岩体形变、位移和强度的主要因素,准确量测岩石节理表面的粗糙度对评价岩石力学特性非常重要.根据分形理论,岩石节理表面具有分形特征,可用分形维数描述节理表面的起伏度,但是岩石节理表面粗糙度一般不具有严格的自相似分形性质,因此,表面分形参数(分形维数D和截距A)的量测结果受到尺度的影响.本文运用三维表面激光形貌仪扫描10个不同尺度的试件(尺寸为100mm×100mm—1000mm×1000mm),结果表明,D和A随试件尺寸增大而减小,两参数都有尺度效应,但存在一个极限尺寸.综合考虑岩石表面尺寸、试件长度以及测量尺度对岩石节理表面粗糙度的影响,提出可靠的分形测量途径.     

工程节理岩体断裂韧性的分形效应

在考察工程节理化岩体断裂力学特征的基础上,提出了“追踪裂纹断裂”的概念,并结合分形几何原理,建立起追踪裂纹断裂的分形模型,从分形几何的角度研究了节理化岩石的微观和宏观结构效应以及使断裂韧性提高的物理力学机制,并通过实测岩样的剪切断裂而进行了验证。     

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.     

徐深气田火成岩储层岩石可钻性分布规律研究

大庆油田火成岩地层是世界级难钻地层,钻进过程中该地层岩石表现为可钻性值极高,地层与钻头适应性差。预先评价未打开地层的岩石可钻性分布规律,对钻井施工提供指导是有实际意义的。本文以随机分形理论为基础,先应用分形维数解释模型计算岩屑取样点的岩石可钻性,再应用分形插值理论建立井间地层岩石可钻性预测模型,两模型的结合使用实现了井间岩石可钻性分布规律的评价,经过现场的应用验证,该方法能够有效的再现岩石可钻性的分形分布规律,预测准确,满足工程精度要求。