基于连续介质的裂隙岩体流固耦合数值分析

基于库区水位涨落或暴雨入渗,经过演变易造成滑坡,研究渗透压作用下裂隙损伤效应对渗透张量的影响,通过理论推导,提出裂隙岩体渗流场与损伤场耦合的分析模型;以湖北潘口水电站进水口边坡为研究对象,建立基于连续介质的裂隙岩体流固耦合渗流数值计算分析方法。研究结果表明:边坡在开挖过程中变形以卸荷回弹变形为主,回弹变形范围随开挖逐级增大,各级边坡开挖对邻级边坡变形的影响最显著,对较远坡段的影响逐步减弱;边坡开挖面基本处于小拉应力状态,边坡浅表层拉应力区分布范围及量值均很小;边坡全部开挖完成后,边坡的塑性区主要沿近坝的开挖马道外缘分布,分布范围小,在表层岩体内;裂隙岩体流固耦合模型的三维数值计算能够较真实地模拟边坡开挖过程位移场、应力场、塑性区、拉应力区的分布规律。     

复杂岩体边坡关键块体搜索及开挖支护

采用非接触摄影测量技术采集某高速公路工程边坡岩体的结构面信息,导入自行开发的GeoSMA-3D系统,建立该边坡三维数值模型,从几何学角度搜索出其关键块体.用三维离散元数值计算软件3DEC模拟该边坡工程的开挖过程以及锚索支护后的开挖过程.结果表明,本岩质边坡工程开挖后,引起岩体内部应力重分布,坡体有大范围的剪切塑性区,位移矢量、速度矢量大量集中在开挖面附近的节理上,矢量的方向偏向于临空面,并呈现逐渐增加趋势,整体稳定性较差,若不对边坡采取适当支护措施,必将发生边坡整体失稳破坏;在锚索支护后,边坡的潜在滑移面被控制,边坡整体处于稳定状态.     

岩体随机不连续面优势组数划分——以三峡工程永久船闸为例

各类岩体中广泛存在着不同成因的不连续面,其空间的分布是复杂的,通常是一种无规则的是随机分布,这种随机分布的不连续面通常控制着岩体的局部稳定性,有时它们的组合也会对岩体的整体稳定性产生显著的影响.进行岩体不连续面的三维网络数值模拟,岩体连通率的求算,岩体质量评价以及岩体稳定性的评价等都需要进行不连续面优势组数的划分,传统的节理优势组数划分法通常是用吴氏网或施密特投影网来进行,误差是显著的有时甚至无法进行.这里介绍一种基于概率统计理论借助计算机进行随机不连续面优势组数的方法,并以三峡工程永久船闸数据作为实例.     

裂隙岩体传热的流热耦合分析

通过对裂隙岩体介质的热传导和渗透特性的分析,建立了耦合传热模型.采用导热微分方程描述裂隙岩体的温度场分布,并用加权余量的Galerkin法对岩体热传导方程进行离散,结合边界条件及计算参数对其进行数值求解.数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流引发的热质迁移对裂隙岩体的温度场分布有重要影响.随着裂隙内水流渗透速度的增加,热交换的速度加快,缩短了达到热平衡的时间.渗流速度越大,交界面处温度等值线的不连续现象越明显,热交换越不充分.随着渗流速度的降低,热质迁移量减少,热交换的充分性增加,岩体内的温度等值线平滑连贯,温度梯度降低,裂隙内温度等值线的锐化现象逐步消除.沿着裂隙水流的流动方向,温度等值线变化率逐渐减小,热交换的速率逐渐降低.流固耦合作用对渗流作用下裂隙岩体的温度场分布具有明显的影响,流体温度的变化会影响裂隙岩体温度场的变化梯度.     

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.     

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.     

裂隙岩体流热耦合的三维有限元模型

利用传热学和渗流理论,建立了深部裂隙地层流热耦合传热的三维数学模型。采用渗流和导热微分方程描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流固耦合传热进行了数值模拟。数值模拟结果表明:岩体内裂隙水流所引发的热质迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。模型揭示了岩体与裂隙水流之间发生的对流换热现象,模拟了岩体内的温度场分布,实现了由点向场的转变。模拟结果与实际情况相吻合,表明采用该方法研究裂隙岩体的流固耦合传热是可行的。     

反倾软硬互层边坡倾倒变形影响因素及破坏机制研究

由于反倾软硬互层边坡集合了软岩和硬岩两种岩性特征,对其变形破坏过程和成因机制研究尚未十分明确.采用不连续体理论,利用离散元软件UDEC,通过室内外试验得到模拟所需参数,建立数值分析模型,研究影响软硬互层边坡倾倒变形的因素和成因机制.分析结果表明,边坡坡脚和岩层倾角在60°~70°范围内发生倾倒变形的可能性大,且边坡坡脚和岩层倾角之和大于120°为发生倾倒变形的一个重要条件;互层岩体层厚和岩体性质决定了倾倒变形的类型;软硬互层边坡的形成过程分为四个阶段:初始变形阶段;软岩弯曲、硬岩折断变形阶段;拉张剪切面贯通阶段;破坏阶段.     

由统计规律模拟生成的岩体裂隙网络的非稳定渗流数值分析

研究裂隙岩体中渗透水流随时间、边界条件的变化规律,从而客观反映渗透水流情况,具有重要的意义.利用MonteCarlo模拟岩体中裂隙网络分布情况,基于裂隙岩体网络非稳定渗流数学模型,编制相应的程序,并通过算例进行验证,进而对工程实例进行分析.结论表明:运用MonteCarlo方法模拟岩体中裂隙网络分布状况并进行渗流分析是一种较好的分析方法;当边界条件发生变化时,裂隙岩体中水头分布变化存在一定的滞后性,并且当边界条件变化一定时,岩体中水头分布受时间变化影响不大.     

一种裂隙土的双重入渗模型及对边坡稳定的影响

在降雨条件下,裂隙的存在为雨水在土中的入渗提供了优势通道,导致雨水在裂隙土坡中的入渗具有不均匀性;裂隙会优先饱和,使得裂隙网络和基质存在水头差,导致基质和裂隙网络存在横向的水流交换.文中将裂隙土表示为由裂隙网络和基质共同组成的双孔隙系统,基于双孔隙模型的Richard渗流方程和伽辽金法,分别求得基质和裂隙网络的压力水头分布,并与Hydrus-1D的计算结果进行了对比分析,验证了该方法的合理性.同时发现,基质和裂隙网络的湿润峰面分布不同,前者陡直,后者平缓.边坡稳定性分析表明,基质宽度越大,雨水入渗影响边坡稳定性的范围越深;当基质宽度变小时,雨水入渗接近均匀入渗,雨水入渗影响稳定性的深度变小,但是饱和度的增加使得浅部土体的抗剪强度降低更大.     

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。     

岩体回弹指数影响因素研究及其应用

通过野外回弹试验,分析了弹击点距结构面的距离、结构面张开度以及岩石的厚度对岩体回弹值的影响。结果表明,弹击点距结构面的距离、岩石的厚度对岩体回弹值的界限影响值分别为2~3 cm和5~7 cm;另外,岩体结构面张开度越大,岩体的回弹值越小。基于影响因素的研究,提出了用于平硐回弹试验的试验方法,并引入了用于水电站边坡卸荷带划分的量化指标—岩体回弹指数。     

岩体三维主干裂隙网络渗流模型

渗流分析是水电工程中一项重要的研究内容,大坝周转岩体的渗流通道大多为裂隙网络,用连续介质渗流模型难以解决这一问题,针对岩体主干裂隙网络渗流特征,建立了岩体三维主干裂隙风络渗流模型,运用有限元数值方法,结合算例分析了坝基岩体主干裂隙网络渗流问题,理论解与有限元解元解的比较结果表明,岩体三维主干裂隙网络渗流模型及其有限元算法是有效而实用的。     

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.     

天然岩体结构面三维粗糙度的多尺度取样影响规律研究

基于三维激光扫描技术,在单一大尺度天然岩体结构面点云数据上开展多尺度窗口取样时,取样窗口中心位置的选取对结构面三维粗糙度的准确表征具有显著的控制作用,然而该控制机制与影响规律的研究十分匮乏.为此,以青海祁连县黄藏寺水利枢纽右岸坝址边坡大尺度天然岩体结构面为研究对象,以结构面三维激光扫描点云数据和Grasselli三维粗糙度计算方法为基础,开展了单一大尺度结构面上窗口取样中心位置对三维粗糙度多尺度特征影响与控制规律的深入研究.结果表明:窗口取样中心位置对结构面三维粗糙度的尺寸效应影响显著,取样中心位置的不同导致尺寸效应具有显著差异;同一剪切方向上结构面三维粗糙度的差异性随取样窗口尺寸的增大而减小;窗口取样中心位置对分析含结构面岩质边坡的潜在滑动方向的影响较小,当取样窗口尺寸增大到特征尺寸后,潜在滑动方向将被限定在一定角度范围,天然结构面的角度区间为110°～130°.最后基于上述研究,建立了窗口取样中心位置选取的基本原则,改进了天然大尺度结构面三维粗糙度取样方法.     

单向冻结条件下裂隙岩体冻胀特性试验

单向冻结条件下寒区隧道围岩不均匀冻胀性是产生隧道冻胀力的主要原因之一.为研究寒区隧道含裂隙围岩不均匀冻胀特性,进行了单向冻结条件下裂隙岩体的冻胀试验,分析了裂隙岩体在单向冻结时的冻结过程及变形规律.试验表明,裂隙处冻胀与岩石自身冻胀存在明显差异,裂隙岩体在冻胀过程中表现出明显的不均匀冻胀特性.在裂隙较深的工况下,随裂隙宽度的增加,裂隙法向的线冻胀率增加.对于含裂隙饱和砂岩,岩石自身线冻胀率随冻结温度的降低明显增大,而裂隙法向的线冻胀率明显减小.凝灰岩孔隙率较小,岩体的冻胀变形以裂隙处的冻胀变形为主,岩石自身在低温条件下表现为冷缩.根据试验结果,在岩体不均匀冻胀系数中考虑了裂隙的影响,计算了含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数.裂隙平行于温度梯度方向时,随裂隙宽度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数有所减小.随温度梯度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数增加,且增幅相比岩石不均匀冻胀系数明显增大.试验初步反映了裂隙岩体的不均匀冻胀特性,为寒区隧道裂隙岩体冻胀变形计算提供了试验依据.     

一种基于裂隙间距的岩体结构统计均质区划分方法

岩体内裂隙在不同方向上的间距不仅可以反映岩体的非均质性、各向异性,而且可以反映裂隙的空间分布特征,因此,在随机数学的基础上提出了一种基于裂隙间距来划分岩体结构统计均质区的方法.通过逐步改变样本空间范围的方法对松塔水电站右岸某平硐的岩体结构统计均质区进行划分,证明了岩体结构统计均质区存在空间效应.最后将考虑空间效应的划分结果与岩体声波测试曲线进行对比,证明了划分结果与现场实际是吻合的.     

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·     

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.