动水作用下岩体裂隙中颗粒运动规律的试验研究

动水作用下岩体裂隙中的颗粒运动是引起渗透破坏的常见原因。针对天然岩石裂隙的随机性与隐蔽性,采用三维Weierstrass-Mandelbrot分形函数构建随机裂隙通道,并采用3D打印方法获得透明裂隙模型实体,使用微流体控制仪开展动水作用下颗粒在裂隙中的运动试验,分析裂隙粗糙程度、颗粒粒径与裂隙开度的比值(简称粒径隙宽比)、渗流水压力对颗粒在裂隙中起动、运移的影响规律,进而推断岩体裂隙发生渗透破坏的可能性。研究结果表明:颗粒在岩石裂隙中的运动规律与裂隙粗糙程度、水压力、颗粒粒径隙宽比3个因素有关。裂隙粗糙程度越大,或颗粒粒径隙宽比越大,颗粒越不容易开始运动,即裂隙发生渗透破坏的可能性越低。同时,水压力是颗粒运动的主导因素,颗粒粒径隙宽比对颗粒运动的影响与水压力有关。存在一特定水压力临界值,未达到该水压力时,颗粒粒径隙宽比对平均运动速度的影响不明显,超过该水压力后,影响程度显著增大,且该临界水压力值的大小与裂隙粗糙程度有关,裂隙越粗糙,临界水压力越大。

基于Weierstrass-Mandelbrot函数的岩体裂隙映射重构

重构岩体裂隙对精准构建裂隙岩体模型以及准确获取其力学性质具有重要意义。鉴于此,为使重构裂隙与天然状态相吻合,提出了D-n_(max)阈值公式,修正了用于岩体裂隙模拟的Weierstrass-Mandelbrot(W-M)函数。通过二值化灰度图像对Barton10条剖面线进行数字化,经试错法及综合分析法,以等差方式确定10个粗糙度水平的Hurst值。通过对10条剖面线进行傅里叶变换得到了幅值特征新参数Spp,结合起伏角标准差σ_i线性构建新裂隙粗糙度系数(joint roughness coefficient,简称JRC)计算公式。采用二分法获得目标JRC值对应W-M函数的最佳尺度常数G值,建立了JRC与W-M函数的映射关系。W-M函数考虑了随机项,实现了重构裂隙的差异化。对重构裂隙进行粗糙度定量化研究和室内试验,验证了新参数Spp、新JRC计算公式及映射关系的有效性。所作研究为拓展岩体裂隙获取方法提供了新的思路,为裂隙岩体力学性质研究奠定了基础。

诱导下岩体裂隙扩展规律研究存在问题及对策

大部分地下工程的失稳都是岩体在长期的“诱导”作用下裂隙扩展、贯通从而改变岩体本身的强度特征导致的结果,因此,研究岩体中裂隙的扩展演化规律,对进一步揭示岩体工程失稳、岩石破坏现象的机理和本质具有重要意义。本文从物理实验、数值模拟和力学理论三个方面介绍了目前对于裂隙岩体扩展的研究现状,并结合地下工程的演化过程和工程需求分析了目前裂隙扩展研究中存在的问题,提出了更适应工程问题需求的研究思路:以相似材料、3D打印和声发射技术为手段,首先通过小试样压缩实验确定适用于声发射技术监测的相似材料成分及配比范围,然后采用3D打印的方法制作成交叉裂隙的拉、剪实验试件并开展拉、剪蠕变试验,研究裂隙扩展致裂规律,裂隙岩体拉、剪蠕变声发射特征及破坏的前兆特征,分析岩体强度随蠕变时间的变化规律,在此基础上建立裂隙岩体的大型相似材料模型,研究开挖诱导下随裂隙参数、时间等因素的预测模型和岩体冒落触发时间与裂隙参数、开挖空间的关系模型,揭示裂隙岩体冒落演化机制,预测岩体冒落时间和范围,为地下工程长期稳定性和岩体冒落调控提供理论支撑。

基于实景三维建模和点云投影分析的岩体裂隙识别应用

本研究旨在探讨无人机(UAV)实景三维建模技术和点云投影分析在岩体裂隙识别中的应用。首先,利用无人机搭载高清摄像镜头,对岩体进行高精度的三维实景扫描,获取大量的岩体表面数据;然后,通过图像处理和三维重建算法,对获取的数据进行处理和分析,实现对岩体裂隙的准确识别和测量;最后,结合实地验证和地质勘探实际需求,验证该技术在岩体裂隙识别中的可行性和有效性。研究结果表明,无人机实景三维建模和点云投影分析能够实现对岩体裂隙的高精度识别和三维重建,裂缝识别准确率由83.4%提升至93.1%,漏提率由30.3%降低至15.4%。该技术不仅在提高识别精度和效率方面具有显著优势,同时也能够降低传统岩体勘探过程中的人力和物力成本。

非均质性控制的岩体裂隙溶蚀机制研究综述

岩体裂隙作为自然界中渗流-溶蚀过程的介质之一,是自然演变过程中化学风化作用的重要载体。目前学界认同的研究成果主要集中在均质、各向同性条件下的裂隙溶蚀研究中,并不能适用于由裂隙非均质性、各向异性等影响下的溶蚀演化。近四十年,限于真实岩石、岩体裂隙的复杂结构以及渗流-溶蚀过程的微观机制影响,许多非均质性参数对裂隙溶蚀特征的影响仍未取得清楚认知。因此,针对岩体裂隙几何特征非均质性、矿物分布非均质性和裂隙溶蚀模式及判别准则状三方面研究现状进行了分析阐述,并探讨了非均质性对自然裂隙溶蚀演化过程中存在的关键问题,分析了岩体裂隙溶蚀今后的研究趋势,并做出了研究展望。

基于并行自注意力的石窟寺岩体裂隙发育研究

针对石窟寺岩体裂隙发育缓慢、影响因素多样化,难以对裂隙发育情况进行预测的问题,提出了一种新的基于深度学习的岩体裂隙发育预测网络(FDPNet:Fracture Development Prediction Network),即并行自注意力机制混合网络。FDPNet通过局部卷积模块和全局循环模块对序列数据的时间相关性进行建模,使模型能准确捕捉到不同时间尺度的时间模式。同时通过引入自注意力机制对多元时序数据中不同序列之间复杂的依赖关系进行建模。在此基础上,利用传统的自回归模型进一步提高模型的鲁棒性。此外,以Q市北石窟寺32号窟6个月的裂隙发育相关因素监测数据构建了国内外首个该领域的数据集。在该数据集上进行的对比实验结果表明,该模型在石窟寺岩体裂隙发育预测场景下具有更好的性能表现。

基于改进后向投影算法的地质雷达探测岩体裂隙的成像方法

利用地质雷达(GPR)提前识别、探明裂隙对于认识岩体结构、预防岩体灾变十分重要,由于多次反射、绕射等问题,地质雷达对于较复杂裂隙网络的探测结果识别解译困难,后向投影(BP)算法能够获得高分辨的雷达成像,但是传统BP算法成像中杂波干扰严重,降低了地质雷达成像效果和分辨率。据此提出了改进BP算法,利用待成像点在各道上的雷达响应值之间的相关性,通过2次快速互相关操作增强了对其他点的干扰的抑制作用,并采用电磁波衰减补偿系数对地质雷达成像结果进行补偿,实现提高地质雷达的成像效果的目的。针对几种典型的岩体裂隙网络开展了地质雷达正演模拟和基于改进BP算法的成像仿真,同时利用物理模型试验进行了验证,发现利用基于改进的BP算法可以实现对裂隙网络的位置和形态进行成像,与传统的BP算法相比具有更强的干扰抑制效果。

剪应力作用下岩体裂隙渗流特性研究

通过对规则、均匀、粗糙裂隙的渗流剪切实验,结合裂隙面受剪时的力学机理,研究了岩体裂隙在剪切荷载作用下的渗流特性,并对裂隙剪缩阶段过流能力的变化进行了探讨。实验结果表明,剪切荷载作用下,裂隙在剪动前渗透性随剪应力的增加而降低,且渗透系数与剪应力有十分明显的线性关系。

岩体裂隙面粗糙度对其渗流特性的影响研究

为了研究岩体裂隙面的粗糙程度与渗流机制间的相互关系,将裂隙沿长度方向均匀分割成若干段,通过设置每一段末端的随机高度,生成两侧对称的粗糙裂隙面。基于格子Boltzmann方法,采用不可压缩流体的D2G9模型,验证了经典的Poiseuille流,计算了不同相对粗糙度岩体裂隙的渗流特性,讨论了裂隙面粗糙度对渗流流态的影响。研究结果表明:裂隙结构壁面对流体的阻碍作用,使得流体在壁面附近的流动产生急剧调整,同时随着裂隙相对粗糙度的增加,在裂隙隙宽急剧变化的部位,局部伴随着旋涡的形成,导致流体内部摩擦阻力作用增大。在单位时间截面渗流流量及每一段平均隙宽相等的条件下,将本数值解与多平行板理论解进行了对比,对于相对粗糙度δ=0.01674的裂隙方案,由于多平行板理论解忽略了粗糙裂隙隙宽变化而引起的局部压降,其裂隙中线处压降产生的最大误差达到15.2%。当相对粗糙度较小时,裂隙中线处的压力与光滑平板流相类似,近似呈线性变化。随着裂隙相对粗糙度增大,压力变化偏离直线方向,且在断面由窄突然变宽的部位,压力变化偏离线性尤为显著。

岩体裂隙结构面的温度-应力-水力耦合本构关系

进行了单、正交裂隙岩体的渗透实验 ,并针对单、正交裂隙岩样在不同温度及应力下的渗流试验特点 ,分析了裂隙结构面变形规律 ,并以此实验成果为基础 ,给出了岩样裂隙结构面温度 -应力 -水力的耦合本构关系式。

拉剪应力状态下岩体裂隙扩展的断裂力学机制及物理模型试验

开挖卸荷岩体裂隙面通常处于拉剪应力状态。在裂隙应力和变形状态分析的基础上,采用线弹性断裂力学理论和物理模型试验研究了拉剪应力状态下裂隙扩展的力学机制。岩体裂隙在拉剪应力状态下沿裂隙面间的滑动抗剪摩擦力消失,裂隙起裂沿Ⅰ型张拉裂隙断裂韧度KⅠ最小的方向起裂,并最终发展与卸荷拉应力方向垂直;拉剪应力状态下岩体的总位移方向平行于拉应力方向,通过合理的位移假设,基于能量及线弹性断裂力学理论,求解了拉剪应力状态下分支裂隙扩展过程中尖端的动态应力强度因子和扩展长度判据;通过拉剪应力状态下单裂隙扩展物理模型试验验证了理论推导的正确性。

三峡永久船闸高边坡岩体裂隙分布的分形研究

ＦｒａｃｔａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒｒｏｃｋｍａｓｓｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｓｆｏｒｒｏｃｋｍａｓｓｉｎｈｉｇｈｓｌｏｐｅｓａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｌｏｃｋｏｆＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓ１概述岩体结构面的存在，不仅破坏岩体的完整性...

利用“岩体裂隙率”评价工程岩体的质量

本文提出用建立在岩体结构面网络三维模拟基础上的“岩体裂隙率”来表征岩体的质量。它可以用来衡量结构面的发育程度及岩体的完整性 ,评价岩体质量 。

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量方法初探

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量法,是一种与传统测量完全不同的新方法,可以高效率地测量岩体裂隙。基于数字图像处理理论,针对裂隙图像的特点,对这一新方法进行了比较全面地探索,提出了裂隙图像的现场采集方法及其解译路线,重点研究了智能识别方法,并研发了相应的处理软件。按照上述解译路线,应用自编裂隙图像处理软件,对从野外实拍的典型数字裂隙图像进行了试算、分析和总结,初步证明了此解译路线的可行性。

隧道掌子面岩体裂隙快速识别方法

隧道掌子面上含有许多地质信息,若能充分提取和分析,将有助于对隧道工程地质状态作出评价,用于指导隧道设计和施工.以隧道掌子面数码图像为基础,对掌子面上岩体裂隙检测、提取、分组算法进行研究.首先,基于数字图像处理技术对掌子面岩体裂隙目标分割算法进行分析,根据分割结果,通过图像细化和边界线拟和、分离、合并、过滤,连接不连续边界,过滤短边界,形成较完整的岩体边界线识别结果;然后,计算岩体边界线视倾角,将视倾角相近的边界线合并为一组,实现对裂隙边界线的自动分组;最后,将本方法应用于实际掌子面岩体图像测试其有效性.测试结果表明:该方法基本实现了对掌子面上岩体裂隙的自动提取和分组;对具有明显裂隙的掌子面岩体,本算法能较完整的提取出岩体裂隙,错误提取率不超过10%,并实现了自动分组,自动分组错误率不超过5%,提高了掌子面岩体分析的自动化程度,可用于地质素描,并为掌子面围岩分级提供参考依据.

岩体裂隙非线性蠕变过程特性与应用研究

从岩体不连续裂隙介质三轴蠕变试验结果，分析了开挖诱致岩体裂隙蠕滑全过程的基本特点。研究了裂隙起裂机制、蠕变扩展规律，讨论了岩体裂隙损伤断裂全过程与裂隙岩体蠕变全过程的耦合关系，并建立了相应的本构模型和分析模型，最后进行了算例分析。

岩体裂隙等效水力隙宽的统计确定方法

针对天然裂隙岩体等效水力隙宽确定的复杂性,利用平行板水流的立方定律及流量等效原理,推导出光滑平行板单裂隙的等效水力隙宽公式,同时对隙宽分布的频率特性进行了探讨,认为非均匀隙宽单裂隙的等效水力隙宽可近似取40%频率的隙宽,或取隙宽的几何平均值与调和平均值的算术平均值。

岩体裂隙粗糙度表征及其对裂隙渗流特性的影响

岩体裂隙粗糙程度对裂隙渗流特性的影响显著。利用三维光学扫描系统获取岩体裂隙面点云数据,结合SURFER和GEOMAGIC STUDIO等软件计算裂隙面节理粗糙度系数JRC和表面粗糙比率Rs,建立JRC与Rs的定量关系,开展应力、渗流和化学耦合作用下石灰岩裂隙渗流试验,研究JRC和Rs对粗糙裂隙渗流特性的影响。结果表明:JRC与Rs呈对数函数关系,其平方根R2为0.9128,该表征公式与裂隙渗流试验结果最大相对误差MRE、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE分别为6.93%、0.34和0.27。JRC与渗流量、稳定期渗透率分别呈二次函数和对数函数关系,Rs和各参数的拟合关系与JRC相同。JRC值越大,渗流量和渗透率越小,且三场耦合作用下裂隙面JRC和Rs值均有所增大。该表征方法可用于岩体裂隙面粗糙度估算,由裂隙面JRC值可预测该裂隙渗流量和稳定时刻渗透率。

岩体裂隙非规则几何水力学特性研究

不规则裂隙的渗流问题是岩体水力学中一个比较复杂的问题。本文通过单裂隙渗流规律的模拟试验，提出了用正弦渗流模型模拟面外曲度渗流，用“地毯”状锥体渗流模型模拟面内曲度渗流。试验结果的统计分析表明。

岩体裂隙网络渗流变水温影响分析

考虑岩体裂隙渗流变水温影响,推导单裂隙变水温水流近似解析解和有限元解,在此基础上分别建立裂隙二维网络变水温渗流数值求解方程,分别对应裂隙网络变水温渗流分析的近似解析法和子结构法。分析变温水流运动规律发现:(1)单裂隙内水流水头与水力坡降成非线性关系,当水流由高温区向低温区流动时,水头分布曲线为凸曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏小;当由低温区向高温区流动时,水头分布曲线为凹曲线,此时按线性渗流简化水头整体偏大。(2)单裂隙内,高水温处水力坡降小,低水温处水力坡降大;裂隙平均水温越高,流速越快;裂隙网络内存在与裂隙宽度相似的温度偏流效应,即交叉节点水流有偏向水流温度高的裂隙流动的趋势。在温度较高和温度梯度较大的区域,应该考虑水流温度变化对渗流场的影响。