基于三维裂隙网络的岩体剪切特性尺寸效应分析

为研究复杂裂隙岩体剪切特性的尺寸效应,以西藏怒江松塔水电站PDC3平硐为例,在现场采集裂隙信息的基础上,基于颗粒流PFC3D软件通过统计学方法及蒙特卡洛原理生成三维裂隙网络,构建等效岩体,进行大尺度直剪模拟试验得到裂隙岩体的抗剪强度、内摩擦系数及内聚力,分别研究其尺寸效应并确定不同参数下的REV尺寸,继而对相关参数和试样尺寸分别进行非线性回归拟合,探究其函数关系。结果表明:抗剪强度、内聚力及内摩擦系数随着试样尺寸的变化而趋于稳定,且不同参数得到的REV大小不同;综合分析不同参数的REV尺寸,得出研究区裂隙岩体的剪切特性REV尺寸为11 m×11 m×11 m;通过函数关系拟合,抗剪强度、内聚力和内摩擦系数与试样尺寸之间均存在指数函数关系。该成果为研究复杂裂隙岩体的力学REV以及合理确定力学参数提供了依据。

煤系岩体三维裂隙网络随机生成研究与应用

[目的]更加清晰且直观地展现煤系岩体结构面的空间分布特征。[方法]基于地质学统计方法对实际裂隙资料进行分析,得到裂隙位置与密度、直径及产状等概率分布函数,借助MATLAB编辑程序,并利用Monte-Carlo随机模拟算法生成满足一定分布函数的随机变量。在此基础上,以Baecher圆盘替代实际裂隙,得到较为精准的三维裂隙网络模型。[结果]该模型不仅高度还原了实际裂隙的形态特征,还精确地再现了裂隙之间的空间关系,包括裂隙的相互交叉、平行分布和聚集区域等。[结论]将三维裂隙网络随机生成技术运用于煤系岩体裂隙探查中,不仅是研究裂隙几何特征的一种重要手段,而且可为后续岩体渗透性及开采安全性评估提供技术支持。

基于裂隙连续方法的三维裂隙岩体渗流传热数值模拟

模拟裂隙岩体渗流传热的主要困难在于岩体各种尺度上的非均质性。为了兼顾裂隙岩体渗流传热过程模拟的效率和精度,将二维裂隙连续方法拓展到三维问题中,应用深度优先搜索算法挑出对网格块渗透性有贡献的有效裂隙,综合考虑有效裂隙和岩石基质作用给出网格块的等效渗透率张量,采用Matlab对COMSOL Multiphysics有限元软件进行二次开发,生成由不同渗透率网格块组成的三维裂隙连续模型。数值模拟结果表明:裂隙连续模型结合了随机连续介质模型和离散裂隙模型的特点,既能避免处理裂隙网络的复杂性,又能考虑岩体渗透率的空间变异性,兼顾了模拟效率和精度;当岩石基质渗透率与裂隙渗透率比值的数量级在10-4~10-6范围内时,有效裂隙网络模型的流量计算误差会超过5%。

三维裂隙组扩展及贯通过程的试验研究

采用一种透明性良好、在低温下呈脆性破裂特征的非饱和树脂材料,制作一些含三维裂隙组的试样(原生裂隙采用薄铝片进行模拟),研究单轴压缩条件下平行三维裂隙组的扩展与贯通过程。试验结果表明:试验早期阶段,各裂隙在端部均以包裹式翼裂纹起裂,并独立地扩展。随着各裂纹间相互作用的加强,会引起次生裂纹在预置裂隙端部附近反向扩展的现象,并形成一种新的断裂模式——包裹式反翼裂纹。最终,试样被包裹式翼裂纹与反翼裂纹主导的宏观破裂面所劈裂,并且裂纹在整个断裂过程中能够始终保持一种稳定的扩展。此外,裂隙组的分布方式将影响着三维裂纹的扩展参数,尤其是对裂纹初始扩展角的影响较大,使得包裹式翼裂纹的扩展角约偏转了10°。最后,讨论了三维裂隙组断裂的基本模式与断裂机制。

基于三维裂隙连通率的裂隙岩体表征单元体研究

三维裂隙连通率综合反映了岩体内裂隙发育特征,是评价工程岩体稳定性的一个重要参数。为合理选取具有代表性的裂隙连通率,基于投影法对水平向三维裂隙连通率的尺寸效应进行分析研究,进一步确定岩体表征单元体尺寸。首先,对实测裂隙数据进行几何参数统计分析,采用逆建模方法建立一个100 m×100 m×140 m的裂隙网络模型。在模型中的10个不同高程上设置水平向的投影基准面,基准面尺寸位于5 m×5 m^100 m×100 m范围。利用投影法计算各投影基准面的三维裂隙连通率,分析三维裂隙连通率随研究尺度的变化情况。采用T检验和F检验判定各级尺寸与最大研究尺寸的研究区域的连通率均值和方差是否存在显著差异。研究结果表明,当研究尺寸达到65 m×65 m时,连通率均值和方差进入稳定状态,该尺寸可视为研究岩体水平方向的表征单元体。

三维裂隙网络渗流数值模型研究

本文根据岩体裂隙空间结构特征和渗透机制，将复杂裂隙系统划分为三大类型：带状断层类、面状裂缝类和管状孔洞类，确定相应的裂隙计算单元（体单元、面单元和线单元）和渗流方程，然后按各种裂隙单元的空间组构关系，建立了由多种裂隙单元构成的裂隙网络三维渗流数值模型，在模型中采用双面单元法描述断层面的阻隔水作用，有用管状线单元描述裂隙中的管道流和岩体中的排水孔。

三维裂隙网络的多边形单元渗流模型

文中以裂隙互相切割后的多边形为基本单元,提出了一个裂隙网络模型生成及渗流计算方法。通过在一个假想模型上的渗流计算发现,裂隙网络模型与多孔介质模型在水位计算上有很大的差别。

三维裂隙网络非稳定渗流分析的变分不等式方法

为了求解裂隙岩体有自由面非稳定渗流问题,将Darcy定律延拓至整个研究区域,使得潜在溢出边界条件满足Signorini型边界条件,建立了三维裂隙网络非稳定渗流问题的抛物型变分不等式(parabolic variational inequality,PVI)提法,并证明其与偏微分方程(partial diferential equation,PDE)提法的等价性,从而将自由面上的流量条件以及潜在溢出边界上的互补条件转化成自然边界条件,降低该问题求解难度.同时给出了基于PVI提法的有限元数值求解方法,通过与交叉裂隙模型理论解的对比分析,证明了该方法的正确性.最后将该方法对含复杂三维裂隙网络的边坡进行非稳定渗流分析,计算结果表明该方法对于复杂裂隙网络求解具有较强的可靠性和适应性.

基于三维裂隙网络的裂隙岩体表征单元体研究

岩体表征单元体(REV)的研究一直是岩土工程中的重要问题。裂隙岩体REV是其内部复杂结构在尺寸效应上的体现,归因于岩体内裂隙系统的随机性。在三维网络模型的基础上通过计算体积节理数建立了确定岩体REV的方法。这种方法考虑了岩体内裂隙的三维空间密度的特征,采用体积节理数这一参数的收敛状况确定岩体REV的大小。建立了实际岩体的模拟裂隙系统,用一定大小的立方体来分割裂隙系统,统计不同立方体内的体积节理数,并将均值作为最终裂隙岩体的参数。将此参数作为裂隙岩体的属性,通过判别其收敛状况获得了岩体REV的尺寸。考虑了岩体不连续面的特征,建立了REV的分析模型,得出工程岩体的REV的尺寸是裂隙平均迹长的4倍的结论。

三维裂隙渗流模拟中裂隙对相交判断过程的优化

离散裂隙网络模型是模拟预测矿井突水事故有力工具。精确构建裂隙网络的几何结构需要判断大量裂隙之间的拓扑关系,而这一过程会显著影响数值模拟效率。引入定向包围盒技术对传统相交分析"两步法"进行算法优化,提出运算成本估算公式和基于假想裂隙面的参数选取方法。经多组相交实验表明,在大规模裂隙模拟中采用定向包围盒的整体运算时间与范围盒和轴向包围盒相比可节约40%和20%。

三维裂隙网络建模技术修正及其工程应用

三维裂隙网络建模技术是分析地下硐室围岩中裂隙分布规律的技术手段之一,可为硐室稳定性评价提供基础模型。本文以北山坑探设施围岩为研究对象,利用地表裂隙调查结果,分析裂隙产状、直径和密度的概率密度特征,采用蒙特卡洛方法构建三维裂隙网络模型,并通过围岩楔形体分析检验模型。继而引入硐室裂隙编录数据,修正模型参数和建模方法,建立具有高可信度的三维裂隙网络模型。最后,利用修正模型实现巷道尺寸设计和危险部位预测。上述研究修正了三维裂隙网络建模技术,并提出了模型在硐室围岩稳定性评价和辅助设计领域的应用方案,为我国高放废物处置地下实验室及类似工程的研发提供了技术支撑。

高陡岩质斜坡的结构面非接触式采集技术与三维裂隙网络模拟研究

本文分别以非接触式测量与三维裂隙网络模拟技术对汶川县绵虒镇大溪沟沟口高陡斜坡的结构面系统进行了深入研究。以无人机、数字近景摄影测量与三维激光扫描方法建立了现场斜坡的三维DEM模型并识别与解译了斜坡的结构面系统。尤其是采用无人机与近景摄影测量技术,识别并解译了整体斜坡的长大控制性结构面与坡面上的6663条随机构造结构面。基于以上数据,本文提出了一种适用于高陡斜坡分析的超大窗口三维裂隙网络模拟方法,采用概率统计与空间几何推导的方法,建立了岩体三维结构面的直径、产状与密度计算方法。这种方法更加简便且针对性强,现场验证也表明其具有较高的模拟精度。

水力耦合作用下含三维裂隙类岩石材料的破裂力学行为及声发射特征

水力耦合作用下裂隙岩体的破裂力学行为及声发射特征是关系到地下工程安全建设与灾变预测预警的关键问题。利用水泥砂浆材料及声发射技术开展了室内压缩破裂试验,研究了无水及水力耦合条件下含三维裂隙试件的破裂模式、力学特性、声发射特征以及水压和裂隙倾角的影响,分析了声发射信号主频特征随岩体破裂状态的变化规律。试验结果表明:随裂隙倾角增大,试件破裂模式经历了张拉为主-拉剪复合-剪切为主的转变过程;水压增大增强了试件张拉破裂模式,而剪切破裂模式在一定程度上被削弱;随水压升高,起裂应力、损伤应力和峰值强度均持续降低,水压对起裂应力及峰值强度的影响程度存在阈值(4 MPa);试件破裂过程中声发射撞击率变化呈现明显阶段性特征,从而为起裂和损伤应力判定提供了依据;试件不同破裂状态下的声发射信号呈现不同主频特征,相对高、中、低频波的主频值域区间具有非连续性,低频和高频信号占比与试件破裂状态存在对应关系,因此可为岩体破裂状态的预测预警提供参考信息。

复杂结构岩体三维裂隙网络密度的计算方法研究

岩体的力学性质受岩体中的结构面控制,但是结构面的展布特征十分复杂,仅用在现场二维露头面上采集的裂隙信息不能完整地反映结构面的发育特征。为了完整地反映结构面的发育特征,广泛应用三维裂隙网络模拟的方法。而裂隙的密度是三维裂隙网络模拟的关键参数之一。本文在预先确定三维裂隙网络中裂隙的位置、大小、产状等参数的前提下,采用模拟露头面切割三维裂隙网络,统计迹线条数的试算法,确定裂隙的密度。并以在建大藤峡水利枢纽泄水闸28号坝段下游岩体为例,计算了裂隙的密度。采用考察模拟露头面上的迹线半迹长的分布函数,并与现场实测裂隙半迹长的分布函数对比的方式,证明了本文方法的合理性,该方法有着广阔的应用前景。

基于纵向裂隙修正的岩体三维裂隙模拟及连通性分析

隧道建设过程中,掌握隧道围岩中裂隙的分布及连通性情况,对于合理选择施工方法和支护方案等环节至关重要。从隧道建设的需求出发,建立岩体的三维裂隙模型,并对裂隙的连通性进行分析。基于现场实测裂隙各项参数服从的分布规律,采用蒙特卡洛算法模拟产生裂隙的三维数据,使用空间薄圆盘表示裂隙,生成裂隙的三维模型。通过与竖向钻孔数据对比,对基础模型进行修正(筛选),找到最符合实际情况的模型。之后,运用空间几何原理,通过圆盘之间的相互关系分析裂隙的连通性,并运用C++编程实现连通性判别计算。通过建立一种从分析任意2个圆盘之间几何关系入手的连通性分析方法,实现裂隙的连通性分析。

三维裂隙网络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。本文针对分布特别稀疏的三维主干岩体裂隙网络,以渗流区内的水量平衡原理为依据建立基本方程,推导三维岩体裂隙网络非稳定渗流的基本方程;并将三维裂隙网络渗流理论及有限元数值方法运用于主干岩体裂隙网络渗流分析中。基于裂隙岩体网络非稳定渗流数学模型,编制相应的程序。对于工程实例,根据实测情况利用Monte-Carlo模拟出岩体中二级裂隙网络分布情况进行分析,然后进行了三维非稳定渗流分析。计算结果充分体现了岩体中裂隙网络的储水性,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;并表明主干裂隙的强导水性,使得裂隙岩体中的主干裂隙的渗流分析成为渗流分析中的重点。

基于空间索引的随机分布三维裂隙网络中裂隙对相交判断方法(英文)

明确裂隙间的相交关系,去除那些对流体流动与溶质运移无贡献的、与其他裂隙不联通的裂隙,能够大大提高裂隙中流体流动和溶质运移数值模拟的效率.提出一种基于空间索引的随机分布三维裂隙网络中裂隙对逐步相交判断的方法.通过数值模拟试验比较了该方法与传统的穷举法,结果表明,该方法速度快、成本低,大大减少了裂隙岩体渗流计算量,缩短了裂隙岩体流体渗流和溶质运移数值模拟计算时间.

基于Monte-Carlo方法的三维裂隙网络模拟

目前,人们研究裂隙岩体中流动和溶质运移时越来越多的采用离散介质方法,因此需建立离散裂隙网络。由于裂隙的分布具有不确定性和交叉性,目前无法用确定性的研究方法进行研究。文章用概率论与统计学的方法分析裂隙的分布及组合特征,利用Monte-Carlo方法进行三维裂隙网络随机模拟,建立了三维裂隙网络的随机模拟模型。该研究可为进一步分析裂隙网络的连通性和渗透张量分布提供依据。

含二维和三维预制裂隙的脆性岩石试样的破坏特征数值验证

为模拟岩体中原生裂隙的真实破坏行为,基于含二维和三维预制裂隙的类岩石试样的单轴压缩试验开展了相应的离散元模拟研究。试验和模拟结果表明:内部次生破坏率先出现在内置二维裂隙下部和三维裂隙周围,且次生拉裂纹与预制裂隙在走向方向上完全平行呈条带状分布。裂隙倾角的增大对岩样的破坏有不同程度的影响,随着裂隙倾角逐渐减小,次生拉裂纹越来越明显,翼裂纹的曲率越来越大,内置三维裂隙附近的拉裂纹簇分布范围越来越大。同时,次生剪裂纹的产生也随着裂隙倾角的减小而发育越来越明显,连通性增强,试样越容易发生破坏,说明随着预制裂隙倾角在一定范围内减小,试样强度呈现递减趋势。

基于CT扫描的CO_(2)相变致裂煤裂隙演化特征

为进一步揭示CO_(2)相变致裂煤的裂隙改造机理,开展了CO_(2)相变致裂煤体实验,基于CT扫描和三维裂隙重构,分析了CO_(2)相变致裂前后的煤样内部裂隙结构参数,查明了CO_(2)相变致裂煤的三维裂隙结构演化特征。结果表明,致裂后煤样的裂隙总数量减少,裂隙总体积和裂隙总表面积增加;CO_(2)相变致裂产生了裂隙扩张转化效应,在致裂压力的扩张作用下,小尺度裂隙转化为更大尺度的裂隙;长度小于1000μm的裂隙数量减少、裂隙体积和表面积明显减小,长度大于1000μm的裂隙体积和表面积明显增大,且裂隙之间扩张贯通而引起其数量减少;CO_(2)相变致裂大幅度改善了煤体三维裂隙的连通性,有利于气体的运移和产出。此研究为CO_(2)相变致裂效果提供新的分析评价方法,也可为其他非常规天然气储层及其改造的裂隙演化特征研究提供参考和借鉴。