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。

基于体裂隙强度的岩体代表性单元体尺度确定方法

岩体由于各种结构面表现出不连续性、非均质性、各向异性等复杂特性,使得岩体尺寸效应成为岩体力学研究的重点和难点,尺寸效应研究关键在于确定岩体代表性单元体尺度。根据3GSM现场测量和室内试验,建立了9组不同尺度裂隙三维网络模型,计算体裂隙强度,发现体裂隙强度随尺寸变化出现波动,根据波动大小分为离散区(1~4 m)、过渡区(4~8 m)和均质区(8~20 m)。基于三维块体离散元软件3DEC,依据裂隙网络模型建立9组裂隙岩体模型,进行常规三轴压缩数值模拟研究。结果表明:裂隙岩体表现出明显尺寸效应,即随着岩体尺寸增大,各力学参数先减小后稳定,代表性单元体(REV)尺度为8 m。最后,引入体裂隙强度反映裂隙对尺寸效应的影响,并与REV尺度对比,发现通过体裂隙强度表征裂隙岩体尺寸效应规律是可行的。

基于三维裂隙网络模拟和灰色理论的岩体表征单元体研究

在三维网络模型和灰色理论的基础上建立了确定岩体表征单元体(Representative elementary volume)的新方法。该方法在全面考虑岩体基本特征的同时,用灰色理论中的灰关联分析方法确定REV的大小。在三维网络模型中将裂隙按照其走向和倾角投影到极点图上,并将极点图遵循等面积原则划分成24份,统计出每一区块上的极点数量和该区块含有裂隙的平均直径,作为灰关联分析的参考序列。再用边长为r的立方体来分割网络模型,统计出该立方体投影到24份极点图中每一区块的极点数量和含有裂隙的平均直径,这作为比较序列。通过改变立方体边长r的大小,得出对应的比较序列。对参考序列和比较序列进行灰关联分析,随着立方体边长的增加,关联度值趋于稳定,稳定时的立方体的边长即为岩体REV的尺寸大小。在实际工程应用中得出REV的尺寸是裂隙平均迹长3倍以上的结论。

煤层气采收诱发储层沉降及应力演化的三维模型数值模拟

基于孔隙弹性介质假设,建立煤层气采收过程中应力-应变-解吸-扩散-渗流全耦合数值方程,通过离散裂隙网络方法构建包含天然垂直裂隙和水压裂隙的三维煤层几何模型,并采用COMSOL和有限元方法定量研究煤层气采收过程诱发的储层沉降及应力演化。模拟结果发现:(1)储层顶面沉降集中在裂隙的两侧,其沉降差异导致天然裂隙发生垂向位错,最大可达2 mm/a;(2)天然裂隙附近区域的应力分布具有第二和最小主应力明显变小,且最小主应力逐渐由压应力转变为拉应力的特征,拉应力可达3 MPa。基于修正的Morris筛选法,分析煤层气采收过程中影响储层位错和应力演化的主要因素。建议煤层气采收过程由沉降导致的灾害风险较小,但是仍需注意由于采收过程导致的储层天然裂隙位错及其附近区域应力大幅降低进而诱发地震和储层局部失稳破坏等次生灾害的可能性。

坝基裂隙岩体三维灌浆数值模拟

坝基灌浆工程地质条件复杂且具有隐蔽性,如何建立能准确反映岩体内裂隙分布情况的三维随机裂隙网络模型,并进行浆液扩散特征的研究是灌浆数值模拟的关键和难点。现有研究大多通过岩体揭露面统计资料估计裂隙的几何参数,无法有效反映复杂裂隙真实特征,且灌浆模拟研究中多将裂隙简化为单一裂隙或规则裂隙网络。本文采用Monte Carlo法建立三维随机裂隙网络模型;提出三维裂隙宾汉姆流体灌浆数学模型,实现对随机裂隙内宾汉姆浆液扩散特征的研究;运用该模型对某水电站坝基裂隙岩体灌浆过程进行模拟,结果表明:浆液主要在与灌浆孔相交的裂隙内流动,灌浆压力在灌浆孔附近衰减速率最快且对浆液扩散的影响较为显著。同传统裂隙灌浆模拟相比,该方法能有效反映复杂裂隙的真实特征,获取更贴近实际工程的灌浆结果,为保障灌浆工程的安全建设和经济合理性提供了理论依据。