等效岩体三维随机节理网络模型构建及其在两河口水电站中的应用

节理的存在对水电高陡岩质边坡的力学性质有重要影响,如何构建反映三维节理分布特征的等效岩体计算模型,是分析与评价岩体力学特性的关键.本文基于损伤力学和统计强度理论,在三维岩石破裂过程分析(RFPA^(3D))软件的基础上,提出了一种计算等效岩体三维随机节理网络模型的新方法.首先,基于Baecher模型和Monte-Carlo方法,在RFPA^(3D)软件中实现了三维随机离散节理网络(Discrete fracture network,DFN)模型的重构.然后,利用RFPA^(3D)软件内嵌DFN模型,赋予节理和岩石不同的力学参数,构建了工程尺度等效岩体三维随机节理网络模型,实现了三维随机节理岩体破裂过程、变形和强度等力学性质的分析.最后,以两河口水电站左岸边坡坝址区下游节理岩体为研究对象,验证了三维随机DFN模型的准确性,开展了研究区内节理岩体尺寸效应研究,并获得了研究区内岩体的表征单元体(Representative elementary volume,REV)和等效力学参数.该研究成果为等效岩体力学行为分析提供一种新方法.

单轴压缩试验下粗糙离散节理网络模型建立及力学特性

针对岩体中随机结构面存在粗糙特性的特点,开展了粗糙离散节理网络(roughness discrete fractures network,RDFN)模型研究。采用数字图像处理技术,开发了生成RDFN模型的算法,并基于Matlab方法建立了与颗粒流离散元PFC方法的接口。采用颗粒流PFC方法研究粗糙度对RDFN模型单轴压缩下的弹性、强度和破坏模式的影响规律,并与直线型DFN模型进行对比。结果表明,RDFN模型的弹性模量低于DFN模型,而峰值强度较高,残余强度较低;DFN模型中微裂纹沿节理方向贯通,局部存在基岩内部裂纹扩展;RDFN模型由破坏模式相对复杂,达到峰值强度后基岩发生显著破坏。

等效岩体随机节理三维网络模型构建方法研究

由于目前仍难以将建立的结构面网络模型直接应用于岩体力学行为的分析,构建反映节理真实空间状态的等效岩体模型是岩体工程稳定性分析与计算的研究基础。以内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,通过现场节理测线法调查,运用概率统计理论对节理倾向、倾角、间距和迹长进行统计分析、偏差校正并建立概率分布模型。在此基础上,根据Monte Carlo随机模拟理论并采用Matlab软件,获取节理模拟数据,并通过OPEN GL三维可视化技术构建能充分反映工程岩体节理分布特征的等效岩体随机节理三维网络模型,模拟结果与实测数据具有良好的统计相似性。该研究成果可为等效岩体技术所利用,并为后续开展节理岩体变形特性、强度特性、尺寸效应、各向异性、表征单元体积(REV)、关键块体识别、开挖效应、破裂机理等量化分析研究奠定基础。

节理岩体表征单元体的分形几何研究

节理岩体的尺寸效应是其内在结构复杂性的体现,应归因于岩体内裂隙网络系统的存在。提出在岩体结构宏观分区的基础上研究表征单元体,应用分形几何的观点进行研究。结果表明,分区内岩体结构具有统计自相似性。进一步的计算表明,用于描述岩体结构特征的分形维数随岩石试样尺寸的增加而减小;但当尺寸增加到某特定值时,分形维数趋于稳定,将此特定值称为结构表征单元体,即尺寸大于结构表征单元体的样本其结构具有代表性。根据表征单元体的定义,尺寸大于表征单元体的岩体试样,其力学性质具有代表性;而结构相似是性质相似的前提,由此可以推知,结构表征单元体为表征单元体取值的下限。

反倾岩质边坡变形破坏的节理有限元模拟计算

岩质边坡的倾倒破坏是地质环境中广泛存在的现象,通过模拟手段对边坡的响应规律进行科学准确预测显得尤为重要。采用基于强度折减法的节理有限元法(JFEM-SSR)对反倾层状边坡的变形破坏机制进行研究,该方法可同时考虑岩块和节理属性,并能充分体现岩层或岩块接触作用的非线性关系,在获得边坡应力、位移及塑性区的同时可以到边坡的稳定系数。首先,采用JFEM对R.E.Goodman和J.W.Bray提供的一个倾倒破坏的算例进行了模拟计算,证实该法应用于节理岩石边坡稳定性分析的合理性;然后,基于该方法,采用节理网络模型建立广乐高速公路一桥墩承台开挖边坡的地质模型,对其变形破坏机制及稳定性影响因素进行研究,重点探讨地下水渗流作用、地震作用、岩层倾角、岩面厚度对边坡变形破坏的影响,以便为工程决策提供依据。

基于离散元方法的粗糙性节理岩体直剪力学及尺寸效应特性

天然岩体中存在多组随机结构面,同时结构面几何上存在粗糙特性,基于这两种特性,建立了一种粗糙离散节理网络(Rough Discrete Fractures Network)RDFN模型,并基于颗粒流PFC2D开展了RDFN模型直剪条件下力学特性研究,与直线型DFN模型进行了对比。结果表明:节理几何粗糙特性对裂隙岩体的抗剪特性影响显著。相同加载条件下,考虑粗糙性后RDFN模型的抗剪强度、剪切模量均较DFN模型显著增高;DFN模型中微裂纹沿节理方向贯通,局部存在少量的基岩破坏,RDFN模型破坏模式相对复杂,沿剪切方向基岩单元破坏显著;随着样本尺寸的增大,节理模型的抗剪强度、剪切模量总体上均呈现降低趋势;尺寸效应分析结果表明抗剪指标均在尺寸达到4.0 m后趋于稳定。

等效节理岩体表征单元体研究

岩体力学参数具有表征单元体(REV).以特大型露天矿内蒙古白云鄂博铁矿东矿为研究背景,根据现场节理测线法调查与室内岩石力学试验,将随机节理三维网络模拟技术与块体离散元分析方法相结合,构建了反映节理真实空间状态的多尺度等效节理岩体模型.通过数值试验得出了各尺度等效岩体单轴压缩应力-应变曲线,研究了岩体的单轴压缩力学性质及力学参数表征单元体.研究表明:随着等效岩体尺度增大,岩体峰值强度、变形模量和残余强度逐渐减小,当尺度增大到15~20m时趋于恒定,进而得到研究对象的岩体表征单元体为15m×15m×15m,该尺度岩体的单轴抗压峰值强度和变形模量分别为0.67 MPa,22.0GPa,为后续岩体工程稳定与安全评价提供了基础数据.