论岩体表征单元体积REV——岩体力学参数取值的一个基本问题

本文论述了岩体力学性质的尺寸效应，提出了与岩体弹性参数相应的表征单元体ＲＥＶ的力学描述，根据中心极限定理推导了估算裂隙岩体ＲＥＶ 的数学表达式。研究表明，岩体表征单元体的大小是岩体力学性质尺寸效应的客观反映。本研究成果为合理选取岩体力学参数提供了一条新途径。

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。

基于分维数的土体裂隙表征单元体估算

由于干湿循环、剪切或其它作用,自然界土壤表面发育着大量裂隙。裂隙相互连接形成网络,裂隙网络是一个随机无序的系统,常规统计方法描述裂隙的分布特征存在很大的难度。网状土体裂隙一般具有分形特征,可以用分维数来进行描述。用数码相机拍摄土体表面的裂隙,将其转换成灰度图像,并结合分形理论,建立了摄影法测定土体裂隙分维数的方法,得到了土体裂隙的分维数。根据表征单元体的物理意义,建立了基于分维数估算表征单元体的方法,并对实例进行了分析。研究表明:分维数随裂隙密度,裂隙宽度和次一级裂隙发育程度的增大而增大;表征单元体与裂隙的密度均匀性和隙宽均匀性相关,基于分维数估算表征单元体的方法简便可行。

柱状节理岩体随机模拟及其表征单元体尺度研究

柱状节理岩体地质成因特殊,地质结构特点与常见岩体有很大不同,成规则或不规则柱状排列,其裂隙统计及节理的随机模拟方法也与常见岩体采用的方法不尽相同。根据白鹤滩水电站柱状节理岩体的地质构造特点及现场统计资料,以其中最为常见的一类柱状节理为例,引入Voronoi方法对其进行随机模拟,并将随机模型导入3DEC,生成三维随机柱状节理模型进行数值试验,得出其表征单元体(REV)尺度约为典型节理迹长的3～4倍。同时数值试验结果表明,平行于柱轴向(y方向)与垂直于柱轴向(x-z方向)的弹性模量及泊松比值相差较大,柱状节理显示有强烈的各向异性。x-z方向弹性模量及泊松比值相差较小,在REV尺度下可近似认为x-z方向材料性质相同,将柱状节理视为横观各向同性体进行计算和分析。

节理岩体表征单元体尺寸确定的数值模拟

从节理岩体表征单元体的力学意义出发,在通过对某物理试验结果进行模拟以验证RFPA程序模拟节理岩体强度及破裂模式具有适用性的基础上,提出一种基于RFPA数值模拟确定节理岩体表征单元体的方法。该方法基于蒙特卡洛法生成二维节理裂隙网格,实现节理裂隙的表征,将其导入岩石破裂过程分析软件中,分析节理岩体弹性模量和单轴抗压、抗拉强度的尺寸效应和各向异性,并据此确定了节理岩体的表征单元体尺寸。最后,针对某采场围岩节理面统计参数,分析讨论节理岩体的尺寸效应和各向异性,通过综合分析确定了节理岩体的弹性模量、抗压强度和抗拉强度等参数,并得出其表征单元体的尺度为6 m×6 m,这为后续的岩石力学研究奠定基础。

岩体表征单元体与岩体力学参数

在岩体多场耦合分析中,许多采用岩体表征单元体(REV)讨论岩体的渗透特性。事实上,岩体REV是岩石力学的一个基本科学问题,它是选取岩体力学模型以及确定岩体力学参数的基础。从REV的基本概念出发,阐述岩体REV的力学意义;根据岩石及岩体的结构和地质特征,定义了岩石力学中常见的6个尺度,并分析了REV与其它尺度的关系;归纳总结并提出了岩体REV的3种确定方法:能量叠加法,地质统计法,数值模拟法;讨论了岩体REV与岩体力学模型及岩体力学参数取值之间的关系;提出了岩体力学参数的"5S"相关性和岩体力学参数场的概念和分析方法。

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。

围压对节理岩体表征单元体尺寸的影响研究

节理岩体的力学特性与其赋存的应力状态密切相关,已有的岩体表征单元体确定方法均没有考虑围压对表征单元体尺寸的影响。以某公路隧道为工程背景,采用三维离散元数值方法,对此问题进行研究。基于现场大量节理量测,统计出研究区岩体的优势节理组,建立岩体结构模型及三维离散元数值模型,模拟岩体的压缩试验,研究不同围压条件下表征单元体尺寸及岩体变形和力学特性的变化规律。结果表明:当围压小于20 MPa时,表征单元体尺寸随围压增加呈正相关增大;当围压大于20 MPa时,表征单元体尺寸不受围压影响,保持不变。当围压小于60 MPa时,岩体承载力随围压增加呈正相关增大;当围压大于60 MPa时,岩体承载力不随围压增加而变化。岩体的轴向应变、横向应变和体积应变随围压的变化规律也表现出明显的围压效应。

基于块体化程度确定裂隙岩体表征单元体

表征单元体(REV,或典型单元体)的存在是应用连续介质方法研究岩体问题的前提,因此,裂隙岩体表征单元体研究是岩体力学及岩体水力学中的一个基础问题,表征单元体的存在与否可以从不同物理参数的角度进行分析。从岩体块体化程度的角度对其存在性进行了较系统的分析,把岩体中由裂隙圈闭形成的孤立块体的总体积在岩体中所占体积百分比定义为裂隙岩体的块体化程度。介绍了GeneralBlock软件的基本分析过程,利用软件建立了三维裂隙岩体模型。根据国际岩石力学学会的裂隙分级,针对5个延展性级别、7个间距级别建立了35种岩体结构模型。利用GeneralBlock对这35种岩体进行了块体识别,分别讨论了这35种岩体结构的块体化程度随着模型范围变化的波动情况。由于所建立的岩体结构模型是随机的,对每种结构的每个研究范围进行了5次随机实现。结果表明,对所有的35种岩体,表征单元体的尺寸在4～8倍间距之间,不超过8倍间距。

裂隙岩体表征单元体研究进展

裂隙岩体表征单元体(REV)研究是岩体力学的一个基本问题。通过对REV定义的讨论,分析REV的一般力学意义,认为REV是蕴含着“离散与连续”、“微观与宏观”、“随机性与确定性”辨证关系的基本力学概念。阐述裂隙岩体REV与岩体力学模型的选取及力学参数取值的密切关系,指出裂隙岩体REV是选择岩体力学模型的定量标准,集中反映岩体力学性质的尺寸效应。在总结前人研究成果的基础之上,阐述了研究裂隙岩体REV的基本思路,认为基于离散裂隙网络模拟技术的数值分析方法是进行裂隙岩体REV研究的重要手段。最后,利用Monte Carlo方法生成含有两组随机裂隙的二维岩体区域,通过有限元法分析岩体单轴受压情况下的等效弹性模量随岩体尺寸的变化规律,确定所考虑岩体的REV为9 m×9 m。

辐射流条件下裂隙岩体渗透性表征单元体尺寸与等效渗透系数

一般情况下,随着尺寸的增大,裂隙岩体的性质参数也会发生变化,当尺寸增大到某一临界状态时,该参数会保持不变,这一临界尺寸称为裂隙岩体表征单元体(REV)。依托国家某地下水封石洞油库项目,基于辐射流的REV尺寸确定方法,研究了该库址区的渗透性REV尺寸及渗透系数,得到了该库址区辐射流情况的REV尺寸为37.5 m,是迹长的1.3倍;研究了迹长、间距、岩桥长度对REV尺寸及渗透系数的影响,得到了迹长、间距对REV尺寸和渗透系数有一定的影响,而岩桥长度对REV尺寸的影响不明显;对比分析了平行流和辐射流情况下REV尺寸与渗透系数的异同,得到了采用辐射流得到的REV尺寸和渗透系数更加符合实际,并且计算较为方便。

裂隙岩体表征单元体及尺寸效应研究进展

裂隙岩体的表征单元体(REV)是岩体力学中的一个基础性概念,一直是学者们关注的焦点。结合近年来的研究成果,对裂隙岩体表征单元体最新研究进展进行全面、详细地介绍,从表征单元体研究角度与参数、研究方法以及量化方法3个主要方面进行阐述。将探讨裂隙岩体表征单元体的角度归纳为结构面及块体几何参数、岩体力学参数和水力学参数3个方面;研究方法主要包括统计学方法、解析法和数值分析法,对这些方法的研究现状进行介绍;最后对量化岩体REV尺度的常用方法进行概括总结,包括直观判断、误差及变异系数判别法、假设检验、曲线拟合法和灰关联分析。为相关研究提供一定的参考和指导。

裂隙岩体化学注浆加固后力学性质及表征单元体的试验研究

通过室内单轴压缩及剪切试验,分析了裂隙岩体注浆加固后不同试块的强度变形特征,并对注浆加固前后裂隙岩体的表征单元体(REV)进行了数值模拟研究。单轴压缩时,试样中注浆裂隙倾角不同,岩体失稳破坏呈柱状劈裂破坏、滑移-劈裂破坏及滑移破坏;随着注浆裂隙倾角α从0°增大到90°,裂隙岩体试样的单轴压缩强度呈先减小后增大的变化趋势;相比于未注浆裂隙试样,注浆有效提升了试样的单轴抗压能力,且当裂隙倾角0°<α<45°时,改善效果最为明显。通过剪切试验可以发现,岩体试样的剪切强度随裂隙与剪切面夹角β的减小而减小,且裂隙密度越大,试样强度越小。相对于注浆前,试样剪切强度能够得到一定提高,但夹角β较大时,提升效果不明显。注浆加固前后,该工程岩体REV尺寸分别约为5m和4m,注浆后裂隙岩体的REV相对变小,且REV的等效抗压强度及弹性模量与未注浆裂隙岩体相比均有一定程度的提高。研究结果表明,注浆作用改善了裂隙岩体的完整性,无论对室内试样还是实际工程岩体,都在一定程度提高了岩体的物理力学性质。

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。

低阶长焰煤细观结构定量分析与表征单元确定

表征单元体(REV)作为量化多孔介质材料尺度效应的一种基本方法,是构建煤体宏-细观跨尺度结构模型的有效手段。为提高煤体细观结构REV结果的准确性,基于煤样细观尺度下孔裂隙结构特征研究,提出了煤样细观结构定量表征方法,以煤样试件不同位置与不同破裂方向的423个尺度下的孔裂隙二值图像为依据,分别从孔裂隙分布密度、几何形状、方位定向3个角度分析了煤样细观结构的几何特性。在考虑煤体非均质性与各向异性的采样方法基础上,分析了REV尺寸的空间效应与方向效应,最后,利用变异系数法确定了合理的煤样细观REV尺寸。采用图像处理、统计学与变异系数判别相结合的方法对低阶长焰煤细观结构的定量表征与REV确定方法展开相关研究。研究结果表明:①针对灰度不均、边界模糊、对比度低的煤样SEM图像提出了一种孔裂隙结构准确识别与定量分析的方法;②确定了反映煤样各向异性的细观结构定量表征指标,包含孔隙率、整体形状因子、分形维数与定向分布系数;③与平行层理相比,垂直层理方向微裂隙更为发育,孔隙率为平行层理的2倍,大孔径孔隙贡献率为85%,具有较强的空间充填能力,孔裂隙整体形态规则性较差,但边缘形态光滑性较好,定向分布更趋于简单;④基于变异系数可接受值10%确定了煤体细观结构表征单元尺寸为200μm×200μm。

南京粉细砂空间孔隙结构表征单元体确定

确定统一的表征单元体(REV)尺寸是研究土体细观孔隙结构时首先需要解决的问题。使用6.5μm分辨率同步辐射显微CT扫描南京粉细砂试样,从土样三维重构模型的5个代表性部位提取5组立方体孔隙REV,对每个REV采用最大球算法分析,建立孔隙网络模型,从中提取孔隙率、单位体积孔隙数、孔隙平均体积、孔隙最小体积、孔隙最大半径、孔隙最小半径、孔隙平均半径、孔隙截面积平均形状因子等8个孔隙结构参数,建立其与REV尺寸间的相关性。利用假设检验T检验和F检验,最终确定样品孔隙结构参数的统一REV边长尺寸为400像素,即2.60mm。该方法可用于砂土、粉土等颗粒土体细观孔隙结构分析。

裂隙岩体几何和力学表征单元体尺寸的颗粒流分析

确定裂隙岩体的表征单元体尺寸对于准确分析工程尺度裂隙岩体的结构特性和力学特性非常重要。根据加拿大Brockville铁路隧道内裂隙分布的地质参数,采用Monte-Carlo法构建大尺寸的裂隙网络模型,计算不同尺寸裂隙网络模型的单位体积内的裂隙面积(P 32)和单位体积内的裂隙数量(P 31),确定裂隙岩体的几何表征单元体尺寸(即几何REV)。然后采用颗粒离散元方法构建不同尺寸的等效岩体模型,利用数值试验法得到单轴抗压强度和弹性模量随岩体尺寸的变化规律,确定裂隙岩体的力学表征单元体尺寸(即力学REV)。最后探讨了几何REV尺寸与力学REV尺寸之间的关系,揭示了裂隙岩体结构特征和力学特征之间的内在联系。

原位干湿循环作用下非扰动膨胀土表征单元体尺寸的测定

膨胀土具有裂隙性,反复胀缩裂隙的发展破坏了土体的连续性及均匀性,使土体表现出明显的各向异性,依托连续介质理论定义的土体表征单元体(REV)难以满足实际要求。针对不同次数现场原位干湿循环作用下的原状土试样进行3种不同尺寸(30 cm^(2),900 cm^(2),1963 cm^(2))的直接剪切试验及裂隙图像分析,从土体表面裂隙率(CIF)和黏聚力参数对膨胀土REV尺寸的影响进行研究。结果表明,未干湿循环时,原生裂隙使土体黏聚力参数表现出非连续性,试样尺寸越大,土体测试黏聚力越小,次生裂隙的发展进一步加剧了试样尺寸对测试黏聚力的影响;土体REV尺寸随着胀缩裂隙的发展而增大,且其增长速率逐渐减小,3~5次循环后趋于稳定;在同一循环条件下,依托黏聚力参数确定的REV尺寸(REV-C)约为依托裂隙率确定的REV尺寸(REV-CIF)的1.75~2.97倍。CIF可作为表征土体裂隙状况的基本指标,在胀缩裂隙影响下,膨胀土的CIF均值与不同最大允许误差所确定的REV尺寸呈正相关,且相关系数均大于0.9。本研究提出了一种基于裂隙图像确定裂隙膨胀土REV-C的方法,并给出研究区域内膨胀土在不同暴露时间下直接剪切试验的REV尺寸大小。

基于非均质系数的裂隙岩体表征单元体研究

表征单元体(REV)是岩体力学中的一个基础性概念,其存在性是确定岩体等效参数和应用连续介质方法进行研究的前提条件。为综合反映裂隙大小、产状和密度对岩体REV的影响,本文提出采用岩体非均质系数HI来确定岩体的REV。首先,详细介绍了非均质系数的概念和含义。利用General Block软件建立了中等间距-中等延展性(MS1-MP1)裂隙的网络模型,并完成20次随机实现。从各模型中选取10个不同尺寸的岩体模型计算非均质系数,结果表明:非均质系数具有明显的尺寸效应,当岩体尺寸不小于8 m时,非均质系数的平均值和标准差分别为0.5和0.14,综合确定该岩体的REV为8 m。采用HI对三峡地下电站厂房围岩的研究表明,该岩体的REV为60 m,可作为非连续介质方法适用性的判断标准。HI是从岩体结构角度提出的新指标,适用于确定岩体的REV和统计范围,对岩体的统计分析和等效参数研究具有重要意义。

沥青混合料表征单元体与变形特性尺寸效应研究

从表征单元体的力学意义出发,通过自编MATLAB随机投放程序嵌入的AUTOCAD命令,利用生成的三相几何模型导入到离散元软件中,模拟沥青路面的单轴压缩试验,分析弹性模量与尺寸效应的关系。结果表明:对于沥青路面面层的厚度,存在使其力学性质稳定的最小值,即REV。此表征单元体的尺寸为14 cm,且水平向和竖向弹性模量的尺寸效应不同,表征单元体的研究对于沥青路面的变形及其性质稳定有重要的理论意义,同时对于资金的投入控制有一定的实际意义。