估算异性岩石不连续面峰值剪切强度的经验公式

长江三峡库区广泛发育着两侧岩性不同的不连续面(称为异性不连续面),研究其峰值剪切强度可为相关岩体的稳定性分析和评价提供理论依据。采用高强石膏浇注3组不同形貌且上、下壁面强度不同的不连续面试件,并在不同常法向应力下进行剪切试验。引入不连续面壁组合系数λ来综合量化不连续面壁的抗压强度和基本摩擦角对异性不连续面峰值剪切强度的影响,λ越小,上、下不连续面壁强度差异越大。异性不连续面的峰值剪切强度随λ的增加呈非线性增加,且在高法向应力下更为显著。在Barton公式的基础上,通过多元回归分析建立了估算异性不连续面峰值剪切强度的经验公式。采用天然和人工锯齿形异性不连续面的直剪试验结果对新公式做了进一步验证,试验剪切强度与新公式预测值吻合较好。简要分析了新公式在软硬互层岩质边坡稳定性评价中的应用。最后,讨论了Wu公式的适用性以及新公式的优点和不足。

水力裂缝穿越非连续面扩展时的断裂过程研究

非连续面发育是非常规油气储层的显著地质特征之一,水力裂缝能否穿越非连续面扩展会关系到压裂的改造效果。为研究水力裂缝穿越非连续面扩展时断裂过程区(fracture process zone,简称FPZ)发育特征,采用自主设计的可视化压裂试验装置对含预制摩擦界面的砂岩平板试件开展水力压裂试验。基于数字图像相关法实时监测了水力裂缝正交穿越界面扩展过程中的位移及应变场特征。试验结果表明,水力裂缝穿越界面扩展之前,断裂过程区已经开始跨越界面发育;裂缝能否穿越界面扩展在FPZ的初始发育阶段已经注定,不受FPZ内应力软化过程影响。基于Renshaw-Pollard准则建立了考虑FPZ边界范围的裂缝穿越非连续面扩展准则,并通过前人及文中试验数据进行了可靠性验证。相比而言,改进准则更准确地考虑了裂缝前端线弹性断裂力学的适用范围。研究发现FPZ长宽比对裂缝穿越界面扩展准则有显著影响,相同条件下,FPZ长宽比越大,裂缝正交穿越界面扩展所需要的摩擦系数下限值越小。

岩石不连续面内颗粒剪切力学性质的数值试验研究

采用PFC研究不同法向应力下颗粒充填岩石不连续面的剪切力学性质,重点关注颗粒形状(以长、短半轴长比a/b表示)和组合方式的影响。结果表明:①单颗粒的剪切运移和破坏可归纳为滚动、滚动-滑动、压碎-滚动运移和碾碎、滚动-压碎破坏5类,取决于法向应力和颗粒形状,不同破坏类型下微裂纹演化特征明显不同;颗粒的破碎程度整体随法向应力的增加而增加,随a/b的增加而降低,不连续面壁磨损程度随法向应力和a/b的增加而增加;张拉裂纹是引起颗粒及不连续壁面破坏的主要原因;颗粒破碎后形成的碎屑混合物的尺寸分布可用幂指数(或分形维数)D表征,D越小,颗粒破碎程度越低。②充填同种形状的双颗粒时,颗粒及不连续面壁表面的细观粗糙度是造成剪切力学性质差异的主要原因;充填不同形状的双颗粒时,a/b较大的颗粒承担了更多的压剪荷载,破碎程度更高;颗粒间的摩擦也对其表面磨损及剪切运移破坏过程产生重要影响。③不连续面的平均摩擦强度与充填碎屑混合物的尺寸分布密切相关,a/b增大或法向应力减小导致生成的较大角砾状碎块数量增加,进而引起总体摩擦强度增加。提出了估算颗粒充填不连续面平均摩擦强度的经验关系式,并通过文献中的数据对该公式进行了初步验证。

非洲南部地壳与上地幔地震波速度与径向各向异性特征及其对克拉通岩石圈中部不连续面的启示

克拉通地区发育的岩石圈中部不连续面(Mid-Lithosphere Discontinuity,MLD)对于理解克拉通的形成与演化有着重要的意义.非洲南部的卡普瓦尔克拉通(Kaavpvaal craton)较为稳定,是研究MLD地震学特征及其成因机制的一个重点区域.本研究基于多个地震台网105个台站记录的700多个地震事件的面波波形,通过Rayleigh波和Love波成像,构建了非洲南部地壳与上地幔的三维剪切波速度与径向各向异性模型.研究结果表明,卡普瓦尔克拉通的地壳与上地幔呈现相对高速异常,其岩石圈与软流圈界面(LAB)出现在约220 km深.另外,我们在卡普瓦尔克拉通岩石圈内部约100 km深观测到一个速度突变面,可解释为MLD,并在MLD下方观测到低速层.而各向异性在上地幔的垂直方向上并未显示明显的区域性突变,似乎暗示MLD的地震各向异性特征更为复杂.结合前人的研究成果,我们推测卡普瓦尔克拉通MLD与上地幔低速层的成因可能与温度密切相关.而镁值成分异常或岩浆侵入则会局部的改变该克拉通(尤其是其北部)上地幔速度.针对MLD与上地幔低速成因的研究还需结合更多的地球物理数据和岩石实验结果.本研究为理解克拉通的演化提供重要的基础.

裂隙化岩体不连续面密度的分形研究

不连续面密度是表征岩体内部不连续面分布特征的重要参数之一,但是岩体内不连续面的分布是随机的、不规则的,要想准确获得岩体不连续面密度的真实值是不可能的。基于现场调查的岩体露头不连续面特征,借助计算机模拟技术建立岩体不连续面分布的二维、三维随机裂隙网格模型,从数理统计学的角度计算岩体不连续面密度数值。并基于分形理论计算岩体不连续面分布的二维、三维分布特征,尝试建立岩体不连续面密度与分维数的数学关系。计算结果表明,岩体不连续面密度与分维数具有相同的变化趋势,随着不连续面分维数的增大,不连续面密度增大,不连续面密度与分维数之间存在线性关系。研究结果表明,不连续面分布的体密度和三维分形维数,可以更加综合地反映岩体内部不连续面的分布特征和空间信息及对岩体强度参数的影响,对工程应用具有更好的实际作用。且在此基础上,提出基于不连续面分布的体密度和三维分形维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。

三维空间中非连续面对水力压裂影响的试验研究

油气储层常发育断层、天然裂缝、节理等非连续面,其产状、地应力状态对水力裂缝扩展路径会产生重要影响。尤其是在致密油气藏、页岩油气藏等储层中,其天然裂缝影响着水力压裂后的裂缝网络。利用真三轴水力压裂试验设备,模拟了水力裂缝在具有不同产状非连续面的人造岩体中的扩展行为,并分析了泵压曲线的特征。试验结果表明:水平主应力差存在临界值(5~7 MPa),小于该临界值,水力裂缝不可能穿透非连续面;非连续面走向角和地应力差异系数越大,水力裂缝越容易穿透非连续面;非连续面倾角跟水力裂缝的扩展行为没有明显的关系;穿透试验中的泵压曲线跟没穿透试验中的泵压曲线差别明显;压裂曲线峰值泵压均随水力裂缝中点到储层中非连续面的最短距离(简记为DNF)增大而递减。与非连续面的倾角相比,走向角是影响水力裂缝穿透行为的关键因素;准确预测油藏中水力裂缝扩展路径,有必要准确获取非连续面产状和三向地应力场;根据泵压曲线的特征,可判断水力裂缝是否穿透非连续面和定性的判断DNF,为油田现场评价水力压裂效果提供参考。

不连续面在双重介质热-水-力三维耦合分析中的有限元数值实现

在建立双重介质热-水-力耦合微分控制方程的基础上,提出了裂隙岩体热-水-力耦合的三维力学模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,开发了双重介质热-水-力耦合分析的的三维有限元计算程序,在有限元数值分析中不连续面应力计算采用等厚度空间8节点节理单元进行离散,而不连续面渗流和热能计算时采用平面4节点等参单元进行离散,这样保证了不同介质之间的水量、热量交换和两类模型接触处节点水头、温度和位移相等。通过高温岩体地热开发算例,揭示了在热-水-力耦合作用下不连续面处于低应力区,其张开度随运行时间的延长呈非线性增加,非稳定渗流阶段不连续面显著地控制着渗流场的整体分布,它的水头远高于拟连续岩体介质的水头,而进入稳定渗流阶段不连续面的控渗作用不明显,由于高温岩体地热开发系统中存在大规模的热量补给,不连续面对岩体温度场分布的影响并不显著。

岩体不连续面的几何特性与剪切强度的关系

利用新开发设计的三维非接触式激光表面形状测定仪，在精确测定岩体不连续面的表面形状的基础上，建立了新的岩体不连续面的分形几何模型，模型中的两个分形参数定量表述了岩体不连续面表面形状的几何特性（一级倾斜度和高级次起伏度），并进一步提出了由这两个分形参数组合得出的代表岩体不连续面表面粗糙特性的平均粗糙角U的概念和计算方法．最后，结合岩体不连续的剪切强度实验，建立了剪切强度与分形参数以及平均粗糙角U间的定量关系．

基于统一强度理论分析不连续面对岩体强度的影响

基于统一强度理论,对含有结构面的岩体,在平面形式下引入材料统一强度参数ct,φt,推导了含单个节理裂隙岩体材料的统一强度公式,即考虑中间主应力的岩体破坏强度公式,并分析了其有效范围。运用硅藻质软岩和石膏的三轴试验结果,验证了所建立的公式的正确性,并分析了具有不连续面岩体的强度随中间主剪应力作用系数b的变化。结果表明,岩体强度随b值的增大而增大。根据岩土材料统一强度参数的确定方法,计算并分析了b值对强度参数的影响,从而说明强度参数随着b值的变化而变化。

岩体随机不连续面产状数据划分方法研究

动态聚类算法从本质上讲是单目标组合优化算法,一般需要事先给定目标分类数和初始聚类中心,且初始聚类中心的选择对数据划分结果影响较大。为了解决该问题,提出将产状数据的划分问题转化为多目标优化问题,并采用小生境Pareto遗传算法进行求解。针对聚类问题的特殊性,采用基于链表的编码方案,并建议相应的遗传操作算子;通过引入小生境技术和Pareto支配集理论,仅通过一次求解可由Pareto支配集给出对应于不同目标组数的最优分组结果,而且不用事先给定目标组数以及初始聚类中心。最后,将算法应用于三峡船闸高边坡岩体实测不连续面产状数据的划分,得到较为符合实际的优势结构面分组。

样本窗口中不连续面体积密度的评价与应用

不连续面体积密度是三维网络模拟的基本参数之一 ,体积密度的取值合理与否直接关系到模拟结果的可信度。对不连续面体积密度的求解已经有一些方法 ,本文提出了一种较为简捷的求解方法 ,并应用于实际的模型模拟 ,得到了预期的效果。

无网格伽辽金法(EFGM)模拟不连续面

无网格伽辽金法 (EFGM)是最近出现的一种新的数值方法。该法只需节点信息 ,不需将节点连成单元 ;此外 ,还有精度高、后处理方便等优点。本文论述如何用该法模拟不连续面 ,并给出算例。

用窗口法估计不连续面的连通率

基于不连续面与窗口交切的必需而充分的条件，推导了不连续面迹长、间断长和不连续面连通率的估算公式，通过实例验证了该公式的正确性。

岩体不连续面迹长与直径间的概率关系模型分析

由于"随机"概念的模糊性,在假定不连续面为薄圆盘及弦长作为迹长的前提下,基于迹线端点在圆周上均匀分布、迹线中点在直径上均匀分布、迹线中点在圆面域内均匀分布这3种明确而又不同的"随机"含义,可以得到3种合理的迹长l与直径d间的概率关系模型。通过对这3种模型进行分析认为:其在各自的"随机"含义下都是正确的,只是适用条件各异;野外实际可行的条件是介于模型2和模型3之间的,合理地分析应该同时考虑这两种模型。在实际应用中,应该首先对所有取样面产状之间的关系进行分析,根据其结果来分配给模型2和模型3以某种权重,这样得到的迹长与不连续面直径之间概率关系更具合理性,其结果弥补了目前国内外进行的相关研究仅仅考虑到第2类模型的不足。

不连续面的分形维数及其在渗流分析中的应用

本文根据岩体的地质特征和赋存环境，论述了不连续面的分形性质及影响因素，统计归纳了已有不连续面的分形维数与粗糙度系数的关系，建议用倾斜试验估计分形维数。最后，探讨了不连续面形态的分形模拟和开度分析方法及在不连续面渗流分析中的应用。

连续面形微光学元件的深刻蚀工艺

利用电感耦合等离子(ICP)刻蚀技术,在石英上刻蚀深连续面形微光学元件。分析了影响 深刻蚀工艺的烘焙条件、气体组分、自偏压和刻蚀温度等主要工艺参数,并对影响深刻蚀稳定性、均匀性、刻蚀污染与损伤等因素进行了探讨。通过实验,在石英上制作出深达55微米的浮雕微柱透镜,其面形峰值误差小于3%。

不连续面平均速长概率估值法及其应用

在进行不连续面３－Ｄ网络模拟过程中，不连续面的大小是一个重要的参数，该数据主要来源是在现场露头上测量不连续面出露的迹长。由于取样中不可避免的偏差而使结果有误差，在进行平均迹长估计时取样的误差必须予以校正，本文介绍一种用概率的方法考虑取样误差通过有限２－Ｄ露头上测量的不连续面数据求算无限２－Ｄ空间平均迹长的技术。该方法可以借助计算机进行处理。

边坡稳定分析的非连续面拓扑优化技术

土工结构稳定性的极限分析方法研究一直是热点问题。提出的非连续面拓扑优化技术（DTO）的主要特征之处在于稳定性问题的极限分析根据节点及其连线而不是单元或实体来进行构造。替代的近似过程主要采用适量的栅格节点来离散问题几何域,临界破坏机构则由节点间的连线集构造而成。基于Mohr–Coulomb屈服准则构造目标函数,并通过优化来确定极限荷载系数。结合离散构造特征,引入孔隙水压力和安全系数,DTO可拓展处理涉及地下水的边坡稳定问题。DTO是建立临界破坏模式和确定相应安全系数的有效工具,而无需考虑滑移面的入口/出口限界或点的约束与假设。本研究以复杂条件下的边坡稳定性为例,深入分析DTO和其他各种方法所得结果的一致性和差异性。相关比较表明,对于材料特性要求高、几何边界和荷载作用条件复杂的边坡稳定分析而言,DTO技术是一种可靠的替代分析手段。

基于交切条件的不连续面平均迹长估算法

从不连续面与窗口交切的充要条件出发，推导了窗口法不连续面测量的平均迹长估算公式。

矿井不连续面冲击地压发生过程分析

本文在分析断层等不连续面冲击地压现象的基础上，用岩体的振动与断层间的刚体错动的叠加来描述不连续面冲击地压发生过程．提出阶层上下两盘刚体滑动的稳定与非稳定的形式；分析了振幅越来越大的不稳定振动．断层冲击地区发生时，岩体位移是岩体的振动与断层间的刚体错动的叠加．指出了发生断层冲击地区的影响因素及原因，