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.

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。

非贯通随机节理岩体的结构效应对地下洞室地震响应的影响

为研究非连通随机节理岩体的结构效应对地下洞室地震响应的影响,首先探讨了二维节理网络的生成原理,给出了结构效应影响的5个表征参数,即节理密度、节理倾角角度、节理倾角离散程度、节理迹长长度和节理迹长离散程度。以大岗山水电站主厂房洞室为背景工程,研究节理岩体结构效应对地下洞室地震响应的影响。结果表明,相同地震动水平下节理密度增加则洞室地震位移增加;节理角度在0°~80°范围内时,随节理倾角增加洞室的地震位移增加;节理离散程度较大时,随节理倾角离散程度减小洞室的地震位移减小,但当节理离散程度较小时则基本无影响;随节理迹长长度增加,洞室地震位移也增加;节理迹长的离散程度则对对洞室地震位移影响较小。结论可供节理岩体中地下洞室的抗震设计参考。

地震作用下露天矿节理岩质边坡稳定性数值模拟研究

为研究地震作用下节理边坡的稳定性,以蒙特卡洛方法建立了随机节理裂隙网络模型,运用离散元程序3DEC开展了地震作用下某露天矿边坡稳定性的数值仿真研究。结果表明:地震作用下,坡底部位振动强度、位移等明显强于坡顶部位,坡体节理裂隙对地震波的传播能量具有显著的削弱作用,坡底主要表现为剪切破坏模式,日常生产过程中需加强坡底结构抗震能力。

破碎压实岩体节理宏观力学参数研究

为解决随机分布节理面力学参数的科学估算,在实验室内选用不同粒径级配的破碎岩块进行压缩,获得不同压实率下的压实体试件。对压实体进行单轴压缩试验,记录其轴向应力应变曲线的同时分析压实体节理迹长概率分布函数和范围;其次,通过正交试验和数值模拟的方法构造单轴压缩数值模型,选用与试验轴向应力应变曲线最接近的模拟曲线的节理力学参数,作为该压实体的节理力学参数。最后结合实际现场,利用得到的压实体节理力学参数,研究不同压实程度下再生顶板巷道顶板稳定性。得出了在破碎岩块粒径越小,压实率越大的情况下,再生顶板越稳定的结论。

基于改进力学等效的岩体关键节理倾角特征试验研究

为了在复杂随机节理网络中甄别出对岩体力学特性影响显著的关键节理,实现节理网络的合理简化,以倾角为变量进行含随机节理网络试样破裂力学特性研究。根据Monte Carlo理论构建随机节理网络,分别剔除某一倾角并采用3D打印技术制备7种节理试样,开展单轴压缩试验。采用变异系数法改进力学等效分析方法,综合试样强度、变形和能量特性探究关键节理倾角特征。研究结果表明:(1)试样峰值应力和弹性模量随剔除节理倾角的增加呈增大-减小趋势,而峰值应变呈减小-增大趋势。(2)试样峰前弹性能密度随剔除节理倾角的增加呈增大趋势,耗散能密度呈减小-稳定-增大趋势。(3)基于变异系数法确定7种力学参数所占权重,综合分析力学特性认为各倾角节理均对试样存在显著影响,其中90°和45°倾角影响最为显著,15°倾角影响最小。

基于力学等效的岩体关键节理迹长阈值研究

为了在复杂节理网络中获得关键节理,为结构面选择性测量提供科学定量标准,实现节理网络的简化,以迹长为变量研究关键节理迹长阈值。采用3D打印技术,并根据Monte Carlo理论制备随机节理网络模型,浇筑成100 mm×20 mm×100 mm平板试样,在单轴压缩作用下对类岩体完整性系数、强度、变形和能量特性进行了分析,基于节理岩体力学等效原理,研究确定关键节理的迹长阈值。研究结果表明:(1)节理迹长是影响试样力学特性的核心要素之一。当剔除小于某一长度节理时,试样强度、变形和能量特性均无显著变化。(2)基于主成分分析和高斯混合模型聚类算法,建立节理岩体力学等效分析方法,实现鉴于多种力学参数岩体质量分类,进而对比力学不等效试样节理网络差异,形成一套关键节理迹长阈值研究方法。(3)综合考虑9种物理力学参数,认为试样边长的19%为关键节理的迹长阈值,对试样力学特性影响显著,为未来人工智能分析节理岩体工程如何科学取舍节理提供理论依据。

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.