随机节理岩体变形与强度参数及其尺寸效应的数值模拟研究

节理岩体力学参数及其尺寸效应一直以来都是岩体研究的热点和难点,但对于基于结构面网络模型进行数值模拟的研究尚未见报道。笔者以小湾坝基卸荷岩体为例,在对现场节理进行大量统计的基础上,分析出节理特征值的分布函数,再运用蒙特卡罗方法建立了其结构面网络模型。在此基础上,利用编制的接口程序和现有的FLAC3D岩土分析软件,实现了对随机节理结构面网络模型的不连续位移数值模拟。模拟结果表明:小湾坝基卸荷岩体变形模量与岩体尺寸的关系服从负指数分布,而强度参数与岩体尺寸的关系基本服从负幂函数分布,其结果与现场斜面载荷试验及经验评估参数结果较为接近。

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。

随机形貌岩石节理剪切-渗流数值模拟和剪胀-渗流模型

采用Hurst指数的独立分割方法构造随机形貌岩石节理剖面,基于岩石节理的CY模型构建随机形貌岩石节理剪切-渗流计算模型和数值分析方法,为研究岩石节理的剪切-渗流响应提供了理论参考。采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨剪切作用下随机形貌岩石节理剪切-渗流响应。结果表明:节理粗糙度越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;剪切过程中的节理渗透系数呈平稳增长—快速增大—渗流稳定3阶段变化,在剪切最开始短暂时候,节理剪缩使渗流偏离立方渗流准则,节理渗透系数与法向应力具强耦合关系。引入剪胀等效节理水力隙宽,建立岩石节理的非线性剪胀-渗流模型,合理地描述了不同粗糙度节理剪切过程中的剪胀效应及其对节理渗透系数的贡献。

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。

节理岩质边坡随机块体搜索的一种简便方法

节理岩质边坡存在有大量由结构面和开挖坡面组合而成的随机块体。根据结构面和坡面的组合关系,将随机块体分为坡肩双面滑动、坡面双面滑动及坡面单面滑动3种类型,并运用"野外定性判断+赤平投影法"的方法综合确定边坡随机块体的类型。在详细的野外结构面采样的基础上,运用地质统计学与计算机技术随机生成三维结构面网络图。在前人关于生成结构面迹线图、搜寻封闭回路、搜索随机块体可能出现的最大区域、交点组合的基础上,提出通过对坡面迹线三角形进行随机块体类型匹配的方法,找出符合随机块体类型要求的迹线三角形,快速搜索出坡面随机块体。工程实例模拟结果亦证实了该方法的合理性,研究成果可为节理岩质边坡随机块体的形态描述、快速搜索提供一条新的思路与方法。

岩石力学中节理网络模拟技术

本文对岩石力学中的节理网络模拟技术进行了叙述。工程应用表明:该技术具有广阔的前景。

基于离散傅立叶变换的岩石节理形貌分析与随机重构

为了进一步开展节理面细观形貌特征对其宏观剪切特性影响的数值模拟研究,提出既可以定量地对实地采集节理试样的形貌特征进行正向分析,又能够根据预定的形貌特征范围随机地进行节理试样逆向重构的傅里叶形貌分析法。分别采用传统粗糙度分析法与傅里叶分析法对50 224个实测的节理样本进行形貌分析,得到傅里叶参数计算的经验公式;确定采用离散傅立叶变换法进行不同粗糙度节理试样逆向重构时的傅里叶参数取值范围;研究成果能为快速随机重构符合一定粗糙度特性的节理轮廓,建立一个完全数字化的虚拟试验系统提供重要基础。

基于结构面参数概率分布更新的节理岩质边坡可靠性分析

岩质边坡节理裂隙通常十分复杂且其分布具有较大的随机性,准确地模拟岩体随机裂隙网络对边坡稳定性分析至关重要,然而目前的模拟方法不能较好融合结构面露头实测数据。提出基于贝叶斯更新方法优化结构面几何和抗剪强度参数概率分布,修正边坡岩体随机裂隙网络模型,其中将融合的结构面现场实测数据表征为样本分布。在此基础上,同时考虑结构面几何参数(倾角、迹长)和抗剪强度参数(内摩擦角、黏聚力)的不确定性,采用非侵入式随机有限元法进行节理岩质边坡可靠度分析。以小湾水电站左岸4号山梁边坡模型为例说明提出方法的有效性。结果表明:贝叶斯更新方法和解析解获得的结构面参数后验概率分布几乎一致,前者能够有效地融合现场实测数据降低对结构面参数不确定性的估计和优化参数概率分布,进而生成更贴近工程实际的边坡岩体裂隙网络模型和获得更客观的边坡可靠性分析结果。采用结构面参数后验信息生成边坡岩体裂隙网络模型和进行边坡可靠性分析,获得的后验失效概率显著低于边坡先验失效概率。

节理岩体地下洞室随机块体稳定性分析研究

客观存在的不确定性使得节理岩体工程不可避免地存在风险,概率分析是进行节理岩体工程风险分析评价的有效方法和手段。本文考虑节理岩体的随机特性,在关键块体理论中应用概率分析方法并结合具体工程对岩体地下洞室随机块体进行稳定性分析和预测,统计分析节理裂隙的产状特征,搜索并计算随机块体的安全性并反演得到所需的锚固力,采用随机方法分析评价系统锚杆和衬砌对关键块体的支护效果。研究方法及成果具有创新性,可为类似岩体工程的分析研究提供借鉴。

随机荷载作用下岩石节理剪切强度特性研究

连续采集某桥梁在随机车流经过时的基础支座反力,以该数据为样本来模拟桥梁的随机车辆荷载谱。以水泥砂浆为相似材料,制作有3种起伏角、3种岩壁强度的共9组人工岩石节理试件。在不同法向应力条件下,对9组试件通过施加随机荷载序列进行循环剪切试验,考察节理剪切强度的变化规律。结果表明,在随机车辆荷载序列的作用下,岩石节理的峰值剪切强度与节理起伏角、法向应力以及岩壁强度均呈正相关关系;岩石节理剪切强度随循环加载次数的增加而降低,且呈现先快后慢的变化趋势;岩石节理剪切强度的劣化速率随节理起伏角的增大、法向应力的增加和岩壁强度的降低而加快。

不规则柱状节理网络随机模拟方法研究

现场调研发现,不规则柱状节理岩体柱列横截面为不同边数多边形镶嵌组合图形。为了生成不规则柱状节理网络,基于voronoi图生成原理建立了不规则柱状节理岩体柱列横截面镶嵌组合图形的随机模拟方法,即:先将不规则柱状节理岩体区域假设为矩形区域,确定该矩形区域的范围,然后在该区域内采用随机函数生成一定数量的随机点,通过控制镶嵌组合图形不同边数多边形的比例对随机点进行筛选,得到生成voronoi图所需数据点,然后采用delaunay三角剖分算法生成voronoi图,即为所需不规则柱状节理岩体柱列横截面镶嵌组合图形,再在CAD软件中对该镶嵌组合图形进行编辑处理,即可得到不规则柱状节理网络三维模型,可为后续3D打印柱状节理网络实体模型和建立不规则柱状节理网络数值计算几何模型提供支撑。最后,以Giant’s Causeway典型柱状节理岩体为例进行其柱列横截面镶嵌组合图形随机模拟,初步验证了上述方法的可靠性。

裂隙岩体边坡稳定性评价的SVM-Monte Carlo法

针对现有边坡稳定性评价方法的不足,采用节理密度、节理中心点、节理倾角和节理迹长四个参数来定量刻画随机节理构造,通过产生服从特定概率分布的随机数来描述节理构造的随机性,提出了裂隙岩体边坡稳定性评价的SVM-Monte Carlo法,并通过某边坡实例进行验证。算例结果表明,该方法既能较好地模拟岩体边坡节理构造几何参数随机性的特点,也考虑了岩体边坡强度参数的变异性,结果更加符合实际情况,为含随机节理构造的边坡稳定性评价提供了新方法。

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。

地下工程岩体节理迹长统计下限值的确定方法

以山东某金矿为工程依托,以实际获得的岩体节理信息为样本,借助聚类分析方法及其指标,采用全面实验法,开展地下工程岩体节理迹长统计下限值的确定方法研究.从节理迹长统计下限值的定义及特征入手,借助DBI指标(Davies-Bouldin index,DBI)实现优势节理组的划分与最佳优势节理分组方案的确定.取离散性系数k是否大于或等于20作为判别节理组能否作为优势节理组的条件,采用离散性系数k及其概率分布指标n综合分析确定岩体区域节理迹长统计下限值,构建在不同岩体条件下确定节理迹长统计下限值的方法,旨在剔除随机节理,优化节理样本数据,精确获取岩体节理空间分布特征.

随机节理岩体巷道再生顶板失稳机理与控制研究

为研究随机节理岩体巷道再生顶板失稳机理及控制方法,基于龙口某矿油页岩上分层巷道节理参数统计结果,结合蒙特卡罗模拟方法,采用UDEC软件内置FISH语言编写了随机节理模拟程序,建立了随机节理岩体巷道数值模型,对随机节理岩体巷道再生顶板的失稳破坏过程及支护方式进行了模拟,并通过工程应用对数值模拟进行了验证。结果表明:再生顶板巷道开挖后预留护顶中小的易冒块体首先沿节理面滑落,之后关键块体在上部破碎岩块压力作用下沿节理面滑动下沉,当关键块体一端滑离巷帮节理面时,关键块体失稳,发生冒顶;再生顶板下预留护顶掘进巷道合理支护方式为锚索-架棚联合支护,可有效控制巷道顶板变形并防止顶板破碎块体冒落。

不同随机节理对矿岩力学变形特性的影响分析

随机节理的存在对矿岩体的稳定性产生较大影响,进而影响井下的安全生产。为了更好厘清随机节理对矿岩体产生的影响,通过现场测线法获得随机节理数据,提出了用表壁打磨粗糙的PVC塑料薄片与配比用料混合制样的随机节理模拟方法,随后进行随机节理的室内试验研究。同时提出了一种系统节理描摹法,即逐个建立含有随机节理的334个节理体进行数值模拟试验。试验结果表明:规则节理的存在对试样的抗压强度起到衰减作用,随机节理的存在对试样的抗压强度有衰减的趋势,但不存在一一对应关系,在局部范围存在反差。相较不存在节理的矿岩试样的位移能,荷载方向与节理方向垂直时,能够提高矿岩体的位移能,随着两者角度向水平方向发展,其位移能逐渐减小。说明节理并非完全对矿岩体产生不利影响,需要充分掌握井下节理分布情况,并依据文中研究成果利用节理的有利面。

复杂岩质边坡随机节理模拟及离散元稳定性分析

通过蒙特卡洛法建立随机节理边坡模型,运用赤平投影法和离散元数值模拟分析汶川县某拟建铁路隧道进口边坡稳定性。研究结果表明,该斜坡岩体有沿坡向向临空面滑移的趋势,自然工况下斜坡处于受压状态保持相对稳定,地震工况下,坡面拉应力明显,坡体后缘拉裂,并沿近水平向节理裂隙滑移。通过对边坡的破坏模式综合分析,边坡破坏模式为滑移-拉裂破坏。