基于三维节理网络模拟的坝基岩体结构分类研究

以金沙江白鹤滩水电站左岸坝基岩体为研究对象,开展了基于三维节理网络模拟的坝基岩体结构分类研究。根据节理的分组分布和密度分布进行统计均质区分段,以分段为单位建立基于统计学和概率论的三维节理网络模型。在三维节理网络模型的模型正面、模型侧面和模型顶面上分别沿形心等角度布置模拟测线,将3个正交平面上54条模拟测线的RBI均值定义为三维等效岩体块度指数RBI3D,以RBI3D作为评价指标开展坝基岩体结构分类。结果表明：左岸第10梯段坝基岩体的完整性相对较好,其中整体块状占53.3%,块状占26.7%,次块状占20.0%,分析结果与实际地质情况相符。该方法充分考虑了节理分布的空间各向异性,并采用单一定量指标作为岩体结构的分类依据,兼顾了科学合理性和工程实用性。     

裂隙网络模拟与REV尺度研究

研究了利用平面四边形模拟节理岩体三维裂隙网络的方法。在生成裂隙网络时,同时考虑结构面几何参数和力学参数的随机性。利用裂隙网络研究了确定岩体REV尺度的指标。在此基础上,编制了岩体裂隙网络模拟程序、裂隙网络图形输出程序和岩体REV尺度指标分析程序。通过算例分析,验证了研究成果及程序的合理性,并得出了岩体REV尺度约为各组裂隙中最大迹长期望值3~4倍的结论。研究成果为后续计算岩体等效力学参数奠定了基础。     

基于钻孔电视的深部岩体节理三维网络模拟

为了准确模拟岩体节理的空间分布,评价高放废物地质处置库围岩的稳定性,先通过调查露头节理数据,运用概率统计理论进行节理几何特征模拟,再利用Monte-Carlo法来模拟节理空间分布特征,并以高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩体为研究对象,通过钻孔电视调查不同深度节理几何特征,划分钻孔岩体结构均质区,提出钻孔节理产状、大小、密度的统计方法和计算公式,以均质区建立节理三维网络模型并通过数据对比法进行模型验证。结果表明：1）利用列联表卡方检验和重叠窗口法可将天湖钻孔岩体划分为0~90、120~240、270~360和390~600 m等4个均质区;2）利用SPSS软件以及基于节理直径、迹长和隙宽之间的数量关系得出节理产状服从正态分布,节理直径服从负指数分布;3）通过数据对比法得出模型统计和现场测量的节理平均产状数据相差±3°以内,平均直径相差±1 m以内,平均面密度相差±0.01 m^-2以内,从而验证了Monte-Carlo法建立的节理三维网络模拟的准确性。     

基于GSI值量化和修正方法的岩体力学参数确定

为了准确确定岩体力学参数,通过综合分析多种地质强度指标(GSI)量化方法,提出了一种改进的GSI值量化和修正方法。首先,利用测线法估算结构面平均间距(d)和岩体块度指数(RBI)的改进型岩体块度率(RBR),根据岩体三维结构面网络,获得岩体体积节理数(Jv)和岩体结构等级(SR),然后采用上述参数和结构表面条件(SCR)及结构表面特性参数(Jc)进行了GSI值的定量化处理。为了克服GSI体系的缺点,考虑结构面产状和地下水对岩体力学性质的影响,提出了GSI值的修正方法和公式。以某铅锌矿体的矿岩体为例,根据改进的GSI值量化和修正方法及Hoek-Brown强度准则来确定矿岩体力学参数,通过与原位变形试验的对比分析,验证了该方法的精确性和可行性。该方法为从室内岩石力学试验合理地获取节理岩体力学参数提供了理论及实现的依据。     

修正水电HC法在地下厂房洞室围岩分级中的应用研究

水电HC法的岩体完整程度以完整性系数K_(v)为定量指标,但完整性系数K_(v)值的测试难度较高,不利于现场测试特别是施工阶段的频繁测定,且受测试环境及岩体风化状态的影响,测试结果的准确性难以得到保证。岩体体积节理数J_(v)是对节理密度的三维统计,能较好地反映节理密度,根据《工程岩体分级标准》中的间距法,可以在现场快速准确的获得。目前国内外常用的几种围岩分级方法中,其评价指标都与岩体体积节理数J_(v)存在密切的联系,通过引入岩体体积节理数J_(v)值,并结合完整性系数K_(v)值,综合表征岩体的完整性程度,减小完整性系数K_(v)值的误差给围岩分级结果带来的影响,从而获得了符合实际情况的修正水电HC围岩分级方法,并成功应用到了河南五岳抽水蓄能电站地下厂房围岩分级中。相关研究方法可以为类似工程围岩分级提供参考。     

岩体结构面网络模拟技术研究进展

主要介绍了岩体结构面网络模拟技术的研究进展，通过近期的研究，结果面网络模拟技术得到了进一步的完善与发展，特别是三维模拟技术的出现使岩体结构面网络模拟技术更加实用，表现出比二维模拟更大的优势，可以较好地解决空间岩体力学问题，具有良好的应用前景。     

结构面三维网络模拟在岩体质量评价中的应用

岩石质量指标RQD是反映工程岩体完整程度的定量参数,广泛用于水利水电、矿山、地下工程、交通工程等岩体稳定性评价,但是传统的RQD定义不能满足实际工程岩体各相异性要求。针对贵州黔中水利枢纽工程拱坝坝基岩体结构面特征,利用Monte-Carlo法在计算机上生成岩体节理三维网络图,建立了模拟计算不同阀值t的岩石质量指标RQDt的计算机模拟方法。该方法能较真实客观地描述岩石质量。     

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。     

非均质共面断续节理岩体拉伸剪切破裂机制研究

工程开挖面附近卸荷扰动区的岩体,受结构面和拉应力共同影响作用,其变形和破坏具有拉剪复合特征。为研究节理岩体的拉剪力学特性,基于颗粒离散元法针对共面断续节理岩体开展了系列数值模拟研究。通过假设粒间接触的力学参数服从Weibull分布表征岩体的非均质性,探讨了非均质性、均质度、法向拉应力和节理连通率对节理岩体拉剪强度和破坏模式的影响。研究表明:拉剪应力条件下非均质性节理岩体主要沿阶梯型破裂面破坏,剪应力-水平位移曲线可以分为线性变形阶段、非线性变形阶段、峰值及峰后阶段;随均质度提高,节理岩体的剪切强度逐渐增加且提升幅度逐渐减弱,趋于均质岩体,岩体中微裂纹由弥散型分布向破裂面集中;节理岩体峰值剪切强度和法向拉应力的大小呈非线性负相关关系;岩体剪切强度随节理连通率增加而显著降低。     

工程岩体完整性评价的实用方法研究

采用结构面统计与结构面结合特征识别相结合的方法,从结构面几何发育特征和结合特征两方面评价工程岩体完整性。用体积节理数评价结构面几何发育特征,并引入岩体几何完整性系数Ig来表征。根据结构面张开度和充填胶结特征将其结合程度分为5级,给出各级的定性特征描述,并引入结构面结合程度系数Ip对其量化。进而定义了岩体完整性指数将岩体完整性划分为完整、较完整、破碎、较破碎和极破碎5级,并给出对应的定性特征描述和Irm值区间。结合公路隧道工程实例,分别采用文中方法、声波测试法和体积节理数测量法对隧道围岩完整性进行了评价并对评价结果进行了比较。结果表明,文中方法得到的岩体完整性指数Irm与声波测试法得到的Kv基本一致,而体积节理数量测法的评价结果整体上大于声波测试方法。     

节理化岩体复合式滑移破坏的模型试验研究

针对节理化岩体的自身特点,提出沿岩体层面产生的应力集中以及层面与节理之间的残余完整岩桥破坏,将可能导致岩体产生复合式滑移破坏。并在室内利用岩石三轴刚性伺服机,通过模型试验对岩体的层面和一组与层面正交的节理的情况进行模拟研究,分析了结构面性状和围压对复合式滑移破坏的影响,给出了在贯通性结构面(层面)倾角、非贯通性结构面以及围压等因素共同作用下,节理化岩体发生复合式滑移破坏的条件以及破坏面特征。在与前人的试验资料进行对比分析的基础上得到可靠的结论,期望为在将来的实践工作中正确评估节理化岩体的破坏模式提供指导性意见。      

基于广义RQDt的岩石质量空间分布规律研究

自然界中的岩石通常含有大量复杂交错的结构面,造成岩石质量在三维空间中存在明显的各向异性。作为评价岩石质量的重要参数,岩石质量指标(广义RQDt)被广泛应用于岩体工程。结合三维裂隙网络模拟法和测线法,对岩体质量在三维空间不同方向上的分布规律进行研究:首先根据研究域岩体的裂隙统计参数及分布规律,利用Monte-Carlo法生成三维随机裂隙网络;然后通过在研究域内布置监测点和测线的方式来计算监测点处RQDt值随空间方位的变化,得到岩石质量空间分布图,以此来直观描述岩体质量沿空间不同方向的分布。将该法应用于某工程坝区岩体质量评估,表明该方法简单且具有较强的实用价值,可较全面描述岩体质量在空间方向上的分布规律。     

利用"岩体裂隙率"评价工程岩体的质量

本文提出用建立在岩体结构面网络三维模拟基础上的“岩体裂隙率”来表征岩体的质量。它可以用来衡量结构面的发育程度及岩体的完整性，评价岩体质量，用于工程岩体分类。     

基于单元劈裂法的岩体黏结型结构面数值模拟

节理岩体中富含结构面等不连续体,其中很多结构面之间具有一定黏结强度,在冲击荷载作用下会发生脱结（debond）行为,从而消耗岩体应变能。在该结构面之间的黏结性质在很大程度上决定着岩体的破坏行为,发生脱结后,结构面之间不再具有黏结强度,岩体的力学性能发生弱化。为了对该类结构面进行模拟,在改进的Xu-Needleman势函数基础上推导出结构面单元,并将其嵌入到单元劈裂法中,模拟结构面的开裂过程,当结构面完全脱结后结构面单元就转化为一般节理单元。相应地,在数值实现过程中只是将结构面单元替换为一般节理单元即可。该结构面单元与单元劈裂法相结合,能够有效地模拟节理岩体的破坏过程。     

开采沉陷三维损伤有限元分析

针对上覆岩体结构的复杂性,将节理、裂隙及正交各向异性岩体视为损伤岩体,建立了裂隙损伤岩体三维动态有限元分析模型,给出了较详细的三维仿真模拟有限元实施格式,完成了可考虑多种工程因素且能在WINDOWS下运行的三维模拟软件。分析模拟结果显示,对岩体结构复杂性的处理方式是可行的,所研制软件是有效的。     

岩体结构面水力学模型及应用

本文提出岩体结构面适应性平行板模型和该模型的参数确定方法——三段压水试验新解释,新的模型有益于克服将结构面圆盘模型应用于地下水模拟中的局限性;基于结构面起伏度对地下水流动的影响,导出了起伏度修正系数解析表达式。     

节理化岩体复合式滑移破坏的模型试验研究

针对节理化岩体的自身特点,提出沿岩体层面产生的应力集中以及层面与节理之间的残余完整岩桥破坏,将可能导致岩体产生复合式滑移破坏。在室内利用岩石三轴刚性伺服机,通过模型试验对岩体的层面和一组与层面正交的节理的情况进行模拟研究,分析了结构面性状和围压对复合式滑移破坏的影响,给出了在贯通性结构面（层面）倾角、非贯通性结构面的以及围压等因素共同作用下,节理化岩体发生复合式滑移破坏的条件以及破坏面特征。最后在与前人的试验资料进行对比分析的基础上得到可靠的结论,期望为在将来的实践工作中正确评估节理化岩体的破坏模式提供指导性意见。     

岩体裂隙三维可视化新方法及其应用

快速准确地识别岩体裂隙的三维分布特征是西南山区铁路防灾减灾的关键.本研究提出了一套岩体裂隙可视化新方法,基于测窗调查的裂隙数据,依托球坐标及极射赤平投影进行数字化处理及降维,利用K-Means++聚类算法、Fisher分布模型和蒙特卡洛模拟,完成裂隙产状数据的自动分组和模拟,最后运用Python及圆盘模型实现岩体裂隙三维可视化.本研究采用坐标变换和三角网格曲面的方式,更有利于与其他三维建模软件嵌套分析.水电站工程的先行应用研究表明产状数据服从Fisher分布,本文的模型相对于传统玫瑰花图和施密特图有着一定的优势.因此,本文建立的岩体裂隙模型具有直观快速反映区域裂隙网络三维分布特征的优点,研究成果可以直接服务于西南山区铁路施工阶段隧道掌子面及洞壁的节理裂隙三维识别以及防灾减灾研究.      

用三维激光成像技术调查高陡边坡岩体结构

论文针对“罗盘 皮尺”传统模式调查高陡边坡岩体结构中的缺点,提出了三维激光成像技术调查高陡边坡岩体结构的新方法。利用三维激光成像技术可获得完全实景的数字模型,并在该数字模型上可直接量取点、线、面和三维实体空间坐标,从而进行结构面产状、迹长与连通率、间距等岩体结构特征参数计算和地质剖面切图。最后,以营盘山陡崖边坡为例,详细阐述了三维激光成像技术调查高陡边坡岩体结构特征参数方法及过程。结果表明,利用三维激光成像技术所得的结构面产状、间距等岩体结构特征参数要优于传统的“罗盘 皮尺”量测结果。因此,三维激光成像技术的引入,必将引发岩体结构特征参数测试技术革新性的发展。     

节理岩体体积节理数Jv的新计算公式

岩体体积节理数Jv的定义,按照《工程岩体分级标准》采用节理间距或频率较为恰当;本文研究了岩体内发育一组、二组、三组贯通性节理的情况下,Jv定义的适宜性,指出节理正交的情况下Jv的适宜性最好,推导出Jv的修正系数为K1=|sin(n1,n2[DD(-1][HT5SS]^[HT][][DD)])||cos(n1n2,n3[DD(-1][HT5SS]^[HT][][DD)])|,研究表明:节理夹角越小,对Jv的影响越大;通过连通率等效途径,断续节理岩体的Jv计算公式为Jv=K1[DD(][]i[DD)]Sini(i3)。运用该公式可实现工程岩体裂隙发育程度的科学评价。