基于裂隙连续方法的三维裂隙岩体渗流传热数值模拟

模拟裂隙岩体渗流传热的主要困难在于岩体各种尺度上的非均质性。为了兼顾裂隙岩体渗流传热过程模拟的效率和精度,将二维裂隙连续方法拓展到三维问题中,应用深度优先搜索算法挑出对网格块渗透性有贡献的有效裂隙,综合考虑有效裂隙和岩石基质作用给出网格块的等效渗透率张量,采用Matlab对COMSOL Multiphysics有限元软件进行二次开发,生成由不同渗透率网格块组成的三维裂隙连续模型。数值模拟结果表明：裂隙连续模型结合了随机连续介质模型和离散裂隙模型的特点,既能避免处理裂隙网络的复杂性,又能考虑岩体渗透率的空间变异性,兼顾了模拟效率和精度;当岩石基质渗透率与裂隙渗透率比值的数量级在10^-4～10^-6范围内时,有效裂隙网络模型的流量计算误差会超过5%。     

岩体三维非稳定渗流模型及数值模拟

地下水是导致地质灾害发生的重要因素之一。岩体本身的复杂性及地下水在岩体内随时间而变化造成地下水在岩体内运动机理的复杂性。文章采用数值模拟方法探索地下水在岩体内的运动规律,了解其致灾机理。以岩体结构力学为基础,运用现代分形理论,建立主干裂隙分形网络;根据裂隙发育规模与工程尺度关系将岩体看作拟连续介质与块裂介质混合介质,并根据两类介质接触处水头相等及节点流量相等建立合理的三维非稳定渗流模型;给出渗流模型的有限元解法,开发出相应的有限元软件;给出算例,计算结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用及网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应;强调根据裂隙发育规模与工程尺度关系确定合理渗流模型的重要性。     

含充填节理岩体相似材料试件单轴压缩试验及断裂损伤研究

研究了单轴压缩条件下裂隙含充填与否对节理岩体力学性能的影响。以相似材料模拟脆性岩石材料制作含预置裂隙试件,在刚性试验机上对试件进行单轴压缩试验,研究了裂隙充填与否对节理岩体强度峰值及峰后塑性变形能力的影响;用有限元软件ABAQUS对试件进行断裂及损伤分析,研究了裂隙充填与否对节理岩体应力强度因子及损伤因子的影响。研究表明,在单轴压缩情况下,裂隙中含充填与不含充填相比,裂隙含充填岩体峰值强度提高、峰后塑性变形能力增强、总应变能释放率Gc降低,增大了节理岩体抵抗开裂的能力;裂隙含充填岩体环向拉应力场从分布区域及峰值都小于无充填裂隙试件;在同样外荷载作用下,裂隙含充填岩体损伤度小于无充填岩体。     

交叉裂隙渗流无网格法初探

作为两相介质的裂隙岩体,裂隙渗流是岩体渗流的主体。由于岩体的网状裂隙用传统的方法难以模拟复杂裂隙系统的水流特征。为此,基于岩体随机裂隙三维网络数值模拟,提取裂隙二维网络,并试用基于移动最小二乘近似的最小二乘法之无网格法来模拟岩体中交叉裂隙的渗流规律,通过自行编制的程序进行了简单示例与工程实例的试算,获得了较好的模拟结果,证实了无网格法模拟岩体裂隙流的可行性。     

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.      

三维网络结构岩体力学架构与展望

三维网络结构岩体力学是岩体力学的一个分支。根据笔者20余年对裂隙岩体研究的心得,阐述了三维网络结构岩体力学的主要特点、研究对象,基本架构、主要研究内容与未来的展望。将岩体结构控制论归结为材料强度控制、结构类型控制、渗流通道控制和几何边界控制4个方面。技术层面的主要内容包括三维RQD估算、岩体表征单元估算技术、结构块体搜索技术、定向投影岩体结构面三维连通率估算技术以及岩体三维渗径搜索技术等。理论层面主要由球面投影理论、概率统计理论、随机动力学、几何拓扑理论、块体理论、非线性系统理论和裂隙岩体多尺度等效结构模型等构成。强调足量的随机不连续面地质信息的原位统计取样是三维网络结构岩体力学的基础,岩体随机不连续面三维网络数值模拟技术是三维网络结构岩体力学的核心技术。     

多裂隙岩体的损伤断裂模型及模型试验

对于由裂隙、岩石组成的多裂隙岩体,本文通过对裂隙岩体内的应力、应变的体积平均,提出了适合于这种岩体的等效连续模型。运用损伤力学以及断裂力学理论,定义了岩体损伤张量、有效应力张量、损伤应变等,建立了损伤演化方程,从而建立了多裂隙岩体的损伤断裂模型。对岩体裂隙的扩展方式进行了模拟试验。     

渗透压力作用下加锚裂隙岩体围岩稳定性研究

岩体中裂隙水的存在加剧了岩体结构围岩损伤;锚杆作为岩体工程的重要支护手段,被广泛应用于岩体加固工程中。结合无损伤材料的柔度张量的概念,用裂隙附加柔度张量来表示裂隙对岩体的损伤影响;引入渗透压力附加柔度张量的概念来定义渗透压力对裂隙岩体强度的损伤影响;利用附加刚度来反映锚杆对裂隙岩体的加固作用,附加刚度求逆即得柔度张量。对渗透压力作用下锚固裂隙岩体渗流场与损伤场相互作用及耦合机制进行了深入研究;基于能量互易定理,自洽理论等,分别在压剪和拉剪应力状态下推导了渗透压力作用下加锚裂隙岩体等效损伤模型,建立了相应的计算方法,应用半解耦方法对理论模型进行了有限元程序化。在有限元程序中,将渗透体积力化为等效节点力,参与各单元间应力调整且表现为岩体变形过程中刚度的降低;锚杆锚固力等效为单元节点力,并体现为岩体整体变形刚度的提高。结合工程实际,着重讨论渗透压力作用对隧道围岩稳定性的影响。分析表明,渗透压力对岩体围岩变形破坏及稳定性的影响是不可忽略的。     

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。     

基于逆向工程建模方法的危岩体稳定性数值模拟分析

高陡岩质边坡危岩体失稳机理与稳定性评价一直是学者们关注的重点问题。相比于以定性分析为主的传统稳定性评价方法, 数值模拟分析方法在危岩体稳定性评价工作中得到越来越广泛的应用。而如何快速准确地建立复杂三维精细化地质模型, 尽可能还原岩体结构特征信息, 并与数值模拟软件进行无损对接, 进而定量评价危岩体稳定性仍是目前急需解决的问题。在野外现场调查结果的基础上, 对浙江神仙居景区神龙瀑景点处的地质灾害隐患点进行高精度三维激光扫描, 基于逆向工程建模软件Geomagic Studio, 对扫描获取的点云数据进行模型重建, 借助有限元网格划分软件Hypermesh对曲面模型进行三维实体化和网格划分处理, 再导入数值模拟软件FLAC3D中进行计算。结果表明, 神龙瀑边坡受拉破坏危岩体后缘裂隙最大拉应力接近抗拉强度, 且存在明显位移, 极有可能发生滑移-坠落。然后通过FLAC3D内置FISH语言进行二次开发, 计算结构面塑性破坏单元数目在总单元数目中的占比, 得出危岩体失稳概率为20%以上。该结果与现场灾害调查、数值分析结果相互印证, 预测了危岩体的潜在破坏范围, 提出了相应的防治措施建议。上述分析结果可为当地旅游管理部门的灾害防治工作提供理论依据和指导。     

Reinforcing a Dangerous Rock Mass Using the Flexible Network Method

Because the main failure type of a dangerous rock mass is collapse, the treatment of such a mass should focus on controlling collapse failure. When treating dangerous rock masses, disturbing the mass （e. g. by blasting） needs to be avoided, as this new damage could cause collapse. So the self-bearing capacity of the mountain mass must be used to treat the dangerous rock mass. This article is based on a practical example of the control of a dangerous rock mass at Banyan Mountain, Huangshi, Hubei Province. On the basis of an analysis of damage mechanism and the stability of the dangerous rock mass, a flexible network reinforcement method was designed to prevent the collapse of the rock mass. The deformations of section Ⅱ w of the dangerous rock mass before and after the flexible network reinforcement were calculated using the two-dimensional finite element method. The results show that the maximum deformation reduced by 55 % after the application of the flexible network reinforcement, from 45.99 to 20.75 ram, which demonstrates that the flexible network method is effective, and can provide some scientific basis for the treatment of dangerous rock masses.     

单轴压缩条件下岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征研究

岩溶化裂隙岩体是普遍发育于自然界中具有初始损伤的岩体。为了研究岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征,本文以贵州某地赋存的溶蚀岩体为研究对象,运用损伤力学理论构建岩溶化裂隙岩体在单轴压缩条件下的损伤演化模型,并建立岩溶化裂隙岩体损伤演化方程。采用颗粒流数值软件进行单轴压缩数值试验,进一步研究岩溶化裂隙岩体试件在单轴压缩条件下的损伤演化特征,分析岩溶化裂隙岩体的微观损伤特征。结果表明:岩溶化裂隙岩体的初始损伤主要包括溶蚀损伤和裂隙损伤。岩溶化裂隙岩体的初始损伤随着溶蚀率的增加而增加,最终增加速率趋于平缓;岩溶化裂隙岩体的损伤演化曲线均呈“S”型变化,先缓慢增加,再迅速增加,最后缓慢增加至损伤值1;岩溶化裂隙岩体存在异构特征,导致破坏裂隙起源于具有初始损伤的溶蚀孔洞和裂隙处,随后裂隙经历萌发、扩张和剪切作用、数量和长度增加以及裂隙贯通4个阶段后发生宏观破坏。     

淋溪河水电站地下厂房开挖过程中材料敏感性的非线性有限元分析

根据淋溪河地应力实测值,应用多元线性回归方法获得了地下厂房区的初始地应力场,并在ABAQUS中实现了初始地应力的加载。考虑岩石节理,基于ABAQUS的UEL模块开发了界面单元子程序,在此基础上重点考察了地下厂房开挖过程中围岩应力场及位移场,对洞室围岩稳定性和材料敏感性进行了综合分析,结果表明淋溪河地下厂房洞室群围岩在各种分析工况下能维持稳定状态。     

岩体初始应力场的遗传算法与有限元联合反演法

岩土工程问题的有限元分析一般需要考虑初始应力场。实际工程中,岩体往往为非线性。本文采用遗传算法与有限元联合反演法求解非线性岩体初始应力场,通过算例说明文中所提方法是合理的,可在工程应用中推广。     

The Dynamic Evaluation of Rock Slope Stability Considering the Effects of Microseismic Damage

A state-of-the-art microseismic monitoring system has been implemented at the left bank slope of the Jinping first stage hydropower station since June 2009. The main objectives are to ensure slope safety under continuous excavation at the left slope, and, very recently, the safety of the concrete arch dam. The safety of the excavated slope is investigated through the development of fast and accurate real-time event location techniques aimed at assessing the evolution and migration of the seismic activity, as well as through the development of prediction capabilities for rock slope instability. Myriads of seismic events at the slope have been recorded by the microseismic monitoring system. Regions of damaged rock mass have been identified and delineated on the basis of the tempo-spatial distribution analysis of microseismic activity during the periods of excavation and consolidation grouting. However, how to effectively utilize the abundant microseismic data in order to quantify the stability of the slope remains a challenge. In this paper, a rock mass damage evolutional model based on microseismic data is proposed, combined with a 3D finite element method (FEM) model for feedback analysis of the left bank slope stability. The model elements with microseismic damage are interrogated and the deteriorated mechanical parameters determined accordingly. The relationship between microseismic activities induced by rock mass damage during slope instability, strength degradation, and dynamic instability of the slope are explored, and the slope stability is quantitatively evaluated. The results indicate that a constitutive relation considering microseismic damage is concordant with the simulation results and the influence of rock mass damage can be allowed for its feedback analysis of 3D slope stability. In addition, the safety coefficient of the rock slope considering microseismic damage is reduced by a value of 0.11, in comparison to the virgin rock slope model. Our results demonstrate that microseismic activity induced by construction disturbance only slightly affects the stability of the slope. The proposed feedback analysis technique provides a novel method for dynamically assessing rock slope stability and can be used to assess the slope stability of other similar rock slopes.     

地下厂房岩锚梁锚杆涂沥青段有限元模拟研究与应用

基于AutoCAD和OpenGL有限元可视化建模,利用Fortran语言对模型文件中的单元信息进行改写,提出了一种在地下厂房有限元模型中生成沥青单元网格的方法,显著减少了模型单元数与节点数,提高了建模与计算效率。采用隐式杆单元法模拟涂沥青锚杆,隐式柱单元法模拟普通锚杆,推导了其刚度矩阵及有限元迭代计算公式,并应用于地下厂房岩锚梁锚杆涂沥青段的有限元分析中。结果表明,吊车梁附近围岩破坏区减少,围岩深部锚杆应力增大,说明围岩受力特性得以改善,围岩和吊车梁整体安全度增大,符合工程实践经验。所提出的计算和单元再分方法可操作性和实用性大,可为类似工程有限元分析提供参考。     

大型地下洞室群开挖支护弹塑性损伤优化研究

正在设计施工的某大型水电站地下洞室群地质条件复杂,其开挖支护方案对围岩稳定性非常重要,因此,对支护方案进行优化研究非常必要。为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤模型和损伤演化方程,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM,具有模拟开挖与支护、计算速度快、群组功能等特点。建立大型地下洞室群三维数值模型,将通过实测地应力反演的应力作为初始地应力。采用D-FEM模拟了不同支护方案洞室群的施工过程,通过分析洞室围岩的应力、位移和破损区,支护方案2的支护效果最好,建议采用此方案。考虑岩体损伤演化后与FLAC3D塑性区相比,洞室群边墙中部的破损区显著增加,因此,程序可应用于地下工程的稳定性分析     

强地震动作用下层状岩体破坏的物理模拟研究

岩体地震动力破坏现象是常见但研究较少的复杂课题。利用物理模拟试验,研究了层状岩体边坡在强地震动作用下的变形破坏问题。按结构面走向平行和垂直地震动方向,对不同岩体结构特征的模型施加不同的幅值和频率的水平向地震动荷载,进行岩体的振动破坏试验。结果表明,结构面空间展布方向与地震动荷载的相互关系不同、结构面软弱程度不同,岩体变形破坏的形式和分布特征也不相同。岩体的动力破坏主要是岩体结构的破坏,即岩体结构的宏观破坏和微观损伤,岩体结构特征是控制其动力变形破坏的主要因素。极大的不均匀性是岩体动力破坏的显著特点,这与大量极震区岩体破坏的现象类似。但岩体动力破坏模式的建立和定量的力学分析还需更多研究。     

巴东县杨家坪煤炭采空区岩体力学性质试验研究

对杨家坪煤炭采空区主要岩层进行了较系统的试验研究,包括岩体结构的野外调查、岩块与结构面室内试验及岩体力学参数经验估算,岩体结构面网络模拟等。对各种试验数据进行了分析整理,得到了岩块、结构面的物理力学性质参数。并用岩体工程分类及Hoek-Brown经验方法对各类岩体的力学参数进行了估算。在分析对比基础上,考虑了岩体所处地质条件,给出了各种岩体的计算参数建议值。有限元计算结果表明,建议参数值能较好地反映采空区岩体的力学性质。     

等效连续岩体流固耦合流变分析模型

位于地下水位线以下的岩体洞室围岩承受应力场与渗流场的耦合作用,而且其变形随时间的持续而发展。本文以岩体水力学和流变力学的基本理论为基础,研究建立了岩体应力场与渗流场耦合作用下的流变分析模型,导出了相应的流变有限元计算格式。所建立的两场耦合有限元流变分析模型,可用于对地下洞室和边坡工程等进行两场耦合流变条件下的长期稳定性分析。