白山抽水蓄能泵站地下厂房的岩体力学参数反演

根据白山抽水蓄能泵站地下厂房开挖过程中的变形观测数据,提出了一种基于响应面法的岩体力学参数反演方法。该方法利用响应面函数建立了岩体力学参数与围岩变形之间的非线性关系。通过有限元数值模拟确立了响应面函数中的系数。定义参数反演的目标函数,将参数反演问题转化为优化问题。分别采用拟牛顿优化算法和遗传算法求解参数反演的目标函数,得到了地下厂房的岩体力学参数。根据反演确定的岩体力学参数,对地下厂房围岩的开挖变形进行了数值模拟,研究表明,有限元模拟的地下厂房与现场观测值基本一致,验证了反演方法的有效性。     

锚固节理岩体等效力学参数三维离散元模拟

节理岩体是工程边坡的重要研究对象,通过数值模拟（3DEC）的方法研究了加锚节理岩体的力学特性。以龙滩水电站左岸边坡的锚固设计为例,推导了边坡加锚节理岩体的等效力学参数,进行了岩石数值单轴压缩试验、直剪试验以及岩体结构面直剪试验,对数值试验的结果进行了误差分析和修正,确定出加锚节理岩体的等效力学参数为：岩石的变形模量、内摩擦角、内聚力不变,结构面的内摩擦角不变,内聚力由50 kPa提高到122 kPa。所得结论与采用物理试验的试验结果相符,验证了用数值模拟方法进行岩石力学试验的可行性和可靠性。     

基于现场试验的岩体变形模量尺寸效应研究

岩体力学参数具有随机性和不确定性,合理确定岩体力学参数是岩土工程稳定性分析的基础和关键。以某水电站前期研究的110个钻孔弹模测试数据为研究样本,对其进行了统计特征分析,确定变形模量的概率分布特征更符合Weibull分布。以钻孔弹模仪承压板尺寸为岩体变形模量研究的样本尺度,岩体由该尺度的岩样叠加而成,建立了不同尺寸的立方体岩体数值分析模型,按照Weibull分布随机给出各岩样的变形模量,在此基础上对不同尺寸的岩体分别进行5 000次单轴压缩试验的数值模拟,得到了不同尺度岩体等效变形模量的变化特征,确定了岩体等效变形模量的REV。基于现场实测岩体变形模量与概率统计理论相结合研究岩体变形模量是一个新的尝试,可为该水电站工程岩体力学参数的合理取值提供依据。     

考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价

鉴于目前关于节理岩体力学参数空间变异性表征及存在潜在滑移面边坡的可靠性问题研究较多,但对于岩质边坡力学参数空间变异性影响及开挖卸荷响应(变形与塑性区)不确定性分析的研究较为有限。提出考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价方法,该方法以室内岩石力学试验及现场地质勘察测绘数据为基础,利用Hoek-Brown经验准则与Monte Carlo分析手段,构建了以岩石单轴抗压强度(uniaxial compressive strength,简称UCS)、地质强度指标(geological strengthindex,简称GSI)和节理工程参数为输入的边坡岩体力学参数概率统计模型,并采用卡方检验进行模型的吻合度检验;基于点估计原理构建岩体力学参数组合方案,并结合数值模拟开展边坡开挖过程的仿真分析,获得边坡开挖后整体安全系数及位移及塑性区的概率分布。利用该方法对在建京秦高速沿线某路堑边坡岩体力学参数及开挖卸荷响应进行分析,得到了岩体强度、弹性模量、黏聚力与内摩擦角的取值及不确定性分布,采用点估计与FLAC^3D模拟分析,得到了边坡安全系数及典型观测点的位移与塑性区分布结...     

鄂尔多斯盆地华庆地区天然裂缝与岩石力学层演化:基于数值模拟的定量分析

岩石力学层控制天然裂缝发育程度与成因机制,同样地,裂缝发育也会影响岩石力学参数的大小与各向异性.受成岩与构造作用的双重影响,岩石力学层会发生迁移,因此,控制裂缝发育的岩石力学层及适用于预测天然裂缝分布的岩石力学层可能不再存在.本文提出了一种采用储层地质力学方法分析构造因素控制下的岩石力学层迁移规律模拟方法 .通过野外观测建立三维裂缝离散网络模型,采用岩石力学实验测量岩石与裂缝面的力学参数,编制三循环法模拟程序研究不同尺寸、不同方位的裂缝性岩体等效力学参数,提出了裂缝性储层地质力学建模最优网格单元大小确定方法,并建立了裂缝参数与岩体力学参数间的数学模型.最后,通过不同时期古应力场数值模拟,预测裂缝的密度、产状,实现了构造因素控制下岩石力学层迁移规律数值模拟.结合鄂尔多斯盆地西缘裂缝组合样式及后期应力场模拟的精度要求,确定地质力学建模最优网格单元大小为28 m;在地质力学建模中,过小的网格单元尺度不能完整刻画单元内的裂缝发育模式.从燕山期至喜马拉雅期到现今,伴随着天然裂缝的发育,岩体杨氏模量总体呈下降趋势,泊松比增大,并且岩石杨氏模量与泊松比间的空间差异性逐渐减小.     

卸荷条件下锚杆对节理岩体力学参数的影响

岩体在加载和卸荷条件下,其力学性质有本质的区别。采用数值模拟方法,以ADINA软件为计算平台,研究了卸荷条件下,锚固密度、锚杆长度和岩体性质3个因素对节理岩体力学参数的影响。采用等效变形参数的方法计算节理岩体和锚固体的等效变形模量和泊松比。在分析数值计算结果的基础上,分析了加锚后等效变形模量En与锚固密度N和锚杆长度L之间的关系。     

复杂构造条件下煤矿上覆岩体移动规律研究

在复杂构造矿区,为了能有效地减缓由于地下煤层开采而引起的地面沉陷量,就必需对复杂地质特征的上覆岩体的移动规律作一深入的研究和探讨,本文通过数值模拟方法,对"入"字型断层模型的上覆岩体的移动规律进行了不同过程和力学参数情况下的分析,得到了复杂断层上覆岩体的非线性移动过程和与力学参数有关的变形特征.     

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。     

矿山采动卸荷岩体力学参数劣化规律研究

矿山开采对采动影响区域内的围岩形成扰动,弱化岩体力学性质,其参数劣化规律是数值模拟与分析计算的主要问题之一。以铜坑矿92#矿体连续采矿顶板诱导崩落试验采场为对象,运用卸荷岩体力学理论,确立了开挖卸荷岩体力学参数计算模拟的计算流程。结合有限元数值模拟方法,建立了岩体卸荷等效模型,进行了6步连续卸荷的计算,得到了地下连续采矿顶板卸荷岩体力学参数的变化规律,并运用多项式实现了卸荷岩体力学参数与卸荷量变化值的函数拟合,获得了采动卸荷岩体力学参数的劣化规律。结果显示,卸荷第6步时,计算不收敛,表明此时顶板已经完全破坏而发生崩落;在卸荷过程中,岩体力学参数均呈逐渐弱化的趋势,其中内摩擦角、凝聚力和弹性模量随开挖卸荷的推进呈逐渐减小的趋势,最终的参数分别相当于初始值的55%、50%和50%,但泊松比呈逐渐增大的趋势,最终值相当于初始值的1.15倍。其结果说明了采动卸荷导致了岩体质量的劣化,卸荷岩体力学参数与卸荷量的函数为采动卸荷力学响应的动态分析提供了理论基础。     

基于岩体精细化描述的围岩分类及力学参数概率分布特征分析

针对目前水电站地下厂房工程中不同围岩分类方法存在评价结果不一致、围岩力学参数存在室内试验值与实际情况不吻合的现象,现推荐采用岩体精细化描述体系对围岩岩体结构进行定量化评价。将常用围岩分类方法(RMR、Q、RMi、GSI、BQ、HC)评价指标予以归纳分组,并通过各组内不同指标对比分析获得围岩分类方法中的基础评价指标。以大岗山水电站主厂房某区段为分析对象,采取现场岩体精细化地质素描与后期数据挖掘、拟合相结合方法,并依据评价指标间的关联关系,获得了基础、非基础评价指标的分布概型及对应参数,实现对该段围岩岩体精细化描述认知;基于精细化描述结果,应用Monte Carlo法生成符合各评价指标分布概型的大量随机数,而后参照各分类方法评价思路与评分流程,得到评价指标在各分类方法对应的大量随机评分值,通过归纳统计获得不同围岩分类方法评价结果的分布概型;基于各围岩分类方法评价结果与力学参数值之间的关联关系实现对力学参数概率特征分析。该分析方法与思路可为类似工程围岩质量及力学参数的精确确定提供一定借鉴,并可为实现围岩支护极限状态设计提供必要的原始参数支持。     

云锡大屯锡矿岩体力学参数的确定

阐述了岩体力学参数研究的重要性,系统地介绍了几种国内外常用的岩体力学参数的确定方法及其原理。以云锡大屯锡矿岩体力学参数研究为例,并以其室内试验得出的岩石物理力学参数和岩体质量评价RMR值为基础,采用这些方法对岩石物理力学参数进行工程折减弱化处理,计算得出其岩体力学参数。其结果对比分析及其推荐值的工程应用结果表明：将最新的Hoek-Brown准则、室内试验、M.Georgi法和费森科法四者相结合来进行分析,得出的岩体力学参数更为合理,提高了工程岩体力学计算精度。     

含缺陷空间变异性岩体裂纹扩展的近场动力学模拟

天然岩体内部含有微裂纹,其裂纹的发展贯通机制一直是岩石力学研究的热点问题。此外,岩体物理力学参数的空间变异性,也会影响其强度及破坏演化过程。本文采用了一种新的随机近场动力学方法(RPD),并对含缺陷岩体单轴压缩下的裂纹发展进行模拟,该方法结合了近场动力学方法在模拟裂纹发展及随机场方法在表征材料参数空间变异性方面的优势,使所建模型更接近真实岩体状态。利用MATLAB编程并依托含单一倾斜预制裂缝模型进行了计算程序的准确性验证。结果表明,所采用的随机近场动力学方法可以很好地模拟裂纹发展过程,预制裂缝倾角对后续裂纹发展有较大影响。此外,不考虑岩体物理力学材料参数空间变异性的存在时,会大大低估裂纹发展速度。     

顺层岩质边坡稳定性极限分析上限法

基于极限分析上限法理论,运用体积力增量法,考虑单层滑动面极限分析模型的缺陷,建立考虑含结构面的多岩层错动的任意块体模型,利用岩块体在外荷载作用下达到极限破坏时,外荷载做的功与岩体消耗的功相等为基础建立等式方程,由此推导得到此类边坡稳定系数的计算公式。在分析典型边坡算例的基础上,对比离散元数值模拟结果,验证了该方法的可行性和适用性。对云南省普宣高速公路某顺层岩质边坡进行计算,其稳定系数接近离散元数值模拟结果,数值稍有偏大,边坡稳定。其研究结果为此类边坡稳定性评价提供了一种新的计算方法。     

地下洞室岩体变形模量的尺寸效应研究

变形参数是岩体工程变形计算、稳定性评价的前提,岩体变形参数的合理取值一直是岩土工程界关注的热点和难点之一.由于岩体力学参数存在随研究尺度不同而变化的特性,被称之为岩体力学参数的尺寸效应,因此由室内试验获取的岩石力学参数,甚至现场试验获取的岩体力学参数,均代表不了岩体工程尺度实际的力学特性,不能直接用于工程实际.为获取能...     

节理岩体力学性能不确定性分析方法研究

基于连续介质损伤力学框架,通过损伤张量和有效应力来描述节理岩体的力学性能,自主研发了基于损伤力学模型的有限元程序（CD-FEM）,用于节理岩体等效力学性能研究。同时,采用Karhunen-Loeve（K-L）展开来分解随机输入场,用混沌多项式来表示随机输出场,采用概率配点法生成配点,再由连续损伤有限元分析系统CD-FEM求解确定性方程组,最终得到输出域的统计数据,从而提出了一种将随机分析与基于连续损伤力学模型的数值分析方法解耦进行节理岩体不确定性力学行为分析的方法。利用该方法,对一典型节理岩体在加载条件下的力学行为进行不确定性分析,并与蒙特卡罗方法进行对比,结果表明,所提方法的计算量大大减少,极大地提高了节理岩体力学性能不确定性分析的效率,可应用于对节理岩体在不同载荷条件下的不确定性进行分析。     

隧洞围岩收敛损失位移的求取方法及应用

隧洞围岩变形监测断面设置与开挖施工工序上的先后导致了损失位移问题,它对于判断围岩的变形状态、评价其稳定性具有重要的意义。复杂多变的围岩条件使基于收敛曲线的累积位移和增量位移参数反演方法的应用变得非常谨慎。针对这些问题,通过对一致性问题的讨论后认为,虽然变形演化规律上的一致性尚存在问题,但三维计算和现场围岩的总位移之间的一致性是可以保证的。以此问题为前提,以Hoek经验公式的通式为基础,依据规范规定,基于现场监测收敛位移曲线,建立了损失位移的求取步骤,并将其在锦屏II级水电站辅助洞A、B围岩变形规律分析中进行了应用,得出了两个监测断面各测线的最终监测位移收敛值、损失位移、总收敛位移和相对收敛值等,拟合而得的全收敛曲线与监测曲线相吻合,能够很好地描述现场围岩随空间效应变化的演化规律,为围岩稳定性评价和基于全位移的参数反演分析奠定了基础。     

锦屏电站坝厂区卸荷岩体力学参数研究

选择具有代表性的区块,根据结构面的性状和规模拟定模型层次和尺寸,建立岩体数值仿真模型,通过计算机数值仿真,采用卸荷非线性力学理论对锦屏电站坝厂区岩体进行卸荷岩体宏观力学特性及参数的数值分析;同时,用RMR法和BP神经网络法对岩体宏观力学特性及参数进行分析,综合确定岩体力学参数,为设计部门提供设计参考依据.     

土岩组合岩体中抗拔桩极限承载力的确定

为全面探究土岩组合岩体中抗拔桩的极限承载力,结合工程岩土参数及试验数据,运用Flac3D数值分析软件对其进行数值模拟分析,即可得到土岩组合岩体中抗拔桩的极限承载力。基于被动状态下的Kotter极限平衡方程式求解土层提供的抗拔力,根据岩石强度,基于Hoek-Brown破坏准则求解抗拔桩嵌岩端岩体的抗拉强度,从而可计算得到嵌岩端岩体的抗拔力;由静力平衡原理,叠加土层及嵌岩端岩体提供的抗拔力及破坏锥体重量,即可得到土岩组合岩体中嵌岩抗拔桩的极限承载力理论解析式。在嵌岩深度较小的情况下,该解析式的理论计算值与数值模拟分析值相接近,但随着嵌岩深度的增加,理论计算值会偏离数值计算值。故结合数值模拟试验值,对提出的极限承载力理论解析式作进一步的修正,得到修正后的极限承载力解析式能反映嵌岩端岩石风化程度、嵌岩深度、土层厚度、桩长对极限承载力的影响。运用修正后的解析式对该地质条件下不同抗拔桩的极限承载力计算表明：数值模拟结果与理论计算结果相吻合,说明所建立的抗拔桩极限承载力解析式的方法是可行的。同时,运用该方法可确定类似工程中嵌岩抗拔桩的极限承载力。     

Estimation of Block Sizes for Rock Masses with Non-persistent Joints

Summary  Discontinuities or joints in the rock mass have various shapes and sizes. Along with the joint orientation and spacing, the joint persistence, or the relative size of the joint, is one of the most important factors in determining the block sizes of jointed rock masses. Although the importance of joint persistence on the overall rock mass strength has long been identified, the impact of persistence on rock strength is in most current rock mass classification systems underrepresented. If joints are assumed to be persistent, as is the case in most designs, the sizes of the rock blocks tend to be underestimated. This can lead to more removable blocks than actually exist in-situ. In addition, a poor understanding of the rock bridge strength may lead to lower rock mass strengths, and consequently, to excessive expenditure on rock support. In this study, we suggest and verify a method for the determination of the block sizes considering joint persistence. The idea emerges from a quantitative approach to apply the GSI system for rock mass classification, in which the accurate block size is required. There is a need to statistically analyze how the distribution of rock bridges according to the combination of joint orientation, spacing, and persistence will affect the actual size of each individual block. For this purpose, we generate various combinations of joints with different geometric conditions by the orthogonal arrays using the distinct element analysis tools of UDEC and 3DEC. Equivalent block sizes (areas in 2D and volumes in 3D) and their distributions are obtained from the numerical simulation. Correlation analysis is then performed to relate the block sizes predicted by the empirical equation to those obtained from the numerical model simulation. The results support the concept of equivalent block size proposed by Cai et al. (2004, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 41(1), 3–19).