岩体裂隙网络分数维计算机模拟

岩体裂隙网络的研究是一个方兴未艾的课题,而用分形几何来研究岩体裂隙网络是一种行之有效的手段,本文将介绍由笔者编制的计算机裂隙网络分数维求解方法及程序,以达到快速、便捷而又准确地求解复杂网络的分维数。     

三峡水库某库段岩体裂隙网络模拟研究

为合理评价三峡水库某库岸岩体结构特征及工程整治提供依据,对区内岩体进行了裂隙调查及网络模拟研究。研究基于Monte-Carlo模拟方法,在技术上进行了探讨和一定改进。如采用了聚类分析法确定裂隙优势产状、用直接法产生随机数、广义RQD t及裂隙线连通率的计算等。根据野外调查及计算机模拟研究,研究区发育有3组优势裂隙、平均迹长1.45 m左右。间距一般服从对数正态或负指数分布,而走向和迹长基本上不服从常规分布。裂隙线密度在3－6条/m、t = 0.1 m时RQD t值在90 %左右、t = 0.7 m时RQD t值为10 %－20 %、RQD t值变化可能影响库岸岩体在不同方向的稳定性。     

岩体裂隙网络随机生成及连通性研究

基于裂隙几何参数分布的统计特性,应用Monte Carlo模拟技术生成二维裂隙网络.利用无向图方法实现裂隙网络连通图的绘制,并比较了走向服从均匀分布和正态分布的裂隙连通概率.在此基础上,对Balberg等人提出的渗流临界裂隙数(即主干裂隙数)和临界裂隙长度估算方法进行了验证.结果表明,无向图方法可以方便、快捷地实现裂隙网络连通图的绘制;同等条件下走向服从均匀分布比走向服从正态分布的裂隙连通概率大20％左右;当裂隙连通概率大于90％,Balberg等人提出的渗流的临界裂隙数和临界裂隙长度估计值与实际参数值吻合较好,研究成果为裂隙地下水渗流计算提供了分析方法.     

岩体裂隙网络非稳定渗流分析与数值模拟

针对裂隙岩体的非稳定渗流问题,通过将Darcy定理扩展到包含干区的整个裂隙网络区域,并令潜在溢出边界条件为Signorini型互补边界条件,将湿区上的非稳定渗流问题转化为全域上的一个新的初边值问题。为降低试探函数选取的难度,建立与定义在整个裂隙网络区域上的偏微分方程（PDE）提法等价的抛物型变分不等式（PVI）提法,并给出裂隙网络非稳定渗流分析的有限元数值分析格式和迭代算法,与砂槽模型试验数据的对比分析,验证其有效性。最后,将文中发展的计算方法应用到含复杂裂隙网络的边坡非稳定渗流分析,计算结果很好地反映出边坡内部自由面随库水降落的变化规律,并能准确地描述裂隙网络内部渗流运动特征及流量分布的不均匀性。     

裂隙岩体宏观力学参数的二维数值模拟

岩体通常含许多不同尺度的裂隙,因而力学性质非常复杂。由于现场测试及常规实验室试验常受各种条件的限制,因而其不能准确反映岩体的宏观物理力学性质。本文基于有限元分析软件对二维情况下的完整岩体和含不同倾角的软弱夹层的岩体在单轴和双轴压缩下进行了数值模拟,得到岩体变形的应力-应变曲线。该类曲线能反映裂隙对岩体力学参数的影响,对于指导工程实践有一定的意义,并且为获取岩体力学参数提供了新的途径。     

裂隙岩体等效力学参数结构效应的计算机模拟试验研究

为研究裂隙岩体结构效应对其等效力学参数的影响,引入基于离散元的合成岩体技术,通过可控的改变三维岩体结构网络中的结构参数,制作相应的合成岩体试件,开展计算机模拟试验研究。结果表明：随岩体中裂隙体积密度增大,裂隙的变形参数和强度参数随裂隙密度增加而减少,其中等效弹性模量对结构面密度变化最为敏感;随岩体中裂隙倾角增加,岩体等效弹性模量随之单调增加,且等效弹性模量的离散程度（标准差）随倾角增加而减小,而各强度参数指标则先减少而后增加,形成一个U形变化规律;岩体等效力学参数均随结构面尺寸增加而减小,同时等效力学参数的离散程度（标准差）随结构面直径增加而增加,其中单轴抗压强度指标变化最为敏感;岩体等效力学参数对裂隙尺寸和产状的离散程度不敏感。该研究结论可为其他结构效应研究提供一种新思路。     

利用岩石结构面网络模拟计算岩体带宽连通率及岩体强度参数

岩体中存在的结构面对岩体的力学特性有很大的影响，研究岩体的强度参数，必须弄清结构面在岩体中的分布情况，了解结构面对岩体强度的影响程度。岩体结构面的研究起初是靠人工进行现场测量，不仅耗费人力物力，而且获取的数据代表性不强，还略显粗糙。在计算机应用飞速发展的背景下，利用计算机进行结构面网络模拟的方法浮出水面，并成为现在国内外研究结构面的主要方法之一。此方法在众多的科学研究以及工程建筑领域得到了应用，并在应用之中得到了不断的完善和发展，取得了一定的成果。文章在对计算机结构面网络模拟原理分析的基础上，主要讨论了利用结构面网络模拟计算岩体连通率和岩体强度的方法，其中着重研究了带宽投影法的原理及带宽连通率的计算过程，介绍了利用带宽连通率计算岩体强度参数的方法。利用西北某水电站实际研究中应用此方法的工程实例对成果做了评价，成果与实际情况大体相符。对结构面网络模拟方法做了综合评价：简单易行，省时省力，效果良好。     

岩体裂隙网络非线性渗流特性研究

基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,利用电荷耦合元件（CCD）照相机可视化技术,对流体在裂隙交叉点内的非线性流动特性进行研究。建立两种离散裂隙网络（DFN）模型,考虑两种边界条件,改变模型进口和出口之间的压力,直接求解Navier-Stokes（简称N-S）方程,对DFN的非线性渗流特性进行研究。结果表明,室内试验可以观测到与出口3相连的裂隙单元内发生了明显的非线性流动,且通过模型的流量Q和模型两端的压力P具有非线性关系。数值计算结果也表明,在水力梯度J较大时（比如J > 0.1）,通过DFN的Q和P具有非线性关系,而当J较小时（比如J < 10-4）,Q与P线性相关;根据文中的算例,建议利用局部立方定律求解DFN内每条裂隙的渗流特性的临界条件为J ≤10-4;裂隙表面粗糙会造成通过DFN渗流量的降低,但对相对流量误差的影响可忽略不计。     

岩体多重裂隙网络渗流模型研究

将岩体中的各种裂隙和孔隙按规模和渗透性分为4级处理,即一级真实裂隙网络、二级随机裂隙网络、三级等效连续介质体系和四级连续介质体系。各级裂隙(孔隙)都形成各自的裂隙网络,并以水量平衡原理为基础建立各级裂隙网络之间的联系,组合形成岩体多重裂隙网络渗流模型,从而较全面地反映了地下水在岩体中的运动规律,并进行了工程实例分析。      

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。     

岩体裂隙模拟的扩展有限元法应用研究

岩体中普遍存在着断层﹑节理和裂隙等结构面,这些结构面的存在和发展对岩体的整体强度﹑变形及稳定性有极大的影响。因此,研究岩体中原生结构面的萌生﹑发展以及贯通演化过程对评估岩体工程安全性和可靠性具有非常重要的理论与现实意义。扩展有限元法（XFEM）作为一种求解不连续问题的有效数值方法,模拟裂隙时独立于网格,因此,在模拟岩体裂隙扩展﹑水力劈裂等方面具有独特优势。针对扩展有限元法的基本理论及其在岩体裂隙扩展模拟中的应用展开了研究,建立了扩展有限元法求解岩体裂隙摩擦接触、岩体裂隙破坏等问题的数值模型,并将计算模型应用于岩质边坡稳定性分析和重力坝坝基断裂破坏等工程问题。     

基于结构面网络模拟的岩体深部卸荷裂隙及非均质特性研究

深部卸荷裂隙是一类非构造成因的特殊地质现象,常出现在高山峡谷地带,对工程建设有重要影响。将二维结构面网络模拟运用于模拟某水电站边坡平硐内深部卸荷裂隙和常规卸荷裂隙,在该模拟结果中布设18个虚拟钻孔,利用Autolisp编写岩石质量指标统计程序来计算岩体RQD值。并统计、对比两类裂隙岩体在不同阈值的岩体RQD值及其标准差。利用RQD值的差异将两类岩体裂隙实现区分,同时基于RQD值的标准差体现出的数据的离散性,进一步分析裂隙岩体的非均质特性。     

岩体裂隙网络矿物溶解-沉淀-迁移数值模拟

为了研究岩体裂隙网络中矿物溶解-沉淀的变化规律及其对溶质运移的影响,联合矿物溶解-沉淀动力学模型、渗流模型和溶质运移模型建立了岩体裂隙网络矿物溶解-沉淀-迁移模型,经过水溶液络合物计算和矿物成分分析,对研究区域方解石溶解-沉淀作用及溶质运移进行了数值模拟。得出的结论主要有:(1)受裂隙网络分布的影响,溶质运移分布极不均匀,溶质主要通过连通的裂隙从上游向下游迁移;(2)考虑方解石的溶解-沉淀作用之后,在溶解区域溶质浓度增加,在沉淀区域溶质浓度减少;(3)通过对比分析,可知方解石溶解-沉淀受水溶液中CO23-浓度影响较大。     

地下水封石油洞库深部岩体二维裂隙网络模拟

低渗透性的裂隙岩体是地下水封石油洞库建库的最佳选择.为研究深部岩体的稳定性及裂隙渗流特征,对深部洞库区进行了二维裂隙网络模拟.通过深部钻孔裂隙统计和地表裂隙测量统计相结合的方法,得出了洞库区剖面二维裂隙网络图和线密度图.分析了运用钻孔成像结果获得深部裂隙统计参数的优点,并对模拟结果做了进一步分析,结果显示,模拟区主要发...     

裂隙岩体力学参数的弱化处理

合理确定含裂隙岩体力学参数是岩土工程设计和岩体数值分析的基础和关键,在众多裂隙岩体力学参数弱处理方法中,Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ准则表现出很好的适用性,尤其适用于深厚覆盖层以下的岩体。结合小浪底水利柜纽工程和镇江－扬州长江公路大桥对弱化方法予以介绍和探讨。     

裂隙岩体强度试验单点法及其前景

本文在回顾裂隙岩体强度试验的基础上，用大量原位测试数据对裂隙岩体直剪破坏机理和裂隙岩体直剪破坏的基本规律及其成因进行了深入探讨；总结出一套行之有效的试验技术；给出了裂隙岩体直剪破坏时的充分必要条件并加以量化。     

岩体裂隙扩展过程的数值模拟

本文根据断裂力学理论及节理岩体的等效连续模型,探讨了岩体裂隙扩展过程的数值模拟方法,文末算例说明了方法的有效性。     

贯穿裂隙岩体强度和破坏方式的模型研究

隧道等洞室开挖后,其周边通常会产生许多贯穿裂隙,直接影响到围岩稳定。研究贯穿裂隙岩体的强度及其破坏方式对于围岩加固等具有重要意义。基于库伦强度准则,通过建立数学模型,利用 - 坐标系下裂隙面和岩块的强度曲线位置关系研究了贯穿裂隙岩体强度和破坏方式。探讨了贯穿裂隙岩体强度与裂隙面的倾斜角、黏聚力和内摩擦角及岩块的黏聚力和内摩擦角间的关系,得到了贯穿裂隙岩体破坏方式的相关判据。数值算例表明该模型能够预测在任意最小主应力下贯穿裂隙岩体的强度和任意加卸荷路径下岩体破坏方式,与传统的利用 - 坐标系下裂隙面、岩块的强度曲线和摩尔应力圆的位置关系来判断岩体破坏方式的方法相比,该模型的方法更简便有效,结论更直观,能更好地为工程设计和岩体加固提供技术支撑。     

裂隙岩体渗透性研究

提出了裂隙岩体中单一非等宽裂隙的渗透模型,探讨了对具有多组节理的裂隙岩体进行渗透性分析的方法,并以锦屏一级水电站工程为例,基于坝址区岩体节理的实际测量资料,建立渗流计算模型,对岩体的渗透特性进行评价。