随机裂隙岩体渗流-应力耦合分析的块体单元法

视岩石裂隙为一种“充填介质”,进而将有填充物和无填充物的裂隙统一处理,推导了裂隙面的刚度系数、导水系数和法向应力之间的关系式。在此基础上,根据块体单元法的应力、渗流分析的基本原理,即认为岩块为刚体、变形集中发生于裂隙面,假定岩块不透水、渗流仅通过裂隙面进行,并考虑了法向应力和裂隙面刚度、导水系数的关系式,运用两场交叉迭代法,提出了三维随机裂隙岩体渗流与应力耦合分析的块体单元模型。编写了相应的Fortran程序,该程序将块体元的应力、渗流两个分析模块整合在一起,计算效率较高。该模型的最大优势是能考虑大规模复杂的节理、裂隙,且前、后处理简单。通过沙沱重力坝的分析,验证了方法的准确性和有效性     

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。     

裂隙岩体的多孔介质水力等效性研究

工程岩体中数量众多的裂隙面限制了离散裂隙网络模型在岩体渗流中的应用,迫使人们寻找能够用理论上成熟的等效连续介质模型替代,这就要求进行岩体多孔介质的水力等效性研究。在野外大量实测裂隙的基础上,进行裂隙密度、方位、大小、延续性、开度等几何参数的统计分析,以Enhanced Baecher模型建立离散裂隙网络随机模型,采用Monte-Carlo随机模拟方法进行三维裂隙网络随机模拟。在所生成的一定尺度的三维裂隙网络图基础上,给出计算研究域REV的方法,通过判断REV是否存在,确定能否用等效连续介质模型分析岩体渗流。     

三维应力作用下岩体单个裂隙的渗流特性分析

天然岩体中存在着大量的孔隙和裂隙,这些缺陷不仅改变了岩体的力学性质,也严重影响了岩体的渗流特性。在对现有裂隙岩体渗流特性研究成果进行分析的基础上,讨论了岩体单个裂隙的力学性质和渗流对单个裂隙岩体产生的力学作用,研究了岩体单裂隙渗透系数与岩体三维应力的关系,考虑了裂隙粗糙度对渗流的影响以及不同方向应力对渗透性影响的差异,分析了单个裂隙岩体在三向应力作用下的渗流特征,得出了裂隙所受三维应力与渗透系数关系式,认为垂直于裂隙面的应力对岩体渗透性起主导作用,岩体渗透系数随垂直裂隙面应力的增加而迅速减小。通过与渗流规律试验结果对比分析,证明了所得单个裂隙岩体渗透系数表达式的正确性。     

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。     

裂隙岩体渗流场的无单元法模拟及渗流特性研究

裂隙岩体因含有发育程度不同的裂隙、节理和断层等不连续面,致其渗透性具有各向异性、不连续性等特点,因此传统的有限元法对分布密集的裂隙岩体渗流场求解有一定的难度。本文提出了采用无单元Glaerkin法求解有自由面裂隙渗流问题,并推导了无单元法求解渗流场的基本方程和积分格式,给出了应用罚函数法处理渗流边界条件和自由面处理方法。采用IDL语言编制了二维无单元法计算软件LIDAREFM。文中以北京怀柔桥梓镇某裂隙岩体边坡渗流场计算为例,研究了复杂裂隙共同作用下渗流场特性和自由面分布,讨论了不同开度、不同连通程度的裂隙对渗流场的影响。研究结果表明:无单元法可以较好地解决有密集裂隙的岩体渗流场的求解问题,实现了裂隙处结点任意加密以及积分网格的独立布置,避免了对有自由面和裂隙穿越的子域的重新处理,简化了渗流问题的求解过程。     

基于块体化程度确定裂隙岩体表征单元体

表征单元体（REV,或典型单元体）的存在是应用连续介质方法研究岩体问题的前提,因此,裂隙岩体表征单元体研究是岩体力学及岩体水力学中的一个基础问题,表征单元体的存在与否可以从不同物理参数的角度进行分析。从岩体块体化程度的角度对其存在性进行了较系统的分析,把岩体中由裂隙圈闭形成的孤立块体的总体积在岩体中所占体积百分比定义为裂隙岩体的块体化程度。介绍了GeneralBlock软件的基本分析过程,利用软件建立了三维裂隙岩体模型。根据国际岩石力学学会的裂隙分级,针对5个延展性级别、7个间距级别建立了35种岩体结构模型。利用GeneralBlock对这35种岩体进行了块体识别,分别讨论了这35种岩体结构的块体化程度随着模型范围变化的波动情况。由于所建立的岩体结构模型是随机的,对每种结构的每个研究范围进行了5次随机实现。结果表明,对所有的35种岩体,表征单元体的尺寸在4～8倍间距之间,不超过8倍间距。     

作用在岩体裂隙网络中的渗透力分析

从岩体裂隙网络渗流的特点出发, 以单裂隙渗透力分析为基础, 分析了二维及三维情况下岩体裂隙网络渗流对岩体裂隙壁施加的两种作用力: 垂直于裂隙壁使裂隙产生扩容的法向渗透静水压力以及平行于裂隙壁和裂隙水流方向一致的切向动水压力, 推导出二维及三维情况下裂隙单元因这两种作用力而产生的等效结点力, 并应用算例定量分析了岩体裂隙网络渗透静水压力和动水压力共同作用对岩体应力的影响, 结果显示: (a)渗透力作用下裂隙上部岩体压应力减小, 而裂隙下部岩体压应力增大, 最大压应力增大 10 .5 3%; (b)渗透力作用下裂隙岩体拉应力增大, 最大拉应力增大 9.0 9%; (c)裂隙渗透力使岩体剪应力增大, 最大值达 2 3.75 %。     

基于三维裂隙网络模拟的有限块体面积判断法

水工建筑物深开挖边坡中大量出现的随机楔体,他们是由广泛分布于裂隙岩体中的结构面切割而成。首先应用随机不连续面三维网络模拟技术建立不连续的概率模型,在此基础上,搜索出临空面迹线上所有的闭合凸多变形,根据文中提出的“面积判断”法,判断块体是否为有限块体。工程实例模拟的结果说明了该方法的合理性。     

非饱和裂隙岩体渗流的统计模型研究方法

常规方法研究非饱和裂隙介质往往采用宏观连续体的概念,然而现场试验证明,非饱和裂隙岩体中的渗流具有相当的非均质性。天然裂隙岩体的非饱和渗流是发生在三维裂隙网络中的多场非等温流,要在不完整的信息基础上刻画和表现介质的不均匀性,通常借助随机模拟的手段。将三维裂隙系统近似为概化的二维非均匀多孔介质的二维平面裂隙。采用模拟退火法将取自各种来源的信息资料通过建立适当的目标函数汇集至模型之中,以此模拟裂隙的空间特征。     

低温裂隙岩体水-热耦合模型研究及数值分析

裂隙渗流会引起裂隙周围岩体中的温度场变化,在低温岩体中其影响更为明显;此外,裂隙水与周围低温岩石介质发生热交换会引起裂隙中的水冰相变过程发生,而裂隙水冻结将阻碍裂隙渗流,引起裂隙渗流场的变化。因此,低温下的裂隙岩体水-热相互作用是一个强耦合过程。考虑裂隙中的水冰相变过程和渗流作用,建立了低温冻结条件下裂隙岩体水-热耦合模型;以冻结法施工为例,考察了低温冻结过程中裂隙水渗流对裂隙冻结交圈的影响。研究结果表明：由于裂隙渗流的存在,距裂隙较远处岩石先冻结,裂隙冻结所需时间远大于周围岩石;裂隙宽度和裂隙水压力差都会影响冻结交圈时间,裂隙越宽、水压力差越大,裂隙冻结需要时间越长;随着冻结时间的推进,裂隙水渗流速度逐渐降低,当裂隙冻结后裂隙渗流停止。最后通过构建随机裂隙网络模型,利用所建立的水-热耦合模型考察了裂隙网络渗流对冻结交圈的影响,说明了在冻结法施工中考虑裂隙的重要性。     

Flow–stress coupled permeability tensor for fractured rock masses

In this paper a new analytical model is proposed to determine the permeability tensor for fractured rock masses based on the superposition principle of liquid dissipation energy. This model relies on the geometrical characteristics of rock fractures and the corresponding fracture network, and demonstrates the coupling effect between fluid flow and stress/deformation. This model empirically considers the effect of pre‐peak shear dilation and shear contraction on the hydraulic behavior of rock fractures and can be used to determine the applicability of the continuum approach to hydro‐mechanical coupling analysis. Results of numerical analysis presented in this paper show that the new model can effectively describe the permeability of fractured rock masses, and can be applied to the coupling analysis of seepage and stress fields. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。      

双重孔隙-裂隙岩体中洞室变形及强度各向异性的三维有限元分析

将确定双重孔隙-裂隙介质凝聚力及内摩擦角的方法与描述介质强度各向异性的微结构-无迹张量方法相结合,引入到三维有限元程序中。以简单的算例,通过解析解与数值解的比较,验证了所开发的有限元程序的可靠性。针对一个假定的位于被3组正交裂隙所切割的围岩中的矩形洞室,使用Mohr-Coulomb准则进行弹塑性数值模拟,就不同的工况分析了围岩中的位移、应力及塑性区的状态。计算结果显示：裂隙组的不同展布及组合使得岩体的变形及强度性质有着不同的各向异性,从而相应地导致围岩中的位移、应力及塑性区的分布与量值产生明显的差异。     

Seepage and Deformation of Fissured Rock Mass

Seepage law of fissured rock masses is presented in this paper. The Navier-stokes equation is demonstrated available to describe seepage law of rock masses by testing study. The dynamical seepage pressure in rock masses makes great effect on deformation of rock masses, results in opining of fissure and deformation of rock masses. The seepage and deformation of rock mass and dynamical seepage pressure is studied. The experimental results are checked with Bossiness formula, and are closed to the computing data.     

裂隙岩体中的渗流与岩体变形

本文介绍裂隙岩体的渗流规律。我们通过试验认为应用纳维-斯托克斯(Narier-Stokes)方程描述岩体的渗流规律是可行的。岩体中的渗透动水压力对岩体的变形有重要的影响,渗透动水压力导至裂隙的张开、岩体变形,并影响岩体的稳定性。裂隙的张开引起渗流量的增加。我们应用原位(现场)试验的方法测量岩体的变形和渗流量,并研究渗透水压力与岩体变形的关系。试验成果用布希内斯克(Boussinesq)公式检查,表明其与计算结果比较接近。     

Influence of three-dimensional roughness of rock fracture on seepage characteristics based on the digital image technology

Digital image processing technology can objectively reflect the surface roughness of coal and rock mass fractures and turn physical properties such as fluctuation height to physical data of the rock fracture surface to be used for numerical analyses; thus, it can effectively be applied to the seepage flow analysis of rock fractures. First, clear digital images of the fracture surface height are obtained under the same camera conditions, and then characteristic function values specific to various structure are normalized. Subsequently, the fluctuation height distribution of the rock surface is restored according to the measured fluctuation heights of local points. Finally, according to the surface fluctuation of fractures, invasive restructuring is carried out for three-dimensional fractures in the same coordinate system. Obtained physical parameters on the three-dimensional fractures of the rock are inputted into the COMSOL Multiphysics software to obtain the characteristic three-dimensional model of the rock fracture surface. The numerical analysis results are compared with experimental data on fracture seepage obtained from a seepage coupling true triaxial test system, and the relevance between the simulated result and the physical experiment is higher than 90%, which confirms that the integration of the digital image technology and the numerical analysis method can effectively simulate seepage in rough fractures. The hydraulic gradient of rough fractures and seepage velocity are also consistent with Forchheimer flow characteristics.