基于交切条件的不连续面平均迹长估算法

从不连续面与窗口交切的充要条件出发,推导了窗口法不连续面剖面测量的平均迹长估算公式,实例分析表明用雇在算的平均迹长与实测平均迹长吻合较好。     

估算异性岩石不连续面峰值剪切强度的经验公式

长江三峡库区广泛发育着两侧岩性不同的不连续面（称为异性不连续面）,研究其峰值剪切强度可为相关岩体的稳定性分析和评价提供理论依据。采用高强石膏浇注3组不同形貌且上、下壁面强度不同的不连续面试件,并在不同常法向应力下进行剪切试验。引入不连续面壁组合系数λ来综合量化不连续面壁的抗压强度和基本摩擦角对异性不连续面峰值剪切强度的影响,λ越小,上、下不连续面壁强度差异越大。异性不连续面的峰值剪切强度随λ的增加呈非线性增加,且在高法向应力下更为显著。在Barton公式的基础上,通过多元回归分析建立了估算异性不连续面峰值剪切强度的经验公式。采用天然和人工锯齿形异性不连续面的直剪试验结果对新公式做了进一步验证,试验剪切强度与新公式预测值吻合较好。简要分析了新公式在软硬互层岩质边坡稳定性评价中的应用。最后,讨论了Wu公式的适用性以及新公式的优点和不足。     

不连续面平均速长概率估值法及其应用

在进行不连续面3-D网络模拟过程中, 不连续面的大小是一个重要的参数, 该数据主要来源是在现场露头上测量不连续面出露的迹长。由于取样中不可避免的偏差而使结果有误差, 在进行平均迹长估计时取样的误差必须予以校正, 本文介绍一种用概率的方法考虑取样误差通过有限2-D露头上测量的不连续面数据求算无限2-D空间平均迹长的技术。该方法可以借助计算机进行处理。     

不连续面平均速长概率估值法及其应用

在进行不连续面３－Ｄ网络模拟过程中，不连续面的大小是一个重要的参数，该数据主要来源是在现场露头上测量不连续面出露的迹长。由于取样中不可避免的偏差而使结果有误差，在进行平均迹长估计时取样的误差必须予以校正，本文介绍一种用概率的方法考虑取样误差通过有限２－Ｄ露头上测量的不连续面数据求算无限２－Ｄ空间平均迹长的技术。该方法可以借助计算机进行处理。     

基于摄影测量获取岩体结构面参数的概率分布拟合检验

岩体不连续面迹长、产状、空间组合形态等的不确定性和复杂性,使结构面整体几何形态研究存在困难。利用岩体内大量随机展布的不连续面所具有的统计相似性,结合具有统计意义的数学方法进行结构面参数描述,是岩体随机不连续面三维网络模拟的基础,也为岩体稳定性评价提供可靠依据。本文基于数字近景摄影测量技术对长春市净月开发区东升采石场坡面进行调查研究,获取高精度的大量岩体结构面迹长、产状、间距、张开度等几何参数。利用Matlab编制Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验程序,实现结构面参数的K-S法概率分布检验,分析了结构面参数所服从的概率分布类型;同时用SPSS软件检验程序正确性,并引入最优拟合度,选取符合多种概率分布参数的最优拟合概率模型。结果表明：研究区内结构面迹长、间距服从对数正态分布规律,产状服从伽马分布规律。     

取样窗口迹长均值估计方法的讨论

采用窗口取样法测量岩体中随机不连续面的迹长, 相对于无限二维空间的岩体而言存在着不可避免的偏差。因此, 在实际岩体工程中要对实地测量迹长的偏差进行校正, 以获得校正后的平均迹长。本文着重讨论了Kulatilake教授于 1984年提出的不连续面迹长均值估算法, 并对算法作了必要的修正, 使算法更客观, 更完善, 编制的计算机代码可以很方便地求取无限二维岩体不连续面的校正迹长。     

拱坝坝肩侧裂面的面连通率研究

采用窗口法对拱坝坝肩不连续面进行描绘测量,对获取的不连续面的产状和迹长进行取样偏差校正和蒙特卡罗模拟,从而形咸三维空间的不连续面网络模型。据工程要求对网络模型按一定带宽进行切割、投影、计算,由此可得到侧裂结构面的面连通率。在此基础上,可以进行坝肩岩体质量评价,为工程设计提供一定的理论依据。      

渐扩散水跃跃长的研究

首先通过对作用于渐扩散水跃的压力分析,阐述了渐扩散水跃跃长总比非扩散水跃跃长短的原理。在此理论基础上,考虑边墙扩散角的影响,建立了渐扩散水跃表面质点运动方程,并结合动量方程和连续方程,推导出渐扩散水跃跃长的半理论、半经验公式。同时,引入非扩散水跃跃长经验公式,使渐扩散水跃跃长公式大大简化。其次,对该理论的局限性进行了分析,得到了该公式的适用范围。在该范围内,该公式能较好地吻合实验结果,从而该理论得以证实。最后对各家渐扩散水跃跃长经验公式进行分析归类,并推荐工程适用公式,以便工程运用。     

不连续面激活与巷道围岩破坏区关系的探讨

岩体的破坏往往是其中不连续面滑移与扩展的结果。在不连续面有效剪应力概念的基础上,提出了巷道临空不连续面激活的观点。分析了圆形断面巷道围岩中临空不连续面的激活深度,认为不连续面的激活深度与其倾角及抗剪强度有关,其中,抗剪强度对激活深度的影响较大,同样倾角的不连续面在巷道不同部位的激活深度也并不相同。采用岩体断裂力学的理论,分析了临空不连续面横向翼形裂纹扩展的模式,认为产生翼形裂纹最大可能的部位就是激活临界点。因此,巷道围岩中最大可能的破坏区深度即为不连续面的激活深度。     

三维界面元的数值计算方法及应用

结合界面元方法的特点,在交界面上考虑相邻块体的材料和变形特征,不需增加任何形式的夹层单元,即可有效模拟块体的不连续变形。并导出了各向同性材料的界面应力公式以及非线性本构关系,根据摩尔-库仑屈服准则建立了弹塑性迭代的数值计算方法,并以此为基础,编制相应的计算程序。利用数值算例与理论值结果的对比分析,验证了界面元方法具有原理简单、可模拟不连续面及应力精度高等优势。     

Connectivity of a network of random discontinuities

Discontinuities such as fractures or cracks are common in geo-materials. Connectivity is a comprehensive parameter that includes the influence of length, orientation and density of the discontinuities. The main objectives of this paper are to define connectivity based on the statistical geometrical parameters of a network of random discontinuities and to quantify the hydraulic properties of the network using connectivity. An analytical method is first proposed to evaluate connectivity through the density of degree of freedom (DDOF). The analytically estimated DDOF is verified using numerical analysis. DDOF increases with the increases in the mean length, relative orientation and density of the random discontinuity network. Connectivity becomes better and the permeability becomes larger with increasing DDOF. The representative element volume (REV) of a random discontinuity network can be estimated based on connectivity. When a discontinuity network is poorly connected, a REV does not exist when the size of the discontinuity network is smaller than 10 times of the mean length of the discontinuities. When a discontinuity network is normally connected, a REV exists when the REV size is smaller than 10 times of the mean length of the discontinuities. When the discontinuity network is highly connected, the REV size is only 2–4 times of the mean length of the discontinuities. The results indicate that DDOF is a good indicator to quantify the connectivity of a random discontinuity network and the relationship between connectivity and permeability.     

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。     

大亚湾花岗岩某钻孔雨季水位持续走高原因探析

作为弱含水层或找水贫困区的花岗岩体,其地下水位变化受裂隙连通性和大气降水影响,出现波动是正常现象。然而在雨季钻孔水位一周内出现近40 m暴涨,且基本维持在高水位持续约3个月后,又跌落回正常水位波动,似乎不常见。以大亚湾中微子试验隧道工程地质勘察钻孔ZK3为例,连续开展两年水位动态观测,监测到上述水位剧烈涨落现象。结合该区水文地质条件、地质构造和岩体结构、降雨量日变化,分析了产生这一奇特现象的原因。很多浅表缓倾节理和构造成因陡倾节理组合成多个不同方向和长度的结构面网络,是水不规则运移和局部储存的控制性结构,雨季开始和结束时不同深度裂隙连通导水差别很大应是水位突变的重要原因。即雨季地表径流很大部分是由于下部裂隙被水充满和饱和,地表产流率高,而旱季深部水腾空或不饱和,浅表水才容易向深部渗透回落。初步提出的水和可能的密闭气体联合作用导致雨季水位高涨突变,或许是需要关注的花岗岩裂隙水的一个重要特征。     

The effects of geological heterogeneities and piezometric fluctuations on groundwater flow and chemistry in a hard-rock aquifer, southern India

Crystalline aquifers of semi-arid southern India represent a vital water resource for farming communities. A field study is described that characterizes the hydrodynamic functioning of intensively exploited crystalline aquifers at local scale based on detailed well monitoring during one hydrological year. The main results show large water-table fluctuations caused by monsoon recharge and pumping, high spatial variability in well discharges, and a decrease of well yields as the water table decreases. Groundwater chemistry is also spatially variable with the existence of aquifer compartments within which mixing occurs. The observed variability and compartmentalization is explained by geological heterogeneities which play a major role in controlling groundwater flow and connectivity in the aquifer. The position of the water table within the fracture network will determine the degree of connectivity between aquifer compartments and well discharge. The presented aquifer conceptual model suggests several consequences: (1) over-exploitation leads to a drop in well discharge, (2) intensive pumping may contribute to the hydraulic containment of contaminants, (3) groundwater quality is highly variable even at local scale, (4) geological discontinuities may be used to assist in the location of drinking-supply wells, (5) modeling should integrate threshold effects due to water-table fluctuations.     

Estimation of geometrical parameters of key discontinuities within an engineering rock region

Discontinuities that have unfavourable orientation and are continuous within overall engineering rock regions can have a dominant effect on the strength, deformability and permeability of the rock mass. The concepts of geometrical parameters of basic discontinuities and engineering discontinuities are proposed in this communication. Further, the engineering discontinuities are divided into key discontinuities and non-key discontinuities. Within any region of the rock mass, the spacing, trace length and probability of engineering discontinuities can be estimated from the geometrical parameters of the basic discontinuities. In general, the geometrical parameters are different from those of the basic discontinuities. Finally, two examples are given to illustrate how to apply these parameters to rock engineering problems.     

岩体结构面的多参数优势分组方法研究

岩体中的结构面对岩体的水力和力学性质有很大影响,因此,弄清岩体中结构面的发育规律是岩体稳定性评价的基础。当结构面的产状一致,其他性质不一致时,结构面的水力学特性和力学性质是不同的。而传统的结构面优势分组方法仅根据产状数据分组,无法分辨产状相同、其他性质不同的结构面。因此,提出了一种基于量子粒子群优化算法的多参数结构面的优势分组方法。该方法通过结构面的相似性度量建立目标函数,运用量子粒子群优化算法通过搜索目标函数的全局最优解来确定聚类中心,可用于结构面多个参数的优势分组。通过对计算机模拟的多参数结构面数据的分组,验证了该方法的可靠性。最后,将该方法应用于怒江松塔水电站坝址区实测的多参数结构面数据的划分,得到了符合实际的分组结果。     

基于钻孔图像的岩体结构面几何信息智能测量

针对钻孔图像中岩体结构面形态特征,提出了一种基于Canny检测的岩体结构面几何信息智能测量方法。该方法首先采用灰度共生矩阵特征参数,在长幅钻孔图像中定位结构面区域;然后,对识别的结构面区域,采用Canny检测算法识别出结构面边缘,并通过边缘连接和合适的阈值筛选边缘,提取出结构面上下边缘;最后,对结构面边缘进行三角函数拟合,得到结构面上下边缘的正弦曲线,结合立体空间几何理论,从而计算出岩体结构面的倾向、倾角、隙宽等参数。以如美水电站坝址区两钻孔为例,基于本算法提取结构面几何信息,并与已有成功算法进行对比得到了较为一致的结果,证明了算法的可行性。     

工程岩体结构面间距空间分布的ARIMA模型及应用

结构面间距是反映结构面分布特征的重要指标之一,也是工程岩体质量级别划分的重要指标之一。与传统的结构面间距定义不同,本文认为只需按组测量结构面之间的间距同样可以分析结构面分布特征,并给出了结构面类型的4类划分法,依此建立结构面序列,利用时间序列的自回归滑动平均模型建立节理间距的AR IMA模型,提出了间距序列建模和模型检验方法,并以实例印证了AR IMA模型表示间距序列是合适的。     

基于PFC2D数值试验的异性结构面剪切强度特性研究

天然岩体中广泛发育两侧岩性不同的异性结构面,开展异性结构面变形和强度特性研究旨在为岩体稳定性评价和利用提供依据。选取三峡库区侏罗系典型的砂岩-泥岩异性岩层,首先运用分形几何理论,定量计算了平直和4种不同不规则起伏形态结构面的粗糙度系数JRC值,然后基于PFC2D颗粒流程序,分别开展了以上5种形态异性结构面的数值剪切试验,获得了各形态结构面在不同正应力下的剪切应力-位移曲线。根据数值试验结果,采用巴顿的JRC-JCS模型分析了异性结构面强度特性,并与同性结构面强度性质进行对比研究。最后,在考虑异性结构面剪切破坏机制的基础上,引入强度因子的概念,提出了新的适用于异性结构面强度评价的两类改进巴顿准则。研究结果表明：异性岩体结构面抗剪强度介于相同粗糙度的两种同性结构面强度之间,在较低正应力下接近软岩同性结构面强度,符合Ⅰ型改进巴顿准则;在较高正应力下偏向硬岩同性结构面强度,符合Ⅱ型改进巴顿准则。实际工程中可利用改进准则并根据异性结构面应力状态对岩体稳定性进行评价,弥补了以往研究的不足。     

循环荷载作用下岩石劈裂结构面剪切力学特性演化与影响因素研究

基于现有结构面剪切力学特性研究中对简单几何形态结构面研究多,天然形态结构面研究少,力学性质演化研究多,几何形态演化研究少的研究现状,通过巴西劈裂试验制备近天然形态岩石结构面,并采用模拟材料批量复制劈裂结构面试样的方法,开展循环荷载作用下岩石劈裂结构面的剪切力学特性演化规律与影响因素研究,分析法向应力、循环剪切次数、岩壁强度以及结构面粗糙度对循环剪切作用下岩体结构面力学特性和形貌特征的影响。最终通过在黏着摩擦理论-Barton经验公式中引入与循环剪切次数Nd有关的负指数假定劣化参数,提出了岩体结构面循环剪切强度公式。研究结果表明：法向应力、岩壁强度、结构面粗糙度越大,结构面的最大剪应力越大;法向应力、循环剪切次数、结构面粗糙度越大,岩壁强度越小,则归一化粗糙度参数越小。提出的循环剪切强度公式较好地验证了试验结果,可为工程安全设计提供理论参考。