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。     

一种基于块体化程度理论的裂隙岩体巷道顶板稳定性分级方法研究

岩体完整性是进行巷道顶板稳定性分级的一个重要指标,当前分级方法均是从一维角度对岩体结构进行描述,不能全面刻画出三维空间上顶板围岩的完整性。针对这一缺陷,引入裂隙岩体块体化程度理论,以块体化程度代替常规标准中表征岩体完整性的岩体质量RQD值和节理间距两项子指标,开展裂隙岩体巷道顶板稳定性分级研究,创新形成了一种适用于裂隙岩体顶板稳定性分级的BT分级方法。以块体百分比和块体体积曲线为基本依据,构建出裂隙岩体巷道顶板围岩块体化程度的解算流程;运用AHP法对稳定性影响因素权重进行了排序,制定出稳定性分级方法与标准。以铜坑矿92号矿体裂隙岩体试验区巷道顶板结构面调查数据和岩石力学参数为基础,运用传统分级方法RMR法和BT法分别对各试验区巷道顶板稳定性进行评价,对两种分级结果进行比较分析,结果表明：与传统的RMR法相比,BT法在稳定性描述、分级准确性和安全管理指导作用等方面更为优越,更能够客观真实地反映出裂隙岩体巷道顶板稳定性。研究成果可为复杂裂隙岩体条件下的巷道顶板安全分级与管理提供更为可靠的科学依据。     

裂隙延展性统计分布离散性对岩体块体化程度REV的影响

表征单元体(REV) 的存在是应用连续介质力学方法对岩体进行研究的前提,REV可以从岩体块体化程度的角度进行研究,裂隙大小及其统计分布是影响岩体块体化程度REV的重要因素。本文利用课题组自主研发的GeneralBlock 软件,建立更一般化实际化的模型,研究裂隙延展性统计分布的离散程度对岩体块体化程度REV的影响。分析时选取了最常用的裂隙延展性统计分布形式:正态分布。由于所建立的岩体结构模型是随机的,需要对每个随机裂隙模型进行多次实现。为节省计算量,当研究范围比较小时,对每种结构的每个研究范围进行9次随机实现。当研究范围足够大,达到REV大小的时候进行100次随机实现。为确定离散程度对表征单元体的影响,本文针对5个不同标准差进行了模拟分析（共建立了1 005个裂隙模型,分别进行了块体识别并计算其块体化程度B）。结果表明,裂隙延展性服从正态分布的情况下,如果其平均值一定,岩体的块体化程度随着统计分布离散程度的增加略有上升,裂隙岩体的REV值基本上由裂隙延展性统计平均值决定。     

裂隙岩体一般块体理论初步

本文在前人工作的基础上提出了一种通用方法解决任意大小裂隙、任意形状工程岩体的岩石块体识别及稳定性计算问题.在这一方法中裂隙既可以是实测裂隙也可以是通过随机模拟方法生成的随机裂隙,工程岩体可以是任意由多面体组合成的形状,如复杂边坡或地下洞室,而且岩体和裂隙面可以是非均质的.这一通用过程被称为一般块体理论.它克服了关键块体理论(或楔形体法)中存在的弱点:即把裂隙假设为无限大的不连续面,因此无法预测岩石块体的数量和位置,而且一般只能识别出简单形状的凸形体.它在块体识别的同时将复杂的块体分解为几个简单的凸形块体,从而使复杂块体的几何描述、体积及重力计算、力学分析、可视化表示等一系列问题大大简化.在对一公路边坡的裂隙进行了详细观测之后,利用本文的方法进行了块体识别和稳定性分析,对本文的研究进行初步的验证.     

裂隙岩体块体化程度评价方法的若干问题修正

块体化程度是评价岩体完整性的一种新指标,能从三维角度表征岩体破碎程度,但目前该方法仍存在未充分考虑岩体切割程度及块体规模、未限定基础应用条件、块体化程度等级划分不合理等缺陷。针对上述缺陷,深入分析了其产生原因,并借鉴岩体切割程度、三维块度模数、体积RQD等计算原理,限定了块体体积百分比相关概念,提出了考虑岩体完整性块度尺寸效应的块体体积综合百分比计算方法,确立了块体化程度等级及分级指标取值依据,建立了修正的块体化程度评价方法。通过对比块体化程度评价修正方法、岩土工程规范对岩体完整性的划分结果,分析了修正方法的合理性。分别以广西铜坑矿锌多金属矿体、乌东德水电工程的块体研究数据为基础,开展了修正块体化程度评价方法的实例验证,结果表明:利用修正块体化程度评价方法计算的铜坑矿+25 5 m中段4#试验区岩体块体体积百分比为11.18%,属轻度块状化岩体;乌东德水电站PD49-1平硐、PD4支硐块体体积百分比分别为12.847%、10.168%,均属于轻度块状化岩体,岩体完整性程度为较完整级别。与现有块体化程度评价方法比较,修正方法计算的块体体积百分比能够更准确地从三维角度表征真实岩体的完整性。研究成果对精确刻划岩体三维完整性具有重要意义。     

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。     

三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法

岩体中的裂隙分布具有随机性,且渗流主要通过裂隙面进行。运用蒙特卡罗法模拟生成岩体中的随机裂隙面,基于矢体的概念,实现了包括凹块体和多连通体在内的三维随机裂隙岩体的块体单元自动识别。假定岩块不透水、渗流仅通过裂隙面进行,建立了三维随机裂隙岩体渗流分析的块体单元法。通过算例分析,验证了所提方法的准确性和有效性。     

裂隙化岩体中圆形断面调压井围岩稳定性分析

块体理论是适用于裂隙化岩体变形失稳分析的有效方法。运用块体理论赤平投影法研究某水电站超大型调压井围岩随机块体的稳定性,将圆形断面调压井开挖临空面抽象简化为八个方位的边墙加以研究,分析了井周各部位可能的关键块体及其运动形式,计算了关键块体的净滑力。分析结果对工程施工具有可靠的现实指导作用,为锚固设计和永久衬砌设计提供了依据,可供类似工程参考。     

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     

节理岩体的块体尺寸特征分析及其可靠度评价

通过对块体形成机制的讨论,根据岩体内节理面间距分布的随机性,分析了不同尺寸块体的出现概率。在计算块体的可靠度时,考虑了结构面的产状,粘结系数,磨擦系数等多个随机因素的影响。     

Estimation of the REV size for blockiness of fractured rock masses

The representative elementary volume (REV) is the premise of the continuous-media method of analysis, and the investigation of the REVs of fractured rock masses is a fundamental area of rock mechanics research. The existence of an REV can be determined based on a variety of physical parameters. This paper presents an analysis of the REV from the view of blockiness, which is defined as the percentage of the volume of isolated blocks formed by fractures in the total rock volume. Seventy-seven types of fractured rock mass models were developed based on 7 classes of fracture persistence and 11 classes of spacing that are suggested by the International Society for Rock Mechanics (ISRM) fracture classification. Rock blocks in each of the 77 types of fractured rock mass models were identified using GeneralBlock to determine the variation in blockiness with model domain sizes, which were changed from 2 to 20 times the fracture spacing. For each model domain size 9 random realizations were carried out to reduce the effects of randomness. The coefficient of variation (C_v) was then used to quantify the variability of the 9 random realizations. The fluctuation in blockiness with the variation in the scale of the model region was also investigated. In this way, the size of the REV in these models can be calculated using the average and the variance of the blockiness as indicators of the convergence. The blockiness of these fractured rock masses can be determined at the REV volume. The results indicate that of the 77 models, 76 REV sizes are between 2 and 20 times the fracture spacing. The fractured rock mass with a wide fracture spacing and very high persistence (WS2–VHP) has a REV size that exceeds 20 times the fracture spacing. Thus, the WS2–VHP model should be investigated further to validate this concept.     

基于非均质系数的裂隙岩体表征单元体研究

表征单元体（REV）是岩体力学中的一个基础性概念,其存在性是确定岩体等效参数和应用连续介质方法进行研究的前提条件。为综合反映裂隙大小、产状和密度对岩体REV的影响,本文提出采用岩体非均质系数HI来确定岩体的REV。首先,详细介绍了非均质系数的概念和含义。利用General Block软件建立了中等间距-中等延展性（MS1-MP1）裂隙的网络模型,并完成20次随机实现。从各模型中选取10个不同尺寸的岩体模型计算非均质系数,结果表明：非均质系数具有明显的尺寸效应,当岩体尺寸不小于8 m时,非均质系数的平均值和标准差分别为0.5和0.14,综合确定该岩体的REV为8 m。采用HI对三峡地下电站厂房围岩的研究表明,该岩体的REV为60 m,可作为非连续介质方法适用性的判断标准。HI是从岩体结构角度提出的新指标,适用于确定岩体的REV和统计范围,对岩体的统计分析和等效参数研究具有重要意义。     

裂隙岩体冻融损伤关键问题及研究状况

工程岩体冻融损伤问题是寒区常见的工程难题,其主要诱因是岩体中水分的冻胀融缩作用。目前国内外学者关于冻岩问题的主要研究内容可大体归纳为冻岩物理力学性质、相变过程、低温多场(THM)耦合、冻融损伤模型及数值分析等4个大方面。几十年来,国内外学者通过理论分析、数值模拟、现场及室内试验等多种途径对冻岩问题展开研究,取得了丰硕的成果,但目前对冻岩问题的研究远未成熟,很多研究尚停留在试验探索阶段。要真正意义上揭示冻岩损伤机制,应以水冰相变为切入点,立足细观尺度,充分考虑冻胀融缩作用与裂隙扩展的相互影响,进而拓展至冻融作用对岩体裂隙网络发展的影响。     

裂隙岩体渗流-应力耦合等效渗流阻模型

针对含区域主干裂隙岩体在应力作用下的渗透特性进行了研究。运用单裂隙平行板渗流理论、弹性力学方法,结合模拟电路知识,提出等效渗流阻的概念。在分析裂隙岩体区域中主干裂隙系统几何构造的基础上,建立了基于等效渗流阻的- 渗流-应力耦合模型,得到了裂隙岩体等效渗流阻、渗透率与应力之间的关系,从而为研究含区域主干裂隙岩体的应力-渗流耦合规律提供了方便。结合一个基于等效渗流阻模型的算例,考察了含“人”字形组合裂隙试样的渗透特性。经进一步细化后,该模型可用于分析地应力作用下的含区域主干裂隙岩体渗流演化规律。     

渗透压力对裂隙岩体损伤破坏的研究

基于Betti能量互易定理推导了含水裂隙岩体初始损伤柔度张量和损伤演化方程,建立了考虑渗透压力的裂隙岩体脆弹性断裂损伤本构模型。并提出采用渗透压力附加柔度张量的概念来定义渗透压力对岩体力学特性的影响。工程算例结果表明：当岩体中有地下水活动时,考虑渗透压力对损伤区的影响是十分必要的。     

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。