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。     

基于裂隙连续方法的三维裂隙岩体渗流传热数值模拟

模拟裂隙岩体渗流传热的主要困难在于岩体各种尺度上的非均质性。为了兼顾裂隙岩体渗流传热过程模拟的效率和精度,将二维裂隙连续方法拓展到三维问题中,应用深度优先搜索算法挑出对网格块渗透性有贡献的有效裂隙,综合考虑有效裂隙和岩石基质作用给出网格块的等效渗透率张量,采用Matlab对COMSOL Multiphysics有限元软件进行二次开发,生成由不同渗透率网格块组成的三维裂隙连续模型。数值模拟结果表明：裂隙连续模型结合了随机连续介质模型和离散裂隙模型的特点,既能避免处理裂隙网络的复杂性,又能考虑岩体渗透率的空间变异性,兼顾了模拟效率和精度;当岩石基质渗透率与裂隙渗透率比值的数量级在10^-4～10^-6范围内时,有效裂隙网络模型的流量计算误差会超过5%。     

求解岩体裂隙产状三维概率分布的数值方法

测线法是一种广泛使用的裂隙几何特征野外观测技术,但它获得的一维产状观测数据不能代表三维空间内的概率分布.在实测裂隙倾向和倾角之间相互独立的假设基础上,借用概率论和微积分建立了一维数据和三维分布的数值解关系式,进而提出一种由一维观测数据求解三维概率分布的方法.该方法的实现步骤是:(1)通过关系式数值求解产状的三维累积概率...     

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。     

渗透压力作用下加锚裂隙岩体围岩稳定性研究

岩体中裂隙水的存在加剧了岩体结构围岩损伤;锚杆作为岩体工程的重要支护手段,被广泛应用于岩体加固工程中。结合无损伤材料的柔度张量的概念,用裂隙附加柔度张量来表示裂隙对岩体的损伤影响;引入渗透压力附加柔度张量的概念来定义渗透压力对裂隙岩体强度的损伤影响;利用附加刚度来反映锚杆对裂隙岩体的加固作用,附加刚度求逆即得柔度张量。对渗透压力作用下锚固裂隙岩体渗流场与损伤场相互作用及耦合机制进行了深入研究;基于能量互易定理,自洽理论等,分别在压剪和拉剪应力状态下推导了渗透压力作用下加锚裂隙岩体等效损伤模型,建立了相应的计算方法,应用半解耦方法对理论模型进行了有限元程序化。在有限元程序中,将渗透体积力化为等效节点力,参与各单元间应力调整且表现为岩体变形过程中刚度的降低;锚杆锚固力等效为单元节点力,并体现为岩体整体变形刚度的提高。结合工程实际,着重讨论渗透压力作用对隧道围岩稳定性的影响。分析表明,渗透压力对岩体围岩变形破坏及稳定性的影响是不可忽略的。     

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。     

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     

随机与确定耦合的裂隙岩体结构面三维网络模拟

离散裂隙随机网络模型中结构面的分布特征仅代表其统计规律,并非地质成因、结构模式、构造形迹的客观反映,以致后续力学计算及渗流模拟结果可信度偏低。针对国家高放废物处置库甘肃北山预选区出露良好的花岗岩体,基于实测结构面统计规律、内在成生关系及水力联系,在前期纯随机模型关键部位修正特征参数,并融入人工辨识的确定结构模式而构建“随机-确定”耦合模型。图形和渗流模拟两种定量检验结果表明：耦合模型结构面数量更接近客观实际,模型准确度提升约48.8%;耦合模型渗流路径与流量较之前更显客观真实,模拟结果与试验数据的接近程度比随机模型大约1/3。另外,不同孔位渗流结果显示：相比于随机结构面,确定性结构面对区域渗流控制作用更加明显,在渗流模拟中扮演更为重要角色。此耦合模型有益于拓宽结构面网络模拟的发展方向。     

裂隙岩体不稳定温度场的复合单元算法研究

基于复合单元法,结合三维热传导-对流方程和“充填模型”,提出了裂隙岩体不稳定温度场的复合单元模型。该模型前处理简便快捷,计算网格生成时无需考虑裂隙的存在,网格剖分不受限制,随后利用复合单元前处理程序,依据裂隙的位置和方位将其自动离散在单元内。对常规热传导-对流方程进行自伴随性调整,应用变分原理,推导出裂隙岩体不稳定温度场的复合单元算法,该算法可分别计算出岩块子单元和裂隙的温度值,且可真实反映裂隙中水流与相邻岩块间的热能量交换规律。将复合单元数值模型计算的不稳定温度场结果与相应的实测数据进行对比分析可知,数值计算结果与实测数据基本一致,验证了裂隙岩体不稳定温度场复合单元算法的可靠性与有效性。算例分析表明,裂隙中水流与相邻岩块间有明显的热传导和热对流作用。     

Numerical estimation of REV and permeability tensor for fractured rock masses by composite element method

The Monte Carlo method is used to generate parent stochastic discrete fracture network, from which a series of fractured rock samples of different sizes and orientations are extracted. The fracture network combined with a regular grid forms composite element mesh of the fractured rock sample, in which each composite element is composed of sub‐elements incised by fracture segments. The composite element method (CEM) for the seepage is implemented to obtain the nodal hydraulic potential as well as the seepage flow rates through the fractured rock samples. The application of CEM enables a large quantity of stochastic tests for the fractured rock samples because the pre‐process is facilitated greatly. By changing the sizes and orientations of the samples, the analysis of the seepage characteristics is realized to evaluate the variation of the permeability components, the existence of the permeability tensor and the representative element volume. The feasibility and effectiveness are illustrated in a numerical example. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

一种基于弹性应变能的裂隙岩体等效弹性模量评价方法

基于线弹性断裂力学裂隙面张开位移及剪切位移理论公式,考虑裂隙存在常法向和常切向刚度情况,研究了含单个裂隙岩体加载过程中由于裂隙存在而附加的弹性应变能。基于应变能等效方法并假设两种裂隙变形模型--非均匀变形模型和均匀变形模型,研究了二维非贯通裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量解析表达式。研究结果表明,对于贯通裂隙规则分布情况,均匀变形模型得到的解析解与Amadei等的结果一致;对于非贯通裂隙正态分布情况,考虑裂隙相互作用的非均匀变形模型解明显低估裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量,而考虑裂隙相互作用的均匀变形模型解与有限元数值解的偏差在10%以内。得到的解析表达式在一定条件下可以作为裂隙岩体等效弹性模量评价方法之一。     

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。     

非常低延展性裂隙岩体REV存在性研究

裂隙岩体渗流问题一直是水文地质与工程地质的前沿课题之一,等效多孔介质模型是裂隙岩体渗流研究和工程应用的主要方法,此方法的重点在于裂隙岩体渗流模型即典型单元体(REV)的确定。本文采用作者自行开发的离散元软件FractureToKarst,根据国际岩石力学协会对岩石的分类,讨论了非常低延展性裂隙岩体典型单元体(REV)的存在性及大小,并给出确定其存在性的一般方法。通过研究可知,非常低延展性裂隙岩体REV存在的条件就是裂隙平均间距在0.2m以下,即极密间距、很密间距和密间距裂隙岩体存在REV。裂隙平均间距大于0.2 m,即中等间距、宽间距、很宽间距和极宽间距裂隙岩体不存在REV。     

基于蒙特卡罗随机有限元法的三维随机渗流场研究

通过建立改进Latin超立方抽样和对偶抽样相结合的复合抽样法,以提高Monte Carlo方法的计算效率,并将其引入Monte Carlo随机有限元（MSFEM）。基于三维有限元模型,采用MCSFEM对山坪土石坝进行随机渗流场分析,研究渗透系数和水头边界条件的随机特性对渗流场的干扰,进行变异系数和抽样次数的敏感性分析。最后,对渗流场的求解量进行概型分析。研究表明：总水头势、流速及渗透体积力的变异性随着渗透系数随机性的增强而变大;复合抽样法既能有效加快Monte Carlo的收敛速度,又能降低样本间的统计相关性,说明了该方法的实用性与有效性;当渗透系数服从正态分布时,渗流场中所取结点的水头和坡降也服从正态分布。     

三维数值流形法块体切割技术研究

运用布尔碎片运算实现了简单的三维块体切割功能,形成覆盖整个求解域的六面体网格,再将六面体单元拆分生成48个四面体单元,从而生成四面体数学覆盖。运用布尔交运算将四面体单元与求解域求交集得到流形块体,再根据三维拓扑有向性原理和三维单纯形积分理论,形成了有向边、有向环、有向面和有向壳4种有向几何数据结构,用来构造生成封闭的有向三维流形单元。定义了有向流形单元的连通内面对和连通的有向流形单元的概念,利用有向流形单元的连通内面对搜索生成物理覆盖体系。概括总结了基于修正对称和反对称分解的三维数值流形元法的求解计算要点,在不考虑三维接触、三维裂纹尖端奇异场和三维裂纹扩展的假设下,模拟了三维节理面的有限塑性变形张拉过程,得到了比较合理的数值模拟结果,验证了前处理和计算求解算法的正确性。     

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。     

Application of Stochastic Fracture Network with Numerical Fluid Flow Simulations to Groundwater Flow Modeling in Fractured Rocks

ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＧｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｏｒｆｌｕｉｄｆｌｏｗｍｏｄｅｌｉｎｇｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｄｒｏｃｋｓｉｓａｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄａｐｐｌｉｅｄｔｏｐｉｃ.Ｂｏｔｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｌｙ ,ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓｓｕｃｈａｓｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ,ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｐｅｔｒｏｌｅｕｍｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ…     

Parameter identification method for determination of elastic modulus of rock based on adjoint equation and blasting wave measurements

The purpose of this paper is to present a parameter identification method to determine the force of a blast and the elastic modulus of the ground using the measurements of a dynamic elastic wave, the adjoint equation method of optimal control theory, and the finite element method. Before the excavation of rocky ground, it is important to estimate the ground properties. In this paper, the elastic modulus is determined as the performance function is minimized using a technique based on the first‐order adjoint method. The performance function is a square sum of the discrepancies between the computed and the observed values of the velocities. After the determination of the magnitude of the blasting force, we can determine the elastic modulus of the rock. As the basic equation to calculate the velocities of dynamic elastic body, elastic equilibrium equations with linear viscosity are employed. The adjoint equation method has been utilized in order to calculate the gradient of the performance function with respect to the parameters. The gradient of the performance function is calculated using the first‐order adjoint equation. The weighted gradient method is applied for minimization. In order to solve the state equations in space and time, the finite element method and the Newmark $\frac{1}{4}$ method are used. In this paper, we tested the practical application of our proposed method for determination of the elastic modulus of rock at the Ikawa tunnel located in the Tokushima prefecture, Japan. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

岩体初始应力场的遗传算法与有限元联合反演法

岩土工程问题的有限元分析一般需要考虑初始应力场。实际工程中,岩体往往为非线性。本文采用遗传算法与有限元联合反演法求解非线性岩体初始应力场,通过算例说明文中所提方法是合理的,可在工程应用中推广。