考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价

鉴于目前关于节理岩体力学参数空间变异性表征及存在潜在滑移面边坡的可靠性问题研究较多,但对于岩质边坡力学参数空间变异性影响及开挖卸荷响应(变形与塑性区)不确定性分析的研究较为有限。提出考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价方法,该方法以室内岩石力学试验及现场地质勘察测绘数据为基础,利用Hoek-Brown经验准则与Monte Carlo分析手段,构建了以岩石单轴抗压强度(uniaxial compressive strength,简称UCS)、地质强度指标(geological strengthindex,简称GSI)和节理工程参数为输入的边坡岩体力学参数概率统计模型,并采用卡方检验进行模型的吻合度检验;基于点估计原理构建岩体力学参数组合方案,并结合数值模拟开展边坡开挖过程的仿真分析,获得边坡开挖后整体安全系数及位移及塑性区的概率分布。利用该方法对在建京秦高速沿线某路堑边坡岩体力学参数及开挖卸荷响应进行分析,得到了岩体强度、弹性模量、黏聚力与内摩擦角的取值及不确定性分布,采用点估计与FLAC^3D模拟分析,得到了边坡安全系数及典型观测点的位移与塑性区分布结...     

裂纹扩展和连接过程的近场动力学数值模拟

利用传统应变能密度与近场动力学的应变能密度相等以及近场动力学的基本方程,推导了以状态为基础的近场动力学基本方程。引入损伤理论,对以状态为基础的近场动力学基本方程进行离散化,编制了近场动力学数值分析程序。利用近场动力学理论对经典的带孔单侧拉伸板破裂过程及双向拉伸状态下岩石裂纹扩展和连接过程进行了数值模拟,并与RFPA2D数值结果进行了对比分析。结果表明,以状态为基础的近场动力学理论不仅突破了以键为基础的近场动力学理论恒定泊松比的限制,而且不需要借助任何外部断裂准则就能很好地模拟裂纹的扩展和连接过程,相对于其他的数值模拟方法具有很大的优势,同时也给裂纹的扩展和连接的数值模拟提供了更好的思路。     

Bayes约束随机场下坝基溶蚀区随机模拟方法及其影响分析

基于完全随机场模拟溶蚀岩体可能会高估其空间变异性和不能有效地利用溶蚀以外的地质信息和实践经验,提出用Bayes约束参数随机场模型描述坝基溶蚀区的随机模拟方法。引入Bayes公式,对溶蚀区域岩土参数的统计特性进行修正,反映出地质勘测的新增地质信息和试验参数信息,建立约束随机场,并在此基础上进行随机有限元分析,研究坝基溶蚀对大坝结构性态的作用效应。计算结果表明,相对于完全随机场模型,Bayes约束随机场模型更为客观地考虑了溶蚀岩体的空间变异性,有效地降低了溶蚀参数完全随机场下结构响应的模拟方差。在概率分析过程中,推荐蒙特卡洛响应面耦合方法（MC-RSM）作为适用于复杂工程的随机模拟方法,该方法能够代替直接MC法对同样力学机制的不断重复,减小计算时间成本。     

乌鲁木齐地铁隧道互层岩体力学特性及几何特征因子敏感性模拟

为研究地铁隧道中软硬互层岩体力学特性及破坏机制,本文首先在乌鲁木齐泥岩、砂岩物理力学参数获取的基础上,对互层岩体物理力学参数进行微观参数标定,然后通过颗粒流数值模拟单轴压缩试验,分析互层岩体层厚、层厚比、岩层倾角作用下互层岩体强度响应规律及裂纹变化。分析结果表明：随着互层岩体层厚的增加,其单轴抗压强度在降低,裂纹数量也在降低,裂纹发展速度加快;随着互层岩体层厚比的增加,其单轴抗压强度在不断降低,在层厚比大于1时单轴抗压强度的变化相对稳定,且层厚比小于0.6时裂纹发展趋势较为快速,层厚比大于0.6时裂纹发展趋势较为缓慢;互层岩体岩层倾角的增加使单轴抗压强度的变化大体呈U字形变化趋势,40°时单轴抗压强度最低,90°时裂纹数量最多,发展趋势最为缓慢;由正交试验分析得出层厚比对单轴抗压强度敏感性最大,并分析得出了最优组合;最优组合为：层厚6 cm、层厚比0.1、岩层倾角0°。     

地质系统热-水-力耦合作用的随机建模初步研究

热-水-力(THM)耦合作用是岩石力学与环境地质中的重要基础理论问题,核废料地质处置库周围的缓冲材料和围岩中的热-水-力耦合现象将影响其力学稳定性、热传导性和渗透性,进而影响放射性核素在裂隙岩体中的迁移规律。核废料或放射性废料的地下深埋处置是国际上正在研究的永久性隔离的有效方法之一。因此,对核废料地质处置法安全性评估的一个重要内容就是对裂隙岩体中力学稳定性与构造应力、地下水渗流及热载荷等的耦合作用之数值模拟和评估。这已成为当前刻不容缓的重要的环境影响评价课题。笔者研究了温度场-渗流场-应力场中热传导系数和渗透率以及岩体力学参数的空间变异性,用实验方法研究三场耦合效应及裂隙岩体的场性能等效处理,试图建立热-水-力耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法,为核废料地质处置安全性评估提供直观的新方法。     

岩石材料裂纹扩展的改进近场动力学方法模拟

在传统键基近场动力学模型的基础上,提出可以反映岩石类材料应力-应变变化特点的改进型模型,弥补了传统近场动力学模型在模拟岩石类材料时无法反映岩石内应力随应变先增加再减小最后破坏这一特性的不足。运用改进型模型,对含有单裂纹试件在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的裂纹扩展过程进行了数值模拟,分析了开裂角度在不同预制裂纹角度及拉伸荷载条件下的变化。结果表明：预制角度及拉伸荷载对开裂角度都有影响,在试件周围拉荷载接近的情况下会获得较小的开裂角,并且在拉荷载一定的条件下开裂角会有先增加后减少的规律。同时模拟了含裂纹岩石在单轴压缩条件下的裂纹扩展情况,将数值模拟的结果与室内试验的结果对比,验证了所提出新模型的有效性。所提出的新模型可以较好地模拟岩石类材料在拉荷载条件下的力学特性,在岩石数值模拟方面有着较为广泛的应用前景。     

鄂尔多斯盆地华庆地区天然裂缝与岩石力学层演化:基于数值模拟的定量分析

岩石力学层控制天然裂缝发育程度与成因机制,同样地,裂缝发育也会影响岩石力学参数的大小与各向异性.受成岩与构造作用的双重影响,岩石力学层会发生迁移,因此,控制裂缝发育的岩石力学层及适用于预测天然裂缝分布的岩石力学层可能不再存在.本文提出了一种采用储层地质力学方法分析构造因素控制下的岩石力学层迁移规律模拟方法 .通过野外观测建立三维裂缝离散网络模型,采用岩石力学实验测量岩石与裂缝面的力学参数,编制三循环法模拟程序研究不同尺寸、不同方位的裂缝性岩体等效力学参数,提出了裂缝性储层地质力学建模最优网格单元大小确定方法,并建立了裂缝参数与岩体力学参数间的数学模型.最后,通过不同时期古应力场数值模拟,预测裂缝的密度、产状,实现了构造因素控制下岩石力学层迁移规律数值模拟.结合鄂尔多斯盆地西缘裂缝组合样式及后期应力场模拟的精度要求,确定地质力学建模最优网格单元大小为28 m;在地质力学建模中,过小的网格单元尺度不能完整刻画单元内的裂缝发育模式.从燕山期至喜马拉雅期到现今,伴随着天然裂缝的发育,岩体杨氏模量总体呈下降趋势,泊松比增大,并且岩石杨氏模量与泊松比间的空间差异性逐渐减小.     

模拟岩石中裂纹扩展连接的近场动力学方法

脆性岩石材料在压应力作用下常出现两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生剪切裂纹。近场动力学是一种新型的无网格数值计算方法。在近场动力学理论中,采用积分形式的控制方程代替微分形式的控制方程使得该数值算法在断裂问题上具有独特的优势。将Mohr-Coulomb准则和最大主应力准则引入非普通“态”基近场动力学理论中,分别用于模拟材料常见的压剪和张拉破坏。这种扩展的非普通“态”基近场动力学可以有效地模拟脆性岩石材料在多种受力状态下的裂纹起裂、扩展和连接问题。通过5个不同的数值算例说明该数值算法在处理脆性岩石材料断裂问题的有效性和准确性。首先,通过模拟含圆孔的弹性板拉伸数值试验说明该数值算法的有效性和准确性。其次,数值模拟了简单三点弯曲试验以及不使用其他外部准则条件下动荷载作用下裂纹的分叉试验,所得结果与其他试验结果或数值结果相吻合,从而验证了该理论的有效性。然后,模拟了包含斜裂纹的巴西圆盘试验,裂纹扩展路径和计算所得的断裂韧度同样吻合于试验结果。最后,模拟了单轴压缩状态下,预制裂纹试样的裂纹扩展和连接问题。将该数值算法与试验结果对比表明,所提出的数值方法可以模拟和预测岩石类材料的张拉和压剪裂纹的起裂、扩展和连接行为。     

样本单元法及块状裂隙岩体力学参数的确定

在分析块状岩体的结构特征及影响其力学性能因素的基础上,根据大量野外调查及室内试验资料,对块状岩体进行分类,并建立相应的样本单元.采用数值分析方法模拟各类样本单元的大型三轴试验,实现了根据岩块参数获取块状裂隙岩体力学参数的目的.     

巴东县杨家坪煤炭采空区岩体力学性质试验研究

对杨家坪煤炭采空区主要岩层进行了较系统的试验研究,包括岩体结构的野外调查、岩块与结构面室内试验及岩体力学参数经验估算,岩体结构面网络模拟等。对各种试验数据进行了分析整理,得到了岩块、结构面的物理力学性质参数。并用岩体工程分类及Hoek-Brown经验方法对各类岩体的力学参数进行了估算。在分析对比基础上,考虑了岩体所处地质条件,给出了各种岩体的计算参数建议值。有限元计算结果表明,建议参数值能较好地反映采空区岩体的力学性质。     

利用3DEC分析某高速公路隧道岩体力学参数

根据某高速公路隧道岩体地质结构模型,利用3DEC分析了该隧道岩体的尺寸效应以及外部荷载作用方向效应,在考虑了岩体的尺寸效应以及外部荷载作用方向效应的基础上,模拟岩体的单轴和三轴抗压试验,计算该隧道岩体的力学参数,体现了岩体力学参数是岩石、结构及环境3个因素的综合。该方法为利用3DEC分析岩体力学参数提供了范例。     

云锡大屯锡矿岩体力学参数的确定

阐述了岩体力学参数研究的重要性,系统地介绍了几种国内外常用的岩体力学参数的确定方法及其原理。以云锡大屯锡矿岩体力学参数研究为例,并以其室内试验得出的岩石物理力学参数和岩体质量评价RMR值为基础,采用这些方法对岩石物理力学参数进行工程折减弱化处理,计算得出其岩体力学参数。其结果对比分析及其推荐值的工程应用结果表明：将最新的Hoek-Brown准则、室内试验、M.Georgi法和费森科法四者相结合来进行分析,得出的岩体力学参数更为合理,提高了工程岩体力学计算精度。     

矿山采动卸荷岩体力学参数劣化规律研究

矿山开采对采动影响区域内的围岩形成扰动,弱化岩体力学性质,其参数劣化规律是数值模拟与分析计算的主要问题之一。以铜坑矿92#矿体连续采矿顶板诱导崩落试验采场为对象,运用卸荷岩体力学理论,确立了开挖卸荷岩体力学参数计算模拟的计算流程。结合有限元数值模拟方法,建立了岩体卸荷等效模型,进行了6步连续卸荷的计算,得到了地下连续采矿顶板卸荷岩体力学参数的变化规律,并运用多项式实现了卸荷岩体力学参数与卸荷量变化值的函数拟合,获得了采动卸荷岩体力学参数的劣化规律。结果显示,卸荷第6步时,计算不收敛,表明此时顶板已经完全破坏而发生崩落;在卸荷过程中,岩体力学参数均呈逐渐弱化的趋势,其中内摩擦角、凝聚力和弹性模量随开挖卸荷的推进呈逐渐减小的趋势,最终的参数分别相当于初始值的55%、50%和50%,但泊松比呈逐渐增大的趋势,最终值相当于初始值的1.15倍。其结果说明了采动卸荷导致了岩体质量的劣化,卸荷岩体力学参数与卸荷量的函数为采动卸荷力学响应的动态分析提供了理论基础。     

块状结构岩体力学的回顾与展望

从结构面的特性、块状结构岩体的局部稳定性、块体结构岩体的整体稳定性、块状结构岩体的力学参数、块状结构岩体渗流五个方面,简要地回顾了具有块状结构特征的岩体力学发展过程及研究现状。指出块状结构的岩体本身是一 种特殊的工程材料,不确定、非均质、各向异性、非连续、非线性是其主要特征。认为块状结构岩体力学的发展方向应进一步采用不确定性理论、现代非线性系统动力学原理与传统理论结合的研究理念。     

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。     

白山抽水蓄能泵站地下厂房的岩体力学参数反演

根据白山抽水蓄能泵站地下厂房开挖过程中的变形观测数据,提出了一种基于响应面法的岩体力学参数反演方法。该方法利用响应面函数建立了岩体力学参数与围岩变形之间的非线性关系。通过有限元数值模拟确立了响应面函数中的系数。定义参数反演的目标函数,将参数反演问题转化为优化问题。分别采用拟牛顿优化算法和遗传算法求解参数反演的目标函数,得到了地下厂房的岩体力学参数。根据反演确定的岩体力学参数,对地下厂房围岩的开挖变形进行了数值模拟,研究表明,有限元模拟的地下厂房与现场观测值基本一致,验证了反演方法的有效性。     

E.Hoek法在节理化岩体力学参数评价中的应用--以长江三峡库区白衣庵滑坡为例

节理化岩体力学参数是岩体工程稳定性评价的难点与关键,而E.Hoek法正是针对节理化岩体破坏特点而提出的一种用于解决这一问题的岩体力学参数评价法。系统地介绍了E.Hoek岩体力学参数评价法的原理,讨论了其操作的关键问题,并以长江三峡白衣庵滑坡节理化岩体为例,详细阐述了E.Hoek法在岩体参数评价中的应用。实例表明,该方法可较准确反映节理化岩体的力学特性,且简单、易行,值得在同类工程中推荐。     

分位数回归在岩体力学参数选取中的应用

随着大型水电工程、大型桥梁、高层建筑和地下空间工程建设的发展,如何合理地确定岩体力学参数显得尤为重要,这将直接影响到工程的投资和可靠性。本文首先简要地介绍了分位数回归的概念和性质,接着以某水电站混凝土抗剪强度试验研究、模拟裂缝化灌抗剪强度试验研究、完整黏接裂缝芯样抗剪试验研究为背景,结合大坝设计相关规程要求,采用分位数回归对其力学参数进行选取分析研究。同时也采用传统的线性0.2分位值、点群中心法、优定斜率法对该试验成果进行了计算比较,确立分位数回归在二维岩体力学参数选取中的优势。通过以上分析研究,文中首次提出采用分位数回归进行岩体力学参数选取,为工程建设参数选取方法提供参考。     

高速公路顺向坡层面抗剪强度参数试验研究

对湖北省西部某高速公路宜昌-恩施段主要边坡岩体结构面(层面)的抗剪强度参数进行了较系统的试验研究,包括岩体结构面的野外地质调查、岩体结构面原位直剪试验、软弱结构面室内模拟剪切试验及岩体力学参数估值等.对各种试验数据进行整理、分析和对比,得到了层面抗剪强度参数.在岩体工程分类的基础上,利用Hoek-Brown经验方法对各类岩体强度参数进行了估算.综合以上多种数据,并考虑岩体结构面所处具体地质条件,提出了各类岩体结构面强度参数建议值.     

随机连续模型分析裂隙岩体耦合行为

利用能够反映岩体水力性质空间变异特性的随机连续模型对隧洞开挖过程中的裂隙岩体渗流-应力耦合过程进行了数值分析。随机渗透系数场通过顺序指示模拟方法生成。顺序指示法是一种非参数地质统计学技术,他允许输入任何形式的渗透系数概率分布而不需要对分布做任何假设。由随机模拟生成的渗透系数场被投影到有限元计算网格中进行耦合分析。力学响应使用基于连续介质的节理本构模型来反映岩体中软弱面的影响。结果表明,随机连续模型能够较好地预测裂隙岩体的稳定入渗率,水力性质的空间变异性对裂隙介质的耦合过程起着重要作用。在不排水条件下,隧洞每次开挖开始时,由于岩石应力重分布,孔隙水受到扰动,短时间内不能流动平衡,因此孔压会迅速上升,这对于围岩稳定是不利的。