交叉裂隙岩体裂纹扩展试验及混合有限-离散元数值模拟研究

对预制交叉裂隙岩石试样进行裂纹扩展试验,研究了裂纹萌生、扩展、聚合过程,分析了主裂隙和轴向载荷夹角及主次裂隙夹角对裂纹起裂应力和聚合应力的影响,并用混合有限元-离散元程序,即图形处理器并行化的3D Y-HFDEM代码对试验进行了仿真计算,实现了岩石破坏从连续介质向非连续介质的过渡,对裂纹类及损伤破坏模式进行了识别,捕捉到了试验中难以发现的现象。研究表明：随主裂隙与轴向载荷夹角增加,裂纹聚合区的拉伸裂纹数量增加;裂纹起裂和聚合应力与主裂隙与轴向载荷夹角成正比;主次裂隙夹角增加,岩石的破坏模式由拉伸破坏转为剪切破坏,交叉裂隙加剧岩石破碎程度;主裂隙尖端萌生扩展的拉伸-剪切混合裂缝引起的破坏在岩石破坏中占主导地位,是导致岩体失去承载能力的主控裂纹;混合有限元-离散元仿真软件GPGPU并行化的3D Y-HFDEM IDE在岩石裂纹扩展研究中具有优势,可以捕捉实验室难以发现的损伤断裂类型,可以作为岩石裂纹扩展研究的有力工具。     

不同水力荷载路径下煤体微观渗流特征及宏观破坏研究

为探究煤体在不同水力荷载路径下的微观渗流特征,通过CT三维重建技术,建立了基于煤体微观结构的双介质渗流模型,并设计了恒定速度加载（LP1）、常规脉动加载（LP2）和强加载缓卸载加载（LP3）3种水力荷载路径,进行了在不同循环荷载路径下的煤体注水渗流数值模拟试验。另外利用自行搭建的煤体注水装置,探究了3种荷载路径下的宏观损伤情况。结果表明：联通裂隙占孔裂隙结构的73.49%,是影响煤体渗流的主要因素,而孔径为9～23μm的孔隙是孤立孔隙中的主要部分,数量和体积占比均超过了50%;煤体内部孔裂隙结构和荷载路径对渗流速度和压力的分布特征具有重要影响。LP1沿注入方向平均渗流速度的波动较大,LP3则抑制效果明显,且LP3路径较LP1和LP2随时间有较大跨度。LP3的荷载路径相对于LP1具有脉动荷载的疲劳损伤效果,并且造成的损伤程度强于LP2。该研究可为煤体微观结构研究和煤层注水技术参数优化提供方向。     

岩体裂隙粗糙度表征及其对裂隙渗流特性的影响

岩体裂隙粗糙程度对裂隙渗流特性的影响显著。利用三维光学扫描系统获取岩体裂隙面点云数据,结合SURFER和GEOMAGIC STUDIO等软件计算裂隙面节理粗糙度系数JRC和表面粗糙比率R_s,建立JRC与R_s的定量关系,开展应力、渗流和化学耦合作用下石灰岩裂隙渗流试验,研究JRC和R_s对粗糙裂隙渗流特性的影响。结果表明：JRC与R_s呈对数函数关系,其平方根R²为0.912 8,该表征公式与裂隙渗流试验结果最大相对误差MRE、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE分别为6.93%、0.34和0.27。JRC与渗流量、稳定期渗透率分别呈二次函数和对数函数关系,R_s和各参数的拟合关系与JRC相同。JRC值越大,渗流量和渗透率越小,且三场耦合作用下裂隙面JRC和R_s值均有所增大。该表征方法可用于岩体裂隙面粗糙度估算,由裂隙面JRC值可预测该裂隙渗流量和稳定时刻渗透率。     

改进鼠群优化算法在地下岩体破裂事件定位中的应用研究

在地质灾害监测过程中,地下岩体破裂事件的定位是实时监测的一项关键技术。针对传统的定位方法均存在着不同程度的误差,为了减小事件定位的误差,提高定位精度,提出了一种改进鼠群优化算法用于地下岩体破裂事件的定位,以提高岩体的定位精度。首先,将Levy飞行策略引入鼠群优化算法中,以增强算法的局部搜索能力和全局寻优能力;其次,采用时差定位(Time difference of arrival, TDOA)方法建立目标函数,将目标函数作为算法的适应度函数进行岩体破裂事件定位;最后,验证了该算法的有效性和可行性,与其他定位算法比较,本算法定位精度较高,并且具有较好的鲁棒性和收敛性。     

冻融循环对土体分散性的影响及微观机理分析

以吉林乾安地区土样为研究对象,通过对经历不同冻融循环次数的原始土样及改性后土样进行分散性测试和电镜扫描试验,利用MATLAB图像处理软件、CIAS裂隙定量分析程序对土样裂隙进行定量处理,探究循环冻融作用下土体分散性的变化规律与土体裂隙参数之间的关系及其微观机理。结果表明：(1)未经明矾处理的土样分散性随冻融循环次数的增加而增加,经明矾处理的改性土样在有限次(20次)冻融循环条件下分散性不发生变化;(2)冻融循环作用下结构单元体破碎,使土样中细粒含量增加从而使土体分散性增强,同时新形成的裂隙将土体切割成大小不一形状各异的块体,进而加剧了土体的分散性;(3)裂隙参数中,裂隙分形维数与土体分散性等级值相关性较好,裂隙率次之;(4)明矾中的铝离子替代了土颗粒表面的钠离子,增大了土颗粒之间的吸引力,从而降低了土体的分散性,且试样分散性受冻融循环条件的影响较小,因此明矾可作为一种良好的改性剂用于治理季冻区分散性土。     

膨胀土边坡渗透变形的表面裂隙图像特征分析

膨胀土在我国分布广泛。由于其具有涨缩特性,膨胀土边坡在干湿循环条件下易失稳形成滑坡,造成严重的地质灾害。裂隙的发育-扩展-贯通则是膨胀土边坡失稳致灾的前提,因此,准确把握裂隙的发育机制、图像特征,进而推演膨胀土滑坡的形成过程,是一条重要的预警途径。本文以安徽淠史杭灌区膨胀土边坡为研究对象,进行“降雨+自重”条件下的原位试验,对失稳过程中的土体表层裂隙图像特征进行系统研究,重点分析裂隙度、裂隙几何特征参数的变化与边坡失稳之间的关系。研究结果表明：通过土体表层裂隙图像的综合分析,进行边坡危险性评价,具有可行性;针对该地区膨胀土边坡,起始裂隙度处于0.19～0.03范围,后续裂隙度相较初始状态增加范围处于0.5%～1%,且沿软弱结构面存在的横向裂隙发育为主控裂隙时,边坡出现异常,应提出预警。     

叶巴滩水电站建基岩体多断层组合模式及工程影响

多断层作为叶巴滩水电站坝址区一类典型的地质缺陷,对高拱坝坝基变形、抗滑稳定的影响不容忽视。本文基于坝区断层的发育情况及基本特征,提出了多断层的概念,并从动力运动学角度分析建基岩体多断层之间的地质力学形成机制及其空间展布特征,得出叶巴滩水电站坝址区多断层的3种基本组合模式：平行雁列型、共轭剪切型、主次共生型,将建基岩体复杂的断层情况化繁为简,并结合现场勘察数据,采用定性和定量相结合的方法,对比分析了不同组合模式下断层对建基岩体质量的劣化程度,其中：共轭剪切型、主次共生型断层组合模式对岩体的劣化程度强烈,使岩体质量下降一级;平行雁列型断层组合模式对岩体的劣化程度一般,使岩体质量下降半级。同时,讨论了不同模式下断层影响途径与劣化程度的关系。研究成果为叶巴滩水电站建基岩体的开挖处理和风险防控提供了技术支撑。     

含裂隙岩质深基坑桩锚支护结构变形特征研究

由于开挖量大、施工周期长、施工环境复杂等特点,深基坑工程容易发生施工安全事故。以重庆市某含裂隙岩质深基坑工程为背景,采用有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型,模拟了在多层预应力锚索桩板挡墙支护下基坑全开挖过程。基于数值结果分析了基坑开挖过程中土体以及支护结构变形特征。数值计算结果及实测数据表明:(1)受裂隙及邻近建筑的影响,基坑支护结构体系变形以及坑外地表沉降分布具有明显的空间效应;(2)基坑角点处冠梁弯矩随开挖深度的变化规律与基坑中部明显不同;(3)基坑北、南侧中部支护桩的桩身变形呈复合式,东、西侧中部呈悬臂式;(4)采用HS土体本构模型获得的结果与工程实测结果更加符合。地表沉降的数值结果与实测数据较为接近,证实了数值模型的可靠性。研究结果可为类似工程提供参考。     

节理岩体法向蠕变特性的数值模拟

对含节理面的岩体模型进行数值模拟,研究节理面倾角、间距和条数等对节理岩体的轴向瞬时应变、轴向蠕变应变的影响。结果表明：(1)含单组平行贯通节理时,且节理面等间距均匀分布时,当节理面的倾角β为90°时,轴向瞬时应变和蠕变应变随节理面条数的增加几乎没有变化。当节理面条数保持不变,随着节理面的倾角β由0°增加至90°时,轴向瞬时应变和轴向蠕变应变呈先增加后减小的变化规律。(2)当节理岩体模型中含有2条交叉的贯通节理面时,竖直荷载方向与第1条节理面间的夹角,以及两条节理面间的夹角对节理岩体的轴向瞬时应变和蠕变应变均有所影响。