岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真理论与技术

以岩体裂隙面数量分布具有分形特征为基础,建立了岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真模型,并采用 VisualC 6.0 开发出岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真系统。利用该仿真系统可方便地研究岩体内部任意剖面的裂隙迹线分布特征以及任何子块内裂隙面的分布特征,为岩体工程稳定性及其应力分布分析带来了极大的方便。     

裂隙化岩体不连续面密度的分形研究

 不连续面密度是表征岩体内部不连续面分布特征的重要参数之一,但是岩体内不连续面的分布是随机的、不规则的,要想准确获得岩体不连续面密度的真实值是不可能的。基于现场调查的岩体露头不连续面特征,借助计算机模拟技术建立岩体不连续面分布的二维、三维随机裂隙网格模型,从数理统计学的角度计算岩体不连续面密度数值。并基于分形理论计算岩体不连续面分布的二维、三维分布特征,尝试建立岩体不连续面密度与分维数的数学关系。计算结果表明,岩体不连续面密度与分维数具有相同的变化趋势,随着不连续面分维数的增大,不连续面密度增大,不连续面密度与分维数之间存在线性关系。研究结果表明,不连续面分布的体密度和三维分形维数,可以更加综合地反映岩体内部不连续面的分布特征和空间信息及对岩体强度参数的影响,对工程应用具有更好的实际作用。且在此基础上,提出基于不连续面分布的体密度和三维分形维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。     

三维结构面连通率的随机模拟计算

通过对裂隙岩体中大量随机分布的结构面调查资料的统计分析，得出结构面分布的统计规律，运用随机模拟的方法，建立了裂隙岩体的三维结构面网络。通过三维结构面网络图像，在大量实际工程岩体破坏面特征调查的基础上，提出了三维结构面连通率的概念，并应用岩桥破坏机理，选取通过破坏面的结构面，采用三维曲面拟合的方法，建立了三维结构面连通率的计算方法。     

基于分形理论的裂隙岩体地下水溶质运移模拟

岩体裂隙面是粗糙不平的，具有分形特征。裂隙本身可以看成由上下两裂隙面叠合而成的，可以应用分形几何理论来模拟粗糙裂隙面和裂隙张开度的分布情况。在用分形理论模拟裂隙面及裂隙张开度的基础上，用特征有限元方法对粗糙裂隙中的溶质运移进行了模拟。模拟结果显示，考虑裂隙面的粗糙度，模拟其中的溶质运移更符合实际情况。与平均张开度下光滑裂隙中的溶质运移相比，粗糙裂隙中的浓度锋面更落后，而且存在不均匀性和各向异性的特点。     

包含定位长大裂隙的节理岵体连通率的计算及应用

岩体中节理面的分布情况极为复杂,除了那些大量呈随机分布的结构面外,尚有一些数量相对较少,但规模较大,利用近代勘探手段可以准确定位的长大裂隙。这些长大裂隙,对岩体的强度和稳定性起着举足轻重的作用。针对工程的实际情况,在应用网络模拟进行连通率分析计算时,将这些长大裂隙与随机结构面网络耦合在一上结,使连通率计算成果更加合理。     

节理岩体强度的分形统计分析

岩体中存在大量节理、裂隙，导致岩体力学性能弱化。基于岩体节理断裂扩展和剪切滑移2种失稳破坏机制，运用分形和统计断裂力学方法探讨了2种破坏方式下节理岩体的统计强度。结果表明，岩体强度与岩体中节理分布的分形维数密切相关，分形维数增大导致岩体强度非线性降低。     

采动岩体分形裂隙网络研究

采动岩体裂隙网络发展规律和定量描述是当今矿山开采沉陷学科中基本的有其重要的难题之一。借助相似材料模型实验,模拟了采动岩体的裂隙分布状态,应用分形几何理论研究采动岩体裂隙分布的自相似规律,继而研究发形裂隙网络随着采宽增加的演化规律,研究结果表明：采动岩体裂隙分布具有分形特征,用分形维数可以综合描述采动岩体沦程度,随着采 增加,导致采动岩体分形裂隙网络出现升维现象。     

三维节理岩体分形维数与RQD相关性研究

 应用三维随机不连续面网络模拟技术对岩体结构统计均质区内的不连续面进行计算机模拟,再现岩体结构,并应用分形理论计算三维节理岩体的分形维数。平行于三维节理岩体网络模型的x,y,z轴布置测线,计算不同阈值下三维岩体的岩石质量指标(RQD)。对获取的分形维数与RQD分析表明,三维岩体RQD随分形维数增大而减小,二者具有良好的线性关系。最后,推导三维节理岩体的分形维数与若干个阈值下RQD的关系式,并根据不同阈值下RQD与分形维数关系曲线的斜率确定合理阈值。     

考虑渗流特性的岩体结构面分形特性研究

 裂隙的连通性和密度是影响岩体渗流特性的重要因素。从岩体渗流研究的需要出发,对计算机模拟的岩体裂隙网络,应用分形几何理论,提出考虑裂隙连通性和密度影响的岩体结构面信息维数的计算方法,建立信息维数与岩体渗透系数的关系,进而可以用信息维数和岩体结构面几何参数来直接推求各向异性裂隙岩体的渗透系数张量。工程算例表明：(1) 考虑渗流应力耦合作用时,用容量维数计算的渗透系数比用信息维数计算的值高出2倍多,说明用容量维数计算岩体渗透系数会夸大裂隙岩体的渗透能力;(2) 信息维数能较好地反映裂隙密度对渗流的影响。信息维数越大,表明岩体内连通裂隙数量越多,因而岩体的渗透性就更大一些。     

节理岩体结构的分形几何研究

在岩体结构宏观分区的基础上,应用分形几何的观点从三维角度对分区内的岩体结构进行了研究。应用随机不连续面三维网络模拟技术建立岩体结构统计均质区内不连续面的概化模型,借助计算机模拟再现岩体结构;从岩体结构网络图中抽取“样本”,通过计算二维、三维样本的分形维数,表明三维分形维数等于二维分形维数加1,从三维角度表明统计均质区内岩体结构具有统计自相似性。     

剪切过程中岩石节理粗糙度分形演化及力学特征

在系统测量和试验的基础上，研究了剪切过程中岩石节理粗糙面的分形特征和岩石节理的力学行为，阐述了岩石节理面分形维数Ｄ和截距Ａ与岩石节理在载荷作用下法向、切向变形以及抗剪强度之间的关系，得出岩石节理在剪切过程中由于表面损伤而引起的表面分维Ｄ和截距Ａ的演化规律。研究表明：分维Ｄ和截距Ａ是描述节理面粗糙性的两个重要的参数。前者反映节理粗糙面的不规则程度，后者则与节理面粗糙体（ａｓｐｅｒｉｔｉｅｓ）的坡度密切相关。仅依据分形维数Ｄ不足以确定岩石节理的粗糙性与岩石节理力学行为之间的关系。在许多情况下，岩石节理的力学性质对截距Ａ的依赖程度大于对分维Ｄ的依赖程度     

岩体结构面三维粗糙度评价的新方法

 为了获得具有明确几何意义及理论依据的岩体结构面粗糙度评价指标,结合结构面剪切破坏机制,阐明将结构面潜在接触部分作为粗糙度评价重要因素的理论依据;将结构面粗糙度评价指标与其力学性质建立联系,提出描述结构面三维粗糙程度的新参数–粗糙度指标 。 即岩体结构面的潜在接触部分在垂直于剪切方向的面的投影面积与结构面水平投影面积之比, 体现了结构面在剪切方向的三维几何信息,具有各向异性。基于三维激光扫描技术及Matlab编程,实现了结构面三维几何模型的建立及 的计算。以工程应用实例,展示 的计算过程;研究同一结构面不同精细程度的几何模型的 ,结果表明：基于 评价的结构面粗糙度具有各向异性,且同一剪切方向的结构面 随其几何模型精细程度的增强而增大。对比研究 与Grasselli粗糙度评价方法,结果表明基于此2种方法的粗糙度评价结果具有相似性。此外, 可与结构面抗剪强度建立一定联系,为结构面抗剪强度估算模型的进一步研究奠定了基础。     

断续节理岩体随机模型三维离散元数值模拟

针对断续节理岩体提出了一种随机计算模型。在该模型中，假设结构面的形状为正方形，通过岩体结构面的统计分布函数模拟结构面的空间随机分布。给出了随机节理模型的实现方法，对该随机模型的算法可靠性进行了验证。通过单向加载模拟试验研究了节理岩体破坏强度与节理倾角及节理连通率等因素的关系，并与极限平衡条件推导的理论结果进行了比较，分析了数值模拟结果与极限平衡理论结果的异同性，进而验证了节理随机计算模型的可靠性。同时，研究了节理连通率与岩体等效弹性模量之间的影响关系，给出了二者的影响关系式。     

节理在不同接触状态下的渗流特性

 将取自雅砻江水电站锦屏二期工程施工现场的白色大理岩,采用劈裂法制成张拉性人工节理试件,用TJXW–3D型岩石节理表面形貌仪测量节理的表面形貌,并采用自行编制的表面形貌和组合形貌参数计算软件,分析其用以表征节理表面形貌的节理面二维分形维数,以及用以表征组合形貌的节理内空腔的三维分形维数。对节理面进行错位,以改变其接触状态,然后进行不同接触状态下节理的渗流试验。将试验实测结果与传统的经验公式及各种修正公式的计算值进行比较,发现利用现有经验公式分析试验结果存在较大的偏差。通过对实测数据做进一步分析,发现表征节理表面形貌和组合形貌特征的分形维数也是影响节理渗透率的重要因素之一。综合考虑节理透过率以及表征节理形貌的分形维数等因素对节理渗透特性的影响,得到更为合理的节理渗流经验公式,该公式具有更广阔的应用前景。     

砂岩渗透性能微观图像分形分析

砂岩渗透性能一般都通过实验室或野外试验测试确定。本文基于岩石微观空隙分形特点．确立了岩石渗透率与分形维数的定量关系,实现了直接利用岩芯电镜扫描微观图像分形技术测定岩石宏观渗透性能的目标。为了精确统计SEM图像中不规则孔的面积、周长、半径、个数等参数,解决获取切片孔喉分形维数这一难题,应用Imagepro plus专业图像软件处理扫描电镜切片图像。将岩石渗透率理论值与实验室渗透率测定结果对比,结果表明：宏观渗透率与微观分形参数D的理论关系式成立,具有工程应用推广价值。     

岩体爆破的损伤统计演化理论模型

将实际爆破工程中的岩石爆破作为岩体工程的范畴，讨论岩体爆破的一般特点，并从岩体初始结构弱面的统计特性和爆破后的块度分布特征出发定义一种新的岩体损伤变量。将损伤变量与裂隙的分形维数相联系，构造一种岩体爆破统计损伤的演化理论模型。这种损伤量的定义满足完整岩石的损伤值为0，爆破以后岩体的损伤值为1。通过对该模型的初步计算分析表明，此模型具有清晰简明的特点和一定的实际应用价值。     

水电工程岩体变形模量与波速相关性研究及应用

 水电工程常常用原位岩体承压板法变形试验的变形模量E0与对应部位岩体的纵波速度VP之间的关系来确定大范围及深部岩体宏观变形参数,E0-VP的相关性与试点的地质代表性、测试方法、试验数量、选用的函数关系等有关。介绍建立E0-VP关系的试验方法及影响因素,以典型工程为实例,从试验数量、地质代表性、试验条件及函数关系4个方面研究E0与VP之间的相关性及对宏观变形参数的影响程度,分析国内10多个水电工程建立的E0-VP关系特点及一般规律。研究表明,在考虑主要影响因素后,建立的E0-VP关系具有一定的普遍性和适用性。对评价不同勘探阶段大范围岩体和深部岩体变形参数具有十分重要的工程意义。     

岩体节理网络分形的计算机模拟研究

本文利用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ法在计算机上生成岩体节理网络图,然后介绍了求分形维数的盒维法,并编写了相应的计算该网络分形维数的程序;最后分析了一些算例,并得出了分形维数与节理参数及ＲＱＤ之间的关系。     

基于损伤能量耗散的岩体块度分布预测

提出一整套岩体块度分布预测方法。首先，根据岩石分形断裂切割岩块的块度形成机制，利用能量守恒关系，建立损伤–能量–碎块尺寸理论关系式。为方便应用，将该式简化。然后，根据块度分布的自相似性，将岩石块度分布特性应用于岩体块度分布预测。提出适合工程应用的损伤模型建立方法，并针对岩体块度分布的特点，定义岩体裂隙损伤参数。作为实例，计算金川节理岩体的块度分布。该研究对于自然崩落法采矿岩体块度分布预测具有重要意义。