正交长迹线裂隙岩体REV存在性与裂隙平均间距探讨

裂隙岩体表征单元体的大小是岩体水力学特征的尺度效应的客观反映,表征单元体的性质也决定了岩体水力学参数选取的合理性和可靠性.在以理论推导和多元线性回归分析方法验证FractureToKarst软件可靠性的基础上,讨论了正交长迹线裂隙岩体表征单元体的存在性与裂隙平均间距之间的关系,以及表征单元体的合理尺寸,并利用统计学方法求解了表征单元体的渗透系数张量.     

裂隙岩体大稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

从流体扩散能量叠加原理出发,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式。综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压剪裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪,拉剪应力让损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合模型。     

各向异性裂隙岩体渗透系数计算方法探讨

针对岩体裂隙系统提出了计算各向异性渗透系数的方法，给出了使用有限差分法计算各向异性渗透系数的数值方法和差分单元渗透性的计算公式，并以实际裂隙网络系统资料为基础进行了该方法的应用探讨。该方法可以在已知裂隙网络的基础之上计算岩体的各向异性渗透系数，通过加密剖分网，它可以更好地消除裂隙非贯通性的影响，并可以处理裂隙充填等问题，此外还可以分析裂隙岩体渗透性随测量窗口尺度小的变化，并进行其连续介质性质检查。     

管单元用于缩减岩体渗透张量计算规模

为探讨裂隙空间渗流的优势路径、在满足精度的前提下减少计算量并使模型更具实用价值,根据实测结构面资料,采用圆盘模型,生成与现场岩体具有相同统计特征的三维裂隙网络,将渗流渠道简化为一维管单元模型,研究分组排列和全排列两种方式缩减计算规模对渗透张量和表征单元体(representative elementary volume, REV)大小的影响。并用某工程数据校核缩减规模效应。结果显示：采用全排列方式缩减误差相对较小;当计算规模缩减达到70%时,基本不改变渗透张量的精度;裂隙岩体的渗透张量REV尺寸会随缩减规模的增加有所增大。可见确实存在由直径较大裂隙控制渗流特性的主干裂隙网络骨架,计算时缩减裂隙网络规模到一定程度,仍然可以保证渗透张量具有足够的精度。     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

从流体扩散能量叠加原理出发,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式。综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合模型。     

各向异性裂隙岩体渗透系数计算方法探讨

针对岩体裂隙系统提出了计算各向异性渗透系数的方法，给出了使用有限差分法计算各向异性渗透系数的数值方法和差分单元渗透性的计算公式，并以实际裂隙网络系统资料为基础进行了该方法的应用探讨．该方法可以在已知裂隙网络的基础之上计算岩体的各向异性渗透系数．通过加密剖分网，它可以更好地消除裂隙非贯通性的影响，并可以处理裂隙充填等问题．此外还可以分析裂隙岩体渗透性随测量窗口尺度大小的变化，并进行其连续介质性质检查     

三维裂隙网络管单元模型确定岩体渗透张量

根据现场测量所获得的裂隙产状统计参数,利用Monte-Carlo法模拟生成相应的裂隙网络。采用管单元模型,将三维裂隙渗流网络简化为空间一维渗流网络,以工程实际校正的渗透张量作为目标,采用改进的遗传算法进行拟合,得到等效管单元直径与隙宽比值为12.337 1。据此,可得到给定产状岩体的等效渗透张量。同时,利用裂隙几何参数张量法计算渗透张量,通过比较可见裂隙网络模型更加符合实际。     

海底金矿岩石弹性纵波与孔隙率特性

采用量体积法、饱水试验法、超声波脉冲法分别测定岩石干密度、孔隙率和弹性纵波,进行孔隙率和弹性纵波关系拟合分析并构建相关模型.基于岩石的干密度、孔隙率、纵波波速和动弹性模量之间的一致性关系,提出岩体的质量分类标准,并对三山岛金矿各水平进行岩体质量分级.对孔隙率小于10%的岩石,依据动能守恒原理和岩石二相体模型,构建弹性纵波-孔隙率模型.结果表明:矿石的纵波波速大,孔隙率小,其稳固性大于岩石;岩石干密度、孔隙率和纵波波速间存在明确的线性关系,具有很好的一致性;矿区内部裂隙在孔隙率小于10%时贯通性较差,在孔隙率大于10%后较多裂纹贯通.     

断续节理岩体弹性断裂理论研究

针对节理裂隙断续切割且稀疏分布的工程岩体,进行了系统的弹性断裂分析理论研究.首先,基于能量等效原则,推导了裂隙岩体材料在压剪和拉剪作用下的各向异性本构方程.其次,同时计及远场应力及裂隙面上的压力和剪切力,给出了压剪作用下裂隙尖端区域的应力场和应力强度因子,并考虑材料单元的有限性对应力强度因子进行修正.最后,基于最大周向拉应力准则,推导了裂隙岩体单元的压剪断裂判据.     

全国优秀博士学位论文摘要矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用

地下矿床开采引起采场围岩变形破坏产生采动裂隙,采动裂隙是矿山一系列灾害的根源,研究矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征,提出可行的地球物理方法对裂隙岩体实施高精度高分辨率探测,对于防治矿山灾害发生,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文通过理论分析、数值和物理模拟以及现场试验等技术途径,全面系统地研究了矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征.主要研究内容、方法、结论及发现点如下:1)根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带这一特征,建立煤层开采前和开采后电性数学模型,利用高精度有限单元法进行电场数值模拟.计算结果表明:采动裂隙引起煤层上覆地层的视电阻率变化,其影响范围较实际破裂范围大得多,基本上是覆岩冒裂带范围的两倍,其视电阻率值最大影响区为冒落带,变化率可达19%;在裂隙发育带,视电阻率的变化率可达10%～12%.2)通过建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,实施直流电阻率法的动态数据采集及反演计算,获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征.选择采矿活动引起覆岩采动裂隙的4个关键时段,进行代表性的电场观测和计算分析.物理模拟结果表明:在覆岩变形破坏产生的裂隙带中,电场特征变化表现为正常场电阻率值升高2～3倍;而在冒落带中,电阻率值增加4～6倍;在弯曲变形带,采动过程中电性特征有一定的变化,主要表现为电阻率值略有增大.3)利用相似材料物理模拟进行覆岩变形破坏的弹性渡速度场响应特征研究,获得了覆岩采动裂隙的波场响应特征.建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,进行煤层开采之前和开采之后两个不同时段时所模拟的岩层进行声波CT测量,反演计算所模拟岩层的波速场的分布.实验结果表明:在所模拟的覆岩破坏产生的裂隙带中,速度场变化表现为正常场值降低约10%～20%;而在冒落带中,采后很难接收到弹性波穿透的有效信号.在受开采影响但未破坏的采空边缘区,波速的升高是主要特征.4)结合含完整采空区的采区三维地震资料,全面分析了在煤层采空区、裂隙带及采动影响边界的地震波场特征.研究表明:对应采空区的位置,煤层反射波消失或能量变弱,覆岩层中出现波组零乱的反射波,能量弱,连续性差;对应支撑压力区,反射波组能量明显增强;对应采动影响带,包括上倾和下倾方向边界角范围内岩层的反射渡能量明显减弱,局部出现反射空白带.根据这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙"天窗"、采动影响范围,为水体下煤炭资源开采以及岩层沉陷控制提供了可靠的地质依据和监测技术.5)建立煤层开采前以及开采后生成离层(离层充水、离层充气)的波场数学模型,利用有限差分法进行波场数值模拟.结合现场利用地震技术探测离层层位,分析了离层发育的具体位置及注浆充填离层带的效果,理论与实际相结合,并经实际检测.6)结合煤层开采底板岩体采动裂隙的动态弹性波CT现场实测试验,研究采动过程中采动裂隙产生过程与弹性波场的响应关系.探讨了动态探测方法的观测方案,确定关键观测时段和观测系统,根据CT反演的速度场特征,全面分析了底极岩体产生采动裂隙的速度场响应特征,在此基础上确定底板破坏裂隙最大发育深度,探测效果明显,为承压水上安全开采底板破坏监测提供了新的技术途径和地质保障.7)综合分析采动裂隙岩体的电性特征和波场特征,结合现场试验的结论和效果分析,提出了采动裂隙岩体地球物理方法监测初步技术体系.     

Cranny density parameters and porosity measured by elastic wave method in quasi-isotropic cranny rock masses

According to the characteristic of elastic waves propagation in medium and the application of elastic waves method in rock mass engineering, the cranny mass with random crannies was regarded as quasi-isotropic cranny mass. In accordance with the rock rupture mechanics, principle of energy balance and Castiglano＇s theorem, the relationship of effective dynamic parameters of elasticity （E, v, G） and cranny density parameters or porosity was put forward. On this basis, through the theory of elastic waves propagation in isotropic medium, the relationship between the elastic wave velocity and cranny density parameters and porosity was set up. The theoretical research results show that, in this kind of cranny rock masses, there is nonlinear relationships between the effective dynamic parameters of elasticity and wave velocities and the cranny density parameter or porosity; and with the increase of cranny density parameter or porosity of cranny rock masses, the effective dynamic modulus and the elastic wave velocities of cranny rock masses will decrease; and at the same time, when the cranny density parameter or porosity is very small, the effective dynamic modulus of elasticity and the elastic wave velocities change with the cranny density parameter, which can explain the sensitivity of effective elastic parameters and elastic wave velocities to cranny rock masses.     

Equivalent elastic compliance tensor for rock mass with multiple persistent joint sets:Exact derivation via modified crack tensor

Discontinuities constitute an integral part of rock mass and inherently affect its anisotropic deformation behavior.This work focuses on the equivalent elastic deformation of rock mass with multiple persistent joint sets.A new method based on the space geometric and mechanical properties of the modified crack tensor is proposed,providing an analytical solution for the equivalent elastic compliance tensor of rock mass.A series of experiments validate the capability of the compliance tensor to accurately represent the deformation of rock mass with multiple persistent joint sets,based on conditions set by the basic hypothesis.The spatially varying rules of the equivalent elastic parameters of rock mass with a single joint set are analyzed to reveal the universal law of the stratified rock mass.     

Prediction of the dynamic effective properties of particle-reinforced composite materials

The prediction behaviors of some coherent plane wave equations for the effective velocities and attenuations of the coherent plane waves propagating through a composite material and for the effective elastic moduli of the composites are studied. The numerical results obtained by Waterman & Truell's, Twersky's and Gubernatis's equations for Glass-Epoxy composites with various volume fractions are compared. It is found that the predictions by both Twersky's and Gubernatis's equations underestimate the effective velocities and the effective elastic moduli when compare with the predictions by Waterman & Truell's equation. Furthermore, the deviations are more evident for the shear wave than that for the longitudinal wave. But these deviations decrease gradually with the increase of the frequency and increase gradually with the increase of the volume fraction.     

基于瑞利波法对混凝土表面裂缝检测的数值研究

基于瑞利波及衍射纵波的传播时间差法,利用有限元法分析了瑞利波在含不同长度及角度裂纹的混凝土介质中的传播规律,提出了混凝土介质中表面裂缝长度和角度的计算公式,并验证了数值模拟结果的准确性。研究结果表明：在传播过程中,瑞利波一部分沿着介质表面（含裂纹表面）传播,另一部分在裂缝尖端发生模式转换,形成衍射横波和衍射纵波,弹性波传播到介质边界时被粘弹性人工边界全部吸收,消除了反射波的影响;表面裂缝长度和角度的计算结果误差基本在5%以下,只有个别数据误差较大,在一定范围内,随着裂缝长度和角度值的增大,计算结果的准确度越高。     

倾斜入射时弹性长柱的散射声场特性

讨论了倾斜入射时弹性柱散射声场形态函数的特性及其随入射角的变化，柱共振频率与纵、横波速间的关系，并对由共振频率反演柱中纵、横波速进行了探讨，结果表明，倾斜入射时的散射声场与正横入射时有很多相似之处。     

理想结合两层无限大弹性板中波的传播

针对理想结合的两层无限大弹性板，研究了Lamb波的传播特性.从基本特征方程式出发，理论上导出了两组非耦合的求解截止频率的方程式；利用泰勒展开技术，给出了长波区域弯曲振动模式和伸缩振动模式的弥散曲线渐近表达式；利用行列式运算规则，得到了弥散曲线在短波区域的渐近行为.数值计算表明，两层无限大弹性板频谱曲线图上存在且只有两个分支通过原点；在相速度谱曲线上，长波区域存在且只有一个极限相速度，在短波区域有两条分支分别趋近于两种板的Rayleigh波波速.     

加层半空间交界裂纹的弹性波散射—弹性层表面位移的远场研究

本文导出了加层半空间交界裂纹的弹性波散射表面位移的表达式,利用围道积分技术及付里叶积分的渐近分析研究了远场情况下,弹性层表面位移的渐近形式,这些结果表明远场情况下弹性层表面位移主要由Rayleigh—Like—Mode波组成。本文的分析方法直接可以用于多层半空间交界裂纹的弹性波散射问题。     

PS测井在公路隧道勘察中的应用

介绍了单孔法PS测井的原理极其相应的数据处理方法。通过获取地震波经过不同深度的岩土的直达波旅行时便可求得纵横波波速,进而通过弹性波理论基础即可根据纵横波速度计算出泊松比、剪切模量、扬氏模量、体积模量、拉梅常数、风化系数、岩体完整性系数、岩体波速等岩土动力学参数。这些参数可对隧道围岩等级做出评定,为隧道设计提供必要的依据。同时,由PS测井所得到的土层及强、中、弱风化层的纵横波速还可对面波和折射波勘探中风化层位的划分起标定作用。文中结合某一具体公路隧道勘察的应用效果,展现了该方法获取岩土动力学参数的有效、快捷的特点及其在隧道勘察中的应用前景。     

弹性各向异性损伤

采用损伤影响张量,研究了弹性各向异性损伤时的有效应力,按照Lemaitre应变等价性假设,建立了弹性各向异性损伤应力应变关系,并引入了材料的有效柔度张量.由于应变应该具有对称性,因此要求有效柔度张量具有对称性.本文采用Sidoroff的弹性能等值假设和弹性余能等值假设构造了材料的有效柔度张量.推导出损伤应变能释放率张量.