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。     

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。     

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。     

蒙特卡洛法网络模拟及其在岩体边坡稳定分析中的应用

针对工程实际中遇到的岩体边坡稳定问题，运用岩体结构面网络模拟技术对现场岩体结构面进行模拟以进行分析和计算：而网络模拟技术的一个典型代表是蒙特卡洛模拟：应用蒙特卡洛计算机模拟程序及模拟结果，能够比较清晰和逼真的再现现场结构面的各项几何特征，例如节理分布、岩体连通性等等，从而为进一步的边坡稳定分析做准备。在实例计算中，选取某实际工点进行了分析。     

三维条件下应用遗传算法与Monte-Carlo法确定节理岩体的综合抗剪强度

使用遗传算法并充分利用二维研究成果，提出了在结构面三维模拟网络中搜寻结构面与岩桥的最小抗剪力组合的断层扫描方法，从而可以应用Monte-Carlo法的原理，在计算机上多次模拟岩体的剪切试验，最终确定节理岩体的综合抗剪强度。该方法反映了结构面在三维岩体空间的几何分布特征，抓住了控制岩体力学性质的主要因素，并通过使用二维的结构面扩展模型反映了结构面与岩桥的破坏机理及结构面与岩桥的相互作用机理。实例分析的计算结果与反演结果相符，说明了该方法的合理性。     

坝基各向异性岩体内渗透力的三维边界元分析

本文考虑到裂隙岩体透水性的非均质各向异性特点,应用三维边界元计算坝基渗透力。算例表明,坝基岩体各向异性特性对坝基岩体内各点渗透力的大小及分布有一定的影响;坝基排水孔对改善坝底扬压力大小、分布有显著的作用。     

大型地下洞室围岩稳定性的岩体结构控制效应研究

大型地下洞室围岩稳定性问题突出表现为大跨度、高边墙的巨大开挖面与岩体结构面组合而产生的围岩块体稳定性问题以及岩体结构对围岩变形破坏的控制和变形量预测问题.本文以三峡水电工程地下厂房为实例,通过大量的现场调查和实验及模拟分析,开展了大型地下洞室围岩稳定性评价中的岩体结构控制效应研究,重点是岩体结构对岩体质量及其宏观力学特性的控制效应.研究中以结构面网络模拟的结果为基础,以模糊信息优化技术、拉格朗日有限差分法、分形几何、损伤力学等技术、方法、理论为手段,初步解决了大型地下洞室的不同具体工程部位岩体质量及其岩体宏观力学参数的评价问题,为工程实践中这类问题的解决探索了一条新途径.论文主要内容包括以下几个方面:博士学位论文(1) 应用系统工程层次性理论,确定地下厂房区岩体结构面的分类原则和描述体系,通过对厂房区岩体结构面的系统调查、分类、统计研究,建立厂房区岩体结构面的确定性层次模型和统计模型.(2) 系统研究厂房区宏观贯通性结构面的工程地质特性及其工程控制效应,确定地下厂房中由控制性结构面和开挖面组合所产生的大型几何可移动块体的空间分布、规模、稳定状态及因素敏感性.(3) 通过对短小、断续性结构面统计特征的研究,将地下厂房区划分为5个岩体结构统计均质区,应用结构面网络模拟技术,研究各个岩体结构均质区结构面的发育分布特征,并以此作为岩体质量及其宏观力学特性研究的基础.(4) 在结构面网络模拟计算结果的基础上,应用模糊信息优化技术研究了厂房区各个岩体结构分区的岩体质量并与岩体基本质量指标[BQ]研究法、岩体质量指标RQD值研究法作了对比,结果表明以结构面网络模拟结果为基础,应用模糊信息优化技术进行岩体质量评价能够取得很好的效果.(5) 通过对已有的现场大型岩体变形试验结果的分析及相应试验点岩体结构分形特征的研究,建立了结构面分布的分形维数和岩体变形指标间的相关关系,并应用这种相关关系根据结构面网络模拟及分形维数计算结果确定缺少试验结果的地下厂房各具体工程部位的岩体变形指标而且应用于围岩稳定性计算.(6) 通过应用拉格朗日差分法对岩体强度指标的数值分析并与按连通率加权平均计算法及现场实验结果对比表明:模拟岩体力学实验与现场实验相结合可以简便易行地达到评价复杂岩体不同具体工程部位岩体强度参数的目的;按连通率加权平均计算法在考虑合理的折减系数情况下,可以简单快速地对缺少现场大型试验结果的具体工程部位实现岩体强度指标的估计.在此基础上研究了地下厂房各个岩体结构分区的围岩强度参数并应用于稳定性计算.(7) 通过结构面网络分形维数的研究,应用分形损伤耦合分析方法,研究了厂房区岩体的损伤特征,并引入"损伤度”的概念,建立了基于岩体损伤特征的岩体质量评价指标体系.(8) 分别应用二维及三维有限元数值模拟技术,研究了主厂房开挖后围岩二次应力场重分布的规律及岩体的变形破坏特征,从而对厂房开挖后围岩稳定性状况得出了明晰的认识.     

基于三维激光扫描的高陡边坡块体稳定性研究

艰险山区工程建设中高陡边坡块体稳定性是安全与防灾的重要问题,对艰险山区高陡边坡岩体结构面的调查是分析该问题的关键。以澜沧江某重大工程高边坡为研究对象,应用三维激光扫描技术,研究了远距离调查分析岩体结构的分析方法,分析了该高陡边坡的岩体结构面空间分布状况,统计分析了结构面的优势方向和岩石块体的分布状况,以此为基础,应用极限平衡分析方法,研究了该高陡边坡的岩石块体稳定性。     

一种新的岩体力学数值计算方法——叠单元法

提出了一种新的岩体力学数值计算方法——叠单元法。首先,对含多条不连续面的复杂岩体,将其离散成不含不连续面的整体网格和各条不连续面及其邻近区域的局部网格,而且网格之间相互独立。位移场通过在各网格中插值并叠加得到。然后,由虚功原理推导出了整体平衡方程中的广义刚度矩阵和荷载向量的具体表达式,并对其数值积分方法进行了讨论。最后,分析了2个平面应力问题的算例,且通过与有限单元法的计算结果进行对比,验证了叠单元法的准确性和合理性。叠单元法的最大特点是可以将复杂岩体的网格划分工作分解成几个相互独立的简单网格,从而使网格离散变得简便易行。该方法可以直接推广到三维问题和非线性问题中,因此,有望广泛应用于复杂岩体的变形与稳定分析。     

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。     

非层状岩体三维可视化构模技术研究

根据工程岩体的特征，从三维构模的角度，在中国矿业大学(北京)岩土工程研究所研究工作的基础上将岩体的结构单元类型分成二大类四种：即层状的连续型非倒转岩体、非连续型(断裂)岩体及倒转褶皱岩体和非层状岩体(侵入岩体、喷出岩体等)。借助三维GIS的可视化技术与面向对象的构模方法，根据非层状岩体的空间几何特征及地质数据的特点，提出适合于非层状岩体的数据模型，采用断面构模技术实现非层状岩体三维构模。利用多条轮廓线之间的三维表面重构方法构建非层状岩体的表面模型，将多条轮廓线之间的表面重构问题转化为体数据中的等值面构造问题。进而形成非层状岩体的三维可视化构模技术。开发了三维可视化构模系统，并利用该系统所提供的构模技术实现了灵宝金矿侵入型岩体三维模型的构建。     

Determination of three dimensional hydraulic conductivities using a combined analytical/neural network model

Analysis of groundwater flow through fractured rock masses is an essential step in many engineering and environmental problems, such as in safety assessment of radioactive waste storages, hydrocarbon storage caverns and hydropower projects. The most important hydrological parameter in groundwater flow analysis is the hydraulic conductivity which is anisotropic and heterogeneous in the fractured rock masses. To analyze the groundwater flow correctly, some site investigations through boreholes must be carried out. One of the challenges in seepage analysis for an engineering project is how to determine the anisotropic and heterogeneous hydraulic conductivities of the fractured rock masses using the limited in situ investigation data. In this study, a new practical approach for the determination of three dimensional hydraulic conductivities of fractured rock masses is presented. Starting from rock fracture properties surveyed in six boreholes, the anisotropic hydraulic conductivities are estimated using the in situ injection test results and Oda’s theoretical model. A neural network method is then utilized to generate the three dimensional heterogeneous hydraulic conductivities based on the anisotropic hydraulic conductivities along the six boreholes. In order to evaluate the reliability of this approach, a 3D numerical seepage model using code FLAC3D is performed for a real project. The inflow values in a shaft obtained with the 3D numerical analysis are compared with the in situ measured flow. The result indicates that the derived hydraulic conductivity is acceptable.     

三维块体接触判断方法的分析与改进

非连续变形分析方法和离散单元法都是可以计算非连续介质大位移问题的数值方法，目前在二维问题的计算中应用较多，但在工程实际问题的计算中还未能得到广泛应用，因为实际的工程问题如岩体结构都是三维问题。而在计算三维问题时存在一个困难，就是难以快速、准确地判断块体之间的接触类型。对已有的3种接触判断方法尤其是其中已用于实际计算的公共面法、侵入边法进行分析，指出各种方法在进行接触判断时存在的问题。同时在综合已有方法优点的基础上，给出建立正确接触判断方法的原则并提出切割体法。2个算例的计算结果表明，该方法的确有效地解决了已有方法存在的问题，能够正确判断三维块体之间的接触关系，从而模拟块体之间的错动滑移过程。     

用遗传算法求解节理岩体三维连通率

应用节理岩体三维网络模拟技术建立结构面在三维空间分布的概率统计模型，将连通率的概念和求解均建立在岩体潜在破坏路径之上，通过连通率的求解米搜索岩体的最可能破坏路径。在搜索结构面和岩桥搭接组合破坏的临界路径过程中，应用了具有鲜明生物背景的遗传算法，并将这一结果应用于实际岩体工程，取得很好的效果。     

裂隙岩体三维网络流的渗透路径搜索

裂隙是岩体的主要渗透通道,但裂隙网络的分布非常复杂,只能借助计算机模拟技术。以随机不连续面三维网络计算机模拟技术构筑岩体裂隙系统的空间分布,为岩体水力学问题研究提供岩体空隙结构的物理背景;依据计算几何学提出三维空间裂隙间相互位置关系模式和相应的判定算法,并建立裂隙网络系统渗流模型和表征裂隙间相互位置关系的图论数学模型,经定义边界条件、确定连通分量、删除孤立裂隙等一系列预处理后,实现了裂隙岩体三维网络流渗透路径的计算机搜索。     

二维应力场作用下岩体弹性波速与衰减特性研究

基于岩体在二维应力场作用下的节理变形分析,运用节理变形对岩体中节理体积率的改变,建立节理对岩体中弹性波传播影响的等效模型,从而推导节理岩体在应力场作用下的弹性波传播速度和衰减随应力的变化关系。为检验理论公式的可靠性,对2组含裂缝的石膏模型进行弹性波测试,试验测试结果表明,理论计算结果与试验结果具有较好的一致性。     

岩体裂缝面数量三维分形分布规律研究

采用计算机仿真的数值试验方法,首先证明了岩体裂隙面数量服从三维分形分布规律这一自然现象。然后根据大量的计算以及理论推演,得到了裂隙面的2个重要的分形参数(分形维数和分形分布初值),以及分形维数DS和分形分布初值NS与二维剖面裂隙迹线分形参数DL,NL的相关关系。即二维分形维数与三维分形维数遵循:DL = DS-1,二维分形维数DL与裂隙面的其他参数无关;二维分形分布初值NL与三维裂隙面的倾角ST,方位角SP遵循投影关系;二维分形分布初值NL与三维分形分布初值NS遵循正比关系:NL = kNS,k值决定与岩体剖面和三维裂隙面的投影关系。实测结果证实了这些关系的正确性。这些结论为研究裂隙岩体的其他物理力学性质奠定了基础。