裂隙岩体宏观力学参数研究

 裂隙岩体的变形模量及强度特性是工程界关注的焦点,其关键是岩体变形模量及强度的尺寸效应和表征单元尺寸(REV)。根据锦屏二级水电站大理岩裂隙统计分布规律及岩块和结构面力学特性试验成果,确定岩块和结构面的本构模型,建立考虑无厚度裂隙面力学响应的分析模型。研究不同尺寸、不同统计窗裂隙岩体的力学响应特征,并重点研究裂隙岩体变形模量和单轴抗压强度的尺寸效应、REV特征以及各向异性特征。该研究方法为裂隙岩体的宏观力学参数取值提供参考,研究成果也为锦屏二级水电站工程岩体参数取值提供了依据。     

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。     

裂隙随机分布时岩体力学性质对应力状态的依附性

在不考虑裂隙相互作用和裂隙断裂扩展并假设裂隙随机分布的情况下，运用线弹性断裂力学理论和闭合裂隙模型探讨了在三轴压缩、单轴压缩以及单轴拉伸3种情况下裂隙岩体变形模量的变化规律。对裂隙岩体变形而言，裂隙密度参数和裂隙面摩擦系数是最重要的2个影响因素。随着裂隙密度参数的增加，变形模量有减小的趋势；随着裂隙摩擦系数的增加，变形模量有逐渐增加的趋势。通过计算分析可以看出，三轴压缩时的变形模量最大，单轴压缩时的次之，单轴拉伸时的最小。     

温度饱和水下的裂隙岩体力学特性研究*

在理论上，利用O‘Connell的饱和水裂隙岩体等效弹性模量与岩石模量的关系式，并由式中的裂隙密度概念意义，建立了温度作用下的裂隙密度与Oda提出的裂隙张量之间的关系式；在试验的基础上，给出了温度、饱和水下的单裂隙岩体应力－应变、抗压强度回归拟合关系表达式。并通过试验与拟合结果对以加以验证，其裂隙岩体力学模型可为裂隙岩体THM耦合分析提供合理的依据。     

多组贯穿裂隙岩体变形特性研究

 天然岩体通常含有多组平行分布的贯穿裂隙,因此,在工程设计和围岩的稳定性分析中,研究多组贯穿裂隙岩体的变形及其变形特性具有重要意义。假设岩块为各向同性线弹性体,裂隙的应力与位移之间满足线性刚度关系,利用莫尔应力圆方法,建立多组贯穿裂隙岩体变形的计算模型。在此基础上,将裂隙岩体等效为各向异性连续体,给出裂隙岩体的等效弹性模量和等效泊松比,研究岩块和裂隙的材料和几何参数对岩体等效弹性模量和等效泊松比的影响。模型能较全面的考虑构成岩体的岩块和裂隙的材料参数与几何参数对岩体变形的影响,对预测岩体的变形和稳定性有一定的参考价值。     

煤岩体孔隙裂隙双重介质逾渗机理研究

介绍了孔隙裂隙双重介质逾渗概率的研究方法,在此基础上研究了煤岩体的逾渗概率与渗透系数的关系,分析了裂隙、孔隙及二者共同作用对煤岩体逾渗概率的影响。结果表明:煤岩体这类孔隙裂隙双重介质的逾渗概率与其渗透系数呈指数规律;煤岩体的裂纹孔隙率决定孔洞孔隙率对其渗透性的影响程度;同时,裂隙还决定了孔隙裂隙介质的逾渗规律,使其与多孔介质的逾渗规律具有完全不同的形式。     

断续节理岩体渐进破坏数值模拟方法及等效力学参数的测定

工程岩体分级标准一般不考虑工程岩体的本构关系,仅提供黏聚力和内摩擦角,岩石的力学参数及现场小尺度的试验结果也不能直接用于工程计算。针对这一问题,利用岩石及结构面的实测参数建立含随机裂隙的岩体数值模型,模拟裂隙岩体渐进破坏过程,并获取岩体等效力学参数的数值模拟方法。计算结果证实,考虑地应力及卸荷条件下,计算获得的岩体强度参数较基于工程岩体分类体系的经验值高30%~50%,各风化、卸荷区结论一致,数值模拟获得的岩体卸载变形模量与工程实测值反演获得的变形模量一致。采用数值模拟方法获取岩体破坏模式、本构关系及相应的强度、变形参数是可行的。     

剪应力作用下岩体裂隙渗流特性研究

通过对规则、均匀、粗糙裂隙的渗流剪切实验，结合裂隙面受剪时的力学机理，研究了岩体裂隙在剪切荷载作用下的渗流特性，并对裂隙剪缩阶段过流能力的变化进行了探讨。实验结果表明，剪切荷载作用下，裂隙在剪动前渗透性随剪应力的增加而降低，且渗透系数与剪应力有十分明显的线件关系。     

应变敏感的裂隙及裂隙岩体水力传导特性研究

通过将岩体单裂隙视为非关联理想弹塑性体，导出单裂隙在压剪荷载作用下，其机械开度和水力传导度的解析模型，并采用已有相关试验研究成果对解析模型进行验证。在此基础上，通过将岩体概化为含一组或多组优势裂隙的等效连续介质，给出一种描述裂隙岩体在复杂加载条件下考虑非线性变形特征及滑动剪胀特性的等效非关联理想弹塑性本构模型。基于该模型，给出裂隙岩体在扰动条件下应变敏感的渗透张量的计算方法，该计算方法不仅考虑裂隙的法向压缩变形，而且反映材料非线性及峰后剪胀效应对裂隙岩体渗透特性的影响。该模型通过引入滑动剪胀角和非关联理想塑性，较为逼真地反映了真实裂隙及裂隙岩体峰后的剪胀特性、变形行为和水力传导度变化特征。通过数值算例，研究了裂隙岩体在力学加载及开挖条件下渗透特性的演化规律。     

注浆加固对岩体裂隙力学性质影响的试验研究EI北大核心CSCD

注浆技术对裂隙岩体的加固效果显著,对岩体裂隙面的力学特性产生极大影响。为研究注浆加固对岩体裂隙力学特性的影响规律,创新性地提出一种岩体裂隙试件制作方法,克服了原岩裂隙取样困难的难题。将该方法制取的裂隙试件在自主研发的裂隙岩体注浆系统平台上进行注浆加固试验,并对注浆加固后的岩体裂隙试件开展相关的法向及切向力学加载试验。试验结果表明:人工制取的裂隙试件与原岩裂隙几何相似性良好,符合室内物理试验要求;注浆加固会显著改变岩体裂隙面的法向切向力学特性,注浆加固后岩体裂隙的峰值抗剪强度及残余强度得到极大提高,裂隙面的抗变形能力增强;裂隙面法向加载会影响其切向力学行为,切向抗剪强度随法向应力增加而增加;注浆加固通过提高岩体裂隙面的力学性能来增加岩体的整体强度及稳定性。     

裂隙岩体表征方法及岩体水力学特性研究

 岩体中裂隙展布的多样性和随机性是裂隙岩体工程特性研究的关键问题。考虑岩体裂隙几何形态(走向、倾角、迹长、间距、隙宽等)的随机性,利用Monte Carlo模拟技术,编制裂隙网络生成程序RFNM2D和RFNM3D。利用RFNM,不但能够生成可以描述和表征岩体及其裂隙结构信息的虚拟裂隙网络岩体,还能够将生成的裂隙网络岩体进行数值离散化,从而可以直接和多种数值计算方法(有限元法、离散元法等)相结合来解决实际工程问题。因此,RFNM生成的裂隙网络岩体实际上是一种数字随机裂隙岩体模型。基于渗流力学理论,应用有限元方法编制软件GeoCAAS,研究裂隙岩体的水力学特性,探讨裂隙几何形态对渗流性状的影响。     

裂隙岩体应力渗流耦合模型在压力隧洞工程中的应用

首先，通过三维有限元方法数值模拟山西万家寨引黄工程高压出水岔管在通水期间围岩和衬砌中的渗流场特征；然后，结合工程通水期间渗压计和多点位移计的监测结果，分析岔管衬砌和围岩内的渗透压力的分布规律及岔管围岩的位移场变化规律。工程实践表明：在围岩弹性模量小于钢筋混凝土弹性模量的情况以及满足围岩的水力劈裂压力大于岔管内压的条件下，岔管钢筋混凝土衬砌方案是切实可行的。研究成果对其他类似工程的设计和施工具有一定的指导作用。     

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。     

裂隙岩体渗流与三维应力耦合的理论与实验研究

围绕裂隙岩体渗流与应力之间的关系问题,从理论出发,经过合理的建模和严密的推演,得出裂隙岩体渗流与三维应力的耦合方程。该方程经过了大量的三轴实验数据的验证,解决了裂隙岩体受到的侧向应力对其渗流是否有影响这一岩石力学学科中争议很大的问题。指出了裂隙侧向应力引起的裂隙侧向变形是影响裂隙岩体渗流的主要因素,其影响符合负指数规律。同时,还分析了裂隙组的渗流问题。     

Interactive roles of geometrical distribution and geomechanical deformation of fracture networks in fluid flow through fractured geological media

In this study,the combined effects of geometrical distribution and geomechanical deformation of fracture networks on fluid flow through fractured geological media are investigated numerically.We consider a finite-sized model domain in which the geometry of fracture systems follows a power-law length scaling.The geomechanical response of the fractured rock is simulated using a hybrid finitediscrete element model,which can capture the deformation of intact rocks,the interaction of matrix blocks,the displacement of discrete fractures and the propagation of new cracks.Under far-field stress loading,the locally variable stress distribution in the fractured rock leads to a stress-dependent variable aperture field controlled by compression-induced closure and shear-induced dilatancy of rough fractures.The equivalent permeability of the deformed fractured rock is calculated by solving for the fracture-matrix flow considering the cubic relationship between fracture aperture and flow rate at each local fracture segment.We report that the geometrical connectivity of fracture networks plays a critical role in the hydromechanical processes in fractured rocks.A well-connected fracture system under a high stress ratio condition exhibits intense frictional sliding and large fracture dilation/opening,leading to greater rock mass permeability.However,a disconnected fracture network accommodates much less fracture shearing and opening,and has much lower bulk permeability.We further propose an analytical solution for the relationship between the equivalent permeability of fractured rocks and the connectivity metric(i.e.percolation parameter) of fracture networks,which yields an excellent match to the numerical results.We infer that fluid flow through a well-connected system is governed by traversing channels(forming an"in parallel" architecture) and thus equivalent permeability is sensitive to stress loading(due to stress-dependent fracture permeability),whilst fluid flow through a disconnected system is more ruled by matrix(linking isolated clusters"in series") and has much less stress dependency.     

基于核磁共振实时成像技术的裂隙砂岩渗流特性研究

地下工程岩体内部存在着大量不规则、多尺度的孔(裂)隙,使得其渗流问题十分复杂,研究裂隙岩体的渗流特性及流场分布对岩体工程安全和深部资源开发利用具有重要的工程实际意义.利用核磁共振岩石渗流过程实时在线分析与成像系统对含不同裂隙性状的砂岩试样开展裂隙岩石渗流试验,对渗流过程中试样的体积含水率、T2谱曲线和渗透系数等参数的演...     

Coupled hydro-mechanical effect of a fractured rock mass under high water pressure

To explore the variation of permeability and deformation behaviors of a fractured rock mass in high water pressure,a high pressure permeability test(HPPT),including measuring sensors of pore water pressure and displacement of the rock mass,was designed according to the hydrogeological condition of Heimifeng pumped storage power station.With the assumption of radial water flow pattern in the rock mass during the HPPT,a theoretical formula was presented to estimate the coefficient of permeability of the rock mass using water pressures in injection and measuring boreholes.The variation in permeability of the rock mass with the injected water pressure was studied according to the suggested formula.By fitting the relationship between the coefficient of permeability and the injected water pressure,a mathematical expression was obtained and used in the numerical simulations.For a better understanding of the relationship between the pore water pressure and the displacement of the rock mass,a 3D numerical method based on a coupled hydro-mechanical theory was employed to simulate the response of the rock mass during the test.By comparison of the calculated and measured data of pore water pressure and displacement,the deformation behaviors of the rock mass were analyzed.It is shown that the variation of displacement in the fractured rock mass is caused by water flow passing through it under high water pressure,and the rock deformation during the test could be calculated by using the coupled hydro-mechanical model.