浅谈裂隙岩体渗流与应力耦合的问题

针对工程岩体在渗流与应力相互作用下动态平衡体系中的变形及稳定,提出了裂隙岩体渗流与应力耦合的研究课题。结合岩体渗流的特性,分析了裂隙岩体应力与应变对渗透系数的影响情况,然后对裂隙岩体渗流场和应力场耦合作用及反演分析的思想和方法进行了论述,最后对目前裂隙岩体渗流场与应力场耦合的研究进展和存在的问题进行了介绍。     

潮差环境下混凝土氯离子扩散时变性与孔隙分形特征的关系

通过人工气候模拟潮差区氯离子环境下混凝土的暴露试验,测定了不同暴露时间后的混凝土自由氯离子浓度,分析了其扩散系数及其时变性;以MIP法测定了不同暴露时间下混凝土的总孔隙率和孔径分布等孔隙特征参数,分析了其时变性;研究了潮差环境下混凝土扩散系数与孔隙微观参数的时变性关系,混凝土孔表面分形维数与扩散系数的关系。结果表明:在模拟潮差环境下,随着暴露时间的延长,混凝土氯离子扩散系数和总孔隙率均逐渐减小,而孔表面分形维数逐渐增大;不同暴露时间后,混凝土氯离子扩散系数与其各级孔隙率有较好的相关关系;混凝土不同孔径范围的孔表面分形维数与其氯离子扩散系数之间的相关性不同,其中以孔径范围为100~1000 nm的大毛细孔的孔表面分形维数相关性最高。     

添加剂对微生物胶结砂渗流特性的影响研究北大核心CSCD

从MICP反应环境及细菌代谢过程分析出发,选取NH_(4)Cl与NaHCO_(3)作为添加剂,应用于砂土的微生物改性加固,研究结果表明:(1)NH_(4)Cl、NaHCO_(3)添加浓度为0.1 mol/L时,CaCO_(3)生成量显著增加,相较于添加前增加了68.30%,原因是NH_(4)Cl和NaHCO_(3)的添加,调节反应体系pH值,使其更趋近于脲酶最佳活性所需碱性环境,同时促进细菌活性及代谢过程,进而增加CaCO_(3)生成量;(2)核磁共振检测结果显示,添加NH_(4)Cl、NaHCO_(3)后固化砂柱的孔隙率减小了15.93%,渗透系数降低了2~3个数量级,与MICP固化结果相比也有明显改善,渗透系数降低了50%以上;(3)在渗流模型分析中,一方面考虑CaCO_(3)沉淀对孔隙的填充作用,将其等效为填充于砂颗粒间的小颗粒,提出了MICP固化效应系数表述灌浆加固前后砂颗粒平均粒径的变化,另一方面根据固化后微细观检测分析结果,考虑CaCO_(3)沉淀对砂颗粒表面形貌的改变,调整模型中的颗粒材料形状系数α的取值。综合这两个方面对Kozeny-Carman渗流模型进行了修正,验证分析表明,修正后的Kozeny-Carman渗流模型能够较好地描述加固体的渗流特性,这也为MICP固化砂土的渗流特性分析提供了一种便捷的思路,只需测试不同阶段CaCO_(3)的生成量,就可以比较准确地估算加固体的渗透系数。     

岩体开挖卸荷过程力学特性分析

基于岩体开挖卸荷过程中力学参数变化理论的分析研究,建立卸荷岩体有限元分析模型,运用ADINA有限元分析软件对岩体进行一维卸荷数值仿真研究。根据有限元数值分析计算成果得到岩体力学参数与主卸荷方向累计开挖卸荷量间的变化关系曲线。结果表明:岩体开挖卸荷过程中,岩体力学参数变形模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角等呈现出随开挖卸荷量的变化而发生变化的特征,随卸荷量的增大有减小的趋势,但它们不是从初始值一直减小到零,而是随卸荷量的增大减小到一定的量值后,岩体的裂隙张开、结构面的扩展到一定的程度,岩体的力学参数保持一定的量级不再减小。     

层状砂岩劈裂抗拉强度各向异性研究

为了分析层状岩体劈裂抗拉强度的各向异性,选取层理砂岩为研究对象,设计进行了加载线与层理走向垂直和平行的两组试验。结果表明:(1)加载线与层理走向垂直时,随着层理角度的增大,对应岩样的抗拉强度逐渐增大;加载方向与层理走向平行时,随着加载线与层理夹角的增大,对应岩样的抗拉强度也逐渐增大;(2)加载线与层理走向垂直时,层理效应系数在层理面法线方向与加载方向一致时最大,在层理面法线方向与加载方向垂直时最小;加载线与层理走向平行时,层理效应系数在层理面法线方向与加载方向垂直时最大,在层理面法线方向与加载方向一致时最小;(3)加载线两侧层理结构称对称分布时,试样的破裂面是一条通过圆心的直线,破坏模式为直线型;层理结构关于加载线不对称时,试样的破裂面往往由多段折线或者弧线构成,破坏模式为折线型或弧线型。研究结果为比较全面地把握层状岩体抗拉强度各向异性提供了较好的参考。     

岩体裂隙连通路径及岩体等效渗透张量参数研究∗

在高放核废料的处置中,掌握地下水在裂隙岩体中的渗流规律是当下的关键问题。以甘肃北山岌岌槽一测区为工程背景,通过现场数据测得的裂隙统计参数,应用编制的 MATLAB 语言程序生成全局域内的离散裂隙网络模型,将三维裂隙以圆盘模拟并简化为变截面圆管单元渗流网络,为考虑边缘效应以圆管作为单元体切割基准。通过比较随单元体尺寸增大的三个方向上的等效渗透系数变化趋势得到表征单元体 REV,并在该单元体中计算渗透张量以及应用 Dijkstra 算法识别对应边界方向的最优路径。结果表明:该测区的渗透系数最值分别为 3.62e^-6 m/s与 9.19e^-7 m/s,水平向渗透性最小,竖直向附近最大,基本符合工程实际。     

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面特征及工程应用

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面的合理确定对于围岩压力计算及支护结构设计极为重要。本文基于隧道开挖诱发地层不均匀变形特征与顶板岩层发生张拉剪切破坏的关系,采用Peck曲线方法和数值方法来确定顶板潜在滑移面特征,进而研究了隧道覆跨比、围岩参数变化对滑移面特性的影响,并应用于实际工程。结果表明:(1)基于Peck曲线和数值分析方法来确定浅埋隧道顶板岩层潜在滑移面的形态与实测结果一致;(2)浅埋隧道顶板岩层的等效破裂角仅在围岩黏聚强度较低条件下才符合45°+φ/2,围岩级别越好,破坏范围越小,滑移面形态呈平缓的"S"型;围岩越差,破坏范围越大,滑移面形态呈竖直的"椭圆"型。随着隧道覆跨比、侧压力系数及抗剪强度指标的增大,等效破裂角呈减小趋势。地表开裂点随着覆跨比和侧压力系数增大而逐渐远离隧道轴线,随着岩体强度指标的增大而逐渐向隧道轴线迁移。     

基于气象卫星分形纹理的云雾分离研究

在研究了卫星图像上雾的光谱和纹理结构特征的基础上,采用差分盒维数计算模型对气象卫星遥感图像中的云雾进行了纹理分析和分离。采用划分、计算卫星图像各连通域,分别求取各连通域加权分形维数,进而设定维数阈值的方法进行了雾信息提取。利用GMS—5卫星红外通道资料,进行了云雾分离试验,取得了较好的雾信息提取效果。     

高寒山区深切河谷碎裂松动岩体成因机制分析∗

以澜沧江某水电站坝址区碎裂松动岩体为研究对象,通过对岩质边坡现场调查,并运用 ANSYS 有限元软件模拟河谷演化和冻融循环过程,综合分析碎裂松动岩体的成因。调查结果表明,碎裂松动岩体的形成与区域赋存的地应力场、地层岩性、河谷演化及高原冻融风化有关。数值模拟揭示了河谷演化过程中边坡岩体持续经历主应力降低、剪应力增大的状态,应力释放而驱动边坡岩体结构面破裂,形成大量的卸荷拉张裂隙,初现“松动”特征;在大温差冻融循环作用下,原本存在裂隙面的岩体不断扩展延伸直至发生疲劳性损伤裂化。由此,总结了碎裂松动岩体的成因机制,该成果对高寒山区深切河谷碎裂松动岩体的形成机制提供依据。     

华东及安徽地区断裂构造及分形分析

本文在对安徽及华东地区地震断裂构造分析的基础上,利用数盒子法计算了华东及安徽的活动断裂的分形维数,并从分形理论的角度讨论了活动断裂和地震活动性之间的关系,认为活动断裂的分形维数和地震活动性的分形维数是相等的.对华东及安徽的3种类型断裂(基底断裂、地壳断裂及岩石圈断裂)的不同分形维数和该区域地震的b值关系分析,认为该地区地壳断裂控制了该区域的地震活动.     

不同应力路径下岩石破坏面细观形貌研究

以大理岩为研究对象,进行三轴卸荷试验及破裂面粗糙度扫描试验,并借助PFC~(3D)颗粒流软件对试样最终破裂面进行提取与重建,研究了粗糙度参数的变化与试样破坏过程及机理之间的关联,得到的主要结论有:加荷路径下S_a随着围压的增加呈递减趋势且两者呈线性关系,高围压条件下岩样破坏面高度分布的对称性好于低围压条件下;卸荷路径下S_a与S_(ku)可以较好的描述破坏面形貌的分布特性,S_(sk)随卸荷速率的增加变化规律不明显,破裂面的粗糙程度受卸荷速率与卸荷初始围压的共同影响;卸荷试验中试样内部的损伤不再是一个逐步累积的过程,而是瞬时劣化失去承载能力。     

岩石断裂和破碎的分形研究

岩石断裂与破碎的研究一直是岩石力学的前沿领域,也是采矿、能源、水利、交通、地震等众多工程领域不可或缺的理论基础。本文系统介绍了将分形理论引进到岩石断裂和破碎研究的成果,其中包括岩石微观断裂、宏观裂纹动态扩展以及岩体破碎的块度分布,旨在从一个侧面反映分形理论在岩石力学中的应用,最后还给出了一个工程应用的例子。本文的部分结果曾发表于国际杂志上。     

考虑非饱和特性的黄土湿陷性与微观结构分析

利用扫描电子显微镜测试技术对3个场地16个土样的微观结构进行观测,并使用图像处理软件对微观图像进行处理、对土样孔隙的几何特征参数和分维数进行了提取,土样孔隙分布分维数为1.816~1.936。利用分形几何学原理建立非饱和土的孔隙分布函数,对天然湿度下黄土中水分分布进行分析,运用回归分析的方法对孔隙的分维数、非饱和孔隙孔隙率和湿陷性的关系进行了分析。结果表明:孔隙分维数越大,孔隙结构越复杂;天然湿度下处于非饱和状态的黄土孔隙孔径均大于40μm,黄土的湿陷系数随着孔隙分维数、非饱和孔隙孔隙率的增大而增大,非饱和孔隙是造成黄土湿陷的主要原因。     

岩石变形破裂过程中电荷感应信号的检测

设计了采用非接触方式、高放大倍数、高效率的电荷传感器,并给出了电荷传感器的设计原理和技术指标。利用研制的电荷传感器对岩石变形破裂过程中产生的电荷感应信号进行了检测试验。结果表明,岩石在变形破裂过程中会产生电荷感应信号,并能够被研制的电荷传感器检测到;电荷感应信号是瞬时脉冲的;随着加载应力水平的增加,电荷感应信号强度增强,在峰值应力前,电荷感应信号强度达到最大值;在破裂面接收到的电荷感应信号较强,主破裂面接收到的信号最强,因而电荷的产生和岩石的破裂有很大的关系。作为正在探索的检测岩石破坏过程的手段之一,电荷感应方法应是一种很具潜力的方法,值得深入研究。     

基于颗粒离散元法描述岩石断面形貌的方法研究

破裂面作为岩石破坏之后最为直观的观测对象,其中蕴含着大量与破坏过程相关的细观信息,通过室内断口粗糙度扫描试验对破裂面进行分析不仅耗时耗力,而且试样最终断裂表面覆有大量白色岩粉会导致破裂面信息在扫描过程中出现不同程度的丢失。因此提出一种基于数值模拟的细观破裂面拟合方法,通过PFC~(3D)对不同应力路径下大理岩的变形破坏过程进行细观模拟,基于裂纹形成过程中的三类位移场与破裂面之间的关系,对试样最终破裂面进行提取与重建。结果表明:通过该方法拟合所得破裂面同室内试验所得真实岩样破裂面的粗糙度信息及破坏特征基本一致,可以很好地反映不同应力路径下试样破裂面的差异性。     

堤基非稳定水压力传递滞后效应研究

洪水灾害过程中,堤防上游水头快速变化,作用在堤基土体上的水压力是非稳定的。选取常见的堤基砂土作为试验材料,利用自行设计的试验装置,研究洪水灾害时非稳定水头条件下,堤基无黏性土渗径长度、孔隙比、渗透系数以及颗粒粒径等因素对水压力传递滞后效应的影响规律。研究结果表明:土体颗粒粒径越大水压力传递滞后效应越弱,直径>2 mm的细砾土中水压力传递滞后效应基本可以忽略;上游水头水力梯度提升的越快,下游水压力启动和稳定滞后时间越短,但下游水压力恢复滞后时间越长;水压力传递滞后时间与土体孔隙比呈反比关系;下游水压力启动和稳定滞后时间与渗透系数呈对数关系。     

中国历代灾害性海潮频率特征及时间序列的分形研究

根据中国历代灾害性海潮史料,运用一般统计方法和分形理论对其时间序列进行了分析,不仅探讨了历史灾害性海潮随时间演进的频率变化特征,而且判定了灾害性海潮时间序列的分形性质,在经基础上,还深入讨论了其分维与历代灾害性海潮暴积累发生次数和累积发生频率之间的关系,以及分维随时间演进的变化趋势。     

河间地区地裂缝分形特征研究

基于分形理论研究了河间地区地裂缝的分布分形、受控分形以及影响分形特征,利用MAT-LAB软件分别计算了地裂缝、活动断裂、地下水、地面沉降等相关物理量的分维值。地裂缝的发育具有自组织性,其分维值的大小及变化反映了地裂缝活动的复杂性。地裂缝平面、剖面分形特征反映了该区域孕裂应力场在平面和纵深方向上的非均一性。地裂缝的形成和发育可以看作是断裂运动的一种调整,影响地裂缝断裂的分维值具有一定的区间。地下水开采、地面沉降作用与地裂缝活动存在很大的关联。