量化响应三维岩体结构的GSI数学模型研究

At present, the Hoek-Brown (H-B) criterion based on the Geological Strength Index (GSI) system is widely used in application rock engineering to estimate rock mass mechanical parameters which are quite sensitive to the selection of GSI values of rock masses. Therefore, the estimation of accurate GSI became the key of the application of the H-B criterion. There are limited discontinues could be detected from the rock outcrops, therefore, using the traditional method to estimate GSI value of a rock mass based on limited information of discontinues can not reflect the nature of the whole mass. To propose a model that can present appropriate GSI is a critical science problem in rock engineering. The aim of this project is to propose a novel model to estimate GSI for three dimensional rock mass based on theoretical analysis, numerical analysis and case study: Three dimensional discrete fracture network (DFN) method together with discrete element method (DEM) are used for rock mass triaxial testing numerical simulation. The numerical results are then used for the H-B criterion to calculate GSI of the rock mass. Database contains GSI and discontinue parameters is built by carrying out a great amount of numerical simulations. Then，genetic programming is adopt to analysis this database to get the mathematical model of GSI that is a function of discontinue parameters. The contribution of this project is to establish a novel GSI model for estimating appropriate rock mass mechanical parameters, which has significant value in rock engineering application.

基于GSI (Geological Strength Index)岩体分类系统的Hoek-Brown（H-B）准则，被广泛用来确定岩体的力学参数。由于岩体力学参数对GSI非常敏感，能否合理估算GSI成为H-B准则能否在工程中成功应用的关键。通过岩体露头获取局部结构面信息估算出的GSI，难以满足工程准确性的要求。因此，建立可靠地测定GSI方法，以实现对岩体力学性质的准确评估是重要的科学问题。本项目拟采用理论分析、数值模拟与工程案例相结合的研究方法，以结构面网络技术为基础，开展三维岩体GSI确定的研究：将结构面网络技术与离散元结合，开展岩体三轴压缩数值模拟，将模拟结果运用到H-B准则中，逆向计算岩体GSI，建立含有GSI与结构面参数的数据库，运用遗传算法分析该数据库，揭示GSI与结构面参数的关联性规律，从而构建基于结构面参数的GSI数学模型。研究成果可为合理的确定岩体力学参数提供理论基础。

发展精细化数值计算模型来分析岩体力学性能及岩体工程的稳定性成为岩体工程的重要研究方向。基于Geological Strength Index (GSI)岩体分类系统的Hoek-Brown准则与岩体结构面网络模拟技术两个方面在各自发展中遇到了瓶颈：前者虽然广泛的运用在岩体工程领域，但是传统的方法估算出的岩体GSI值不能满足精细化岩体数值模拟分析的要求；后者虽然能够提供精细化的岩体结构面信息，但是由于缺乏构建网络结构面信息与工程岩体力学参数的纽带，没有能够直接将其用于解决复杂的实际岩体工程问题。.本项目以节理岩体为研究对象，采用HB经验模型与离散元数值分析相结合的方法，系统研究了节理岩体的各向异性力学行为；为提高Hoek-Brown经验岩体破坏准则的准确性提供理了论技术支持，最终达到了准确计算节理岩体力学参数的目的。 主要研究内容及成果如下：..（1） 提出了反映节理岩体各项异性特性的强度模型：通过离散元数值模拟对节理岩体的强度特征及破坏模式进行了系统研究，建立了节理几何力学参与与GSI的数学关系，提出了适用于各向异性块状岩体的强度模型。研究发现 UCS 随节理倾角变化呈现出”w”形变化规律，当 10°<β<45°时，传统的UCS 模型计算出的岩体强度偏高，这会对工程设计的安全性造成不良影响。..（2）提出了基于 GSI 岩体分类系统的 REV 确定方法：采用基于 PFC 的合成岩体（SRM）模型与 Hoek-Brown（HB）破坏准则相结合的数值模拟方法，对不同尺度的节理岩体的强度和变形开展了数值模拟研究。结果表明，与传统的基于UCS 或变形模量的 REV 相比，基于 GSI 的 REV 尺寸偏大。本项目提出的基于GSI 的 REV 指标的优点为不仅能反映岩石结构的几何特征，而且能反映不连续面的几何和力学性质。..（3）建立了岩体的分形维数与节理几何参数的关系模型： 采用 Matlab 的数字图像盒维数计算程序，开展了节理岩体分形维数的分析计算，揭示了节理几何形态，岩体变形模量及分形维数之间的内在联系。研究表明岩体结构面几何参数与岩体的分形维数有良好的函数关系。