节理网络力学效应及岩体各向异性强度准则研究

正确认识和描述岩体在工程力作用下的力学特性是岩体工程设计的前提条件。岩体中的节理裂隙面大多成组出现且沿一些优势方位排列，使岩体呈现出不连续、非均匀、各向异性、高度非线性的复杂特点。目前的节理网络几何测度和岩体各向异性强度准则，不能很好地刻划节理网络的非平均、非线性、各向异性力学效应。为此，本项目拟通过开展物理模拟试验和三维离散元数值试验，系统地研究节理岩体宏观力学行为随应力状态、节理几何分布各参数的变化规律，在微平面理论框架下，建立微平面上的裂隙标量几何测度和岩体破坏条件，推导反映节理网络力学效应的节理岩体各向异性强度准则。研究成果将深化"岩体结构控制论"这一岩石力学核心学说的定量化认识水平，对岩石力学学科的发展具有重要的理论意义。同时，该项研究的成果还可用于解释裂隙岩体的变形破坏机制和指导岩体工程稳定性分析和支护设计，具有广泛的工程应用前景。

为了定量评价岩体内的节理裂隙对其宏观非线性力学行为的影响，本项目采用物理模拟试验、理论模型和数值模拟试验相结合的方法，建立刻划节理网络的非平均、非线性、各向异性力学效应的节理网络几何测度和相应的岩体各向异性强度准则。. 在物理模拟试验方面，开展了含一组节理石膏试件的单轴和双轴压缩试验。研究了节理倾角、节理连通率、节理间距、排列方式（对齐、错排）和节理面开启程度（张开、闭合）的不同组合情况。试验研究成果包括试件的应力应变全曲线类型、强度、弹性模量、延性指标（残余强度、峰值应变等）、破碎体分形特征、表面裂纹图像演化特征、破坏模式等随上述节理参数和围压变化的规律。. 在数值模拟试验方面：（1）采用ABAQUS有限元软件和Matlab 软件，研究了裂隙尖端应力场的分布规律，建立了拉破裂和剪破裂的开裂判据；（2）采用PFC颗粒流程序，研究了节理试件宏观力学行为的细观损伤力学机制，包括裂隙的张开、闭合、摩擦滑移和扩展、汇合、贯通效应等。. 在理论模型方面，采用微平面模型来刻化节理网络几何分布和节理裂隙面非线性力学响应的损伤力学机制。理论研究成果包括：（1）节理网络几何测度：将微平面上节理力学基元所占的比例定义为微平面的损伤变量，作为岩体微平面的节理网络几何测度。根据物理模拟试验的研究成果，建立了节理网络几何测度与节理组参数的幂函数关系。（2）宏观各向异性强度准则和本构模型：将岩体的微平面视为由节理面和岩石两个力学基元并联而成，建立了岩石和节理面两个力学基元的非线性、非弹性微平面本构关系和损伤演化方程，引入微平面的几何约束条件，根据微平面的微观物理量（微面应力与应变）与宏观物理量（宏观应力与应变张量）的关系，导出了节理岩体的宏观各向异性本构关系和强度准则。. 项目达到了预期目标：（1）发表论文9篇，其中SCI收录论文4篇，EI收录论文5篇（同时被SCI和EI收录的，未重复统计）；（2）计划一年内出版项目成果专著1部；（3）申请发明专利1项；（4）3名研究生毕业论文；（5）与外国专家建立了合作关系。