锚固节理岩体的结构强度效应与精细化数值模拟方法

本项目采用模型试验、理论分析、力学建模和数值模拟相结合的方法，研究锚固节理岩体的结构强度特性与精细化数值模拟方法。采用含单条节理的岩体试件，开展直剪试验研究，分析锚固构件在节理面附件的局部化损伤破坏行为，研究锚固构件对单条节理的附加刚度与附加强度贡献；采用大尺寸含多组节理的岩体试件，开展压缩试验研究，分析锚固构件对于不同节理分布形式的加固效果，研究锚固构件对节理岩体的整体刚度贡献和结构强度贡献，建立锚固节理岩体的结构强度准则；基于试验成果、损伤力学与均一化原理建立考虑结构强度效应的锚固节理岩体力学模型与本构方程，研发高效可靠的锚固岩体数值求解算法及计算软件，并结合实际工程开展应用研究，为我国水电、交通、能源等工程岩体的锚固优化设计和稳定性分析提供理论支持。

节理岩体的锚固作用机制是岩石力学领域研究的一个热点和难点问题，现有各种模型大多以锚杆（索）为主体来解释其作用机制，很少考虑锚固构件在节理面的局部化损伤破坏行为，未能有效揭示锚固节理岩体产生的结构强度特性和综合抗剪强度参数。本项目通过开展含单条不同粗糙度节理加锚前后的直剪试验研究,分析了锚杆和结构面的相互作用机制以及锚固构件在节理面附近的局部化损伤破坏行为,探讨了不同锚固角的加固效果及对结构面附加强度与综合抗剪强度参数贡献；通过开展大尺寸加锚节理岩体的压缩强度试验，分析了节理岩体锚固后力学特性变化规律、不同锚杆密度的加固效果及对节理岩体结构强度与综合抗剪强度参数贡献。基于试验成果和力学分析建立了加锚岩体力学计算模型，不仅能够描述岩块内部锚杆的拉压变形，而且能够准确模拟锚杆与结构面的相互作用，综合反映结构面附近锚杆的拉压、弯曲和剪切变形以及锚杆进入塑性屈服后的硬化特性。研制了高效可靠的锚固岩体数值求解方法及流形元计算程序，由于在数值流形方法中锚杆构件可作为物理网格输入，因此锚杆单元的布设与流形单元网格无关，可以实现大规模锚杆的精细化模拟。通过将本项目研究成果应用到锦屏一级水电站岩石高边坡工程和水布垭地下厂房工程，为正确评价锚固结构的支护效果，锚固结构优化设计和锚固岩体稳定性评价提供了科学依据。