复杂环境下岩体多尺度等效结构模型与等效力学参数研究

Determining the mechanical parameters is the key to the mechanical calculation of the rock mass. However, the complex discontinuity system makes the rock mass parameters have significant uncertainty. In the project, a number of fracture network cubes with different sizes are extracted from the 3D fracture network model. Besides, these fracture network cubes have different positions and different directions within the 3D fracture network model. Firstly, the structural representative elementary volume (SREV) is ascertained by studying the fracture geometrical parameters of each fracture network cube. Secondly, each fracture network cubs and the discrete element software 3DEC are coupled to study the mechanical parameters of the rock mass, and then the mechanical representative elementary volume (MREV) is determined. Finally, a universal comprehensive representative elementary volume (CREV) and the corresponding equivalent mechanical parameters are confirmed based on the SREV and the CREV..Multi-scale equivalent structure model is an effective representation for the complex structural rock mass and is easy to be directly applied to the numerical calculation of the rock mass mechanics. In this project, the arrangement pattern of the CREV is determined according to the scale and terrain conditions of the study area. The 3D digital elevation model (DEM) is covered on the combined elementary volume to construct the basic frame of the rock mass structure. In addition, the deterministic discontinuities are added to realize the establishment of the multi-scale equivalent structure model. The equivalent structure model is introduced into the FLAC3D software, and the corresponding mechanical parameters are given to the model boundary, the combined elementary volume and the deterministic discontinuities. Taking the measured in-situ stress as an example, the mechanical calculation accuracy of the model is verified and the structural stability of the rock mass is then studied.

确定岩体力学参数是岩体力学计算的关键，而复杂的结构面系统使得岩体参数具有显著的不确定性。本项目从三维结构网络模型中离散出不同位置、不同方向、不同尺寸的裂隙网络区域。通过研究各区域内裂隙的几何参数确定结构表征单元体SREV，并将各区域内裂隙网络模型与数值分析软件3DEC耦合研究岩体力学参数，进而确定力学表征单元体MREV。基于SREV和MREV，确定普适性的综合表征单元体CREV及其等效力学参数。.多尺度等效结构模型是复杂结构岩体的有效表征，且便于直接应用于岩体力学数值计算中。根据研究区的规模和地形条件，确定CREV的排列方式。在组合单元体上叠加三维数字高程模型，形成岩体结构的基本格架，并在其中加入确定性结构面，实现多尺度等效结构模型的构建。将等效结构模型导入到FLAC3D软件中，并对模型边界、单元体、确定性结构面赋予相应的力学参数。以实测地应力为例，进行模型的力学验证与岩体结构稳定性研究。

岩体等效结构模型的建立与岩体力学参数的确定是裂隙岩体研究中的重点与难点。由于岩体结构的复杂性与不确定性，仅考虑随机性结构面构建的三维裂隙网络模型很难应用于岩体力学计算中，并通过传统方法确定的岩体力学参数鲜有考虑尺寸效应、空间效应与各向异性的影响，这些限制了岩体结构稳定性分析的客观性与延展性。本项目结合随机性与确定性结构面构建岩体多尺度等效结构模型，并将不确定性方法耦合来确定岩体力学参数，最终实现对复杂岩体结构稳定性的研究。.本项目采用了无人机摄影测量获取高陡斜坡岩体结构面信息，重点对结构面判识、信息提取、精度分析进行了研究。基于以上结构面数据，对三维裂隙网络模拟进行了研究，在岩体结构统计均质区、大窗口的三维裂隙网络模拟及其可视化方面取得了一定的研究进展。充分考虑裂隙岩体的空间效应、各向异性、裂隙组数等，对综合表征单元体REV进行了系统研究。考虑高陡斜坡地形与确定性结构面的影响，对各均质区内REV的排列方式进行研究，进而构建等效结构模型。通过确定岩体等效参数与裂隙岩质斜坡的最危险滑动面，对岩体结构稳定性进行了研究。.研究发现，通过无人机贴近摄影技术可获取高陡斜坡岩体结构特征，精度可达到2~3cm。统计均质区具有明显的尺寸效应与空间效应，通过分区建立的大窗口三维裂隙网络模型更逼近现场结构面的发育特征。基于三维网络模型分析不同取样方向上的REV特性，证明了裂隙岩体REV各向异性特征的存在，且REV的各向异性与裂隙组数存在一定的关系。在DEM模型中，以各均质区的REV尺寸与形状为最小结构单元，构建了岩体等效结构模型。将岩体结构的多个空间指标（空间密度、三维连通率等）引入到岩体质量评价中，充分考虑了评价指标的随机性、非线性的特点，得到了合理的岩体质量空间分区和等效力学参数。采用人工智能方法可搜索剪入口与剪出口之间的最短路径，将此植入到岩体等效结构模型中，最终实现了采用连续介质理论对岩体结构稳定性的定量分析。