基于结构表征单元体的裂隙岩体结构等效地质力学模型研究

Determination of the physical and mechanical parameters of macroscopic rock masses is important for mechanics and deformation analysis. Due to the complicated discontinuity system, size effects are obvious for fractured rock masses. Therefore, determinination of the representative sample size of the macroscopic rock mass (representative elemental volume) and application of its testing and modeling parameters to the overall rock masses are important. This project comprehensively analyzes the geometry information of the fracture network and investigates its spatial effect, which can increase the scope of the result of the structural representative elemental volume SREV.. Numerical modeling is an important measure for mechanics and deformation analysis of rock masses. The existing numberical modeling measures can not comprehensively consider the rock mass structure or decrease the calculation difficulty. This project considers the size effect and the actual stress state of rock masses to propose a structural equivalent gemechanical model and determine the equivalent parameters of rock masses and size and arrangement of model cells, which can apply the rock mass structures to simple continuum media model.

确定宏观岩体的物理与力学参数是裂隙岩体力学与变形分析的重点，而由于复杂不连续面系统的存在，裂隙岩体具有明显的尺寸效应。研究能代替宏观岩体的试样尺寸即表征单元体，从而将其试验或模拟参数运用到整体岩体的分析中，是极为重要的。项目综合分析了裂隙网络的几何信息并探讨了其空间效应，确定了结构表征单元体SREV的概念并使其具有一定的普遍适用性。. 数值模拟是岩体变形与破坏分析的重要手段，迄今的数值模拟方法或不能有效地考虑岩体结构或计算复杂。本项目综合考虑了岩体的尺寸效应与实际受力状态，提出了结构等效地质力学模型，确定了岩体的等效参数、模型单元尺寸与排列方式，拟实现将岩体的等效结构特征运用到简便的连续介质模型分析之中的目的。

裂隙岩体具有明显的尺寸效应，研究能代替宏观岩体的试样尺寸即表征单元体，从而将其试验或模拟参数运用到整体岩体的分析中，是极为重要的。数值模拟是岩体变形与破坏分析的重要手段，迄今的数值模拟方法或不能有效地考虑复杂的岩体结构系统或计算复杂。研究能充分考虑裂隙岩体结构系统且计算简便的数值模拟方法，是大－超大规模工程岩体分析的重点与难点。. 本项目针对三维裂隙网络模拟进行了深入的研究，在统计均质区、优势分组、稀缺样本的三维裂隙网络模拟方面取得了一定的研究进展；基于以上的复杂三维结构面系统，充分考虑裂隙岩体的空间效应、概率统计、三维连通率等，全方位对表征单元体进行了深入研究；确定了裂隙岩质斜坡的最危险滑动面与稳定性水平，提出了等效结构地质力学模型，使传统成熟的连续介质模型可分析复杂结构裂隙岩体问题。.研究发现，统计均质区具有明显的尺寸效应与空间效应，优势分组也存在考虑因素单一，划分结果欠合理的现象，以致稀缺样本的三维裂隙网络存在明显的不确定性。本项目提出了考虑上述缺陷的统计均质区、优势分组的方法，并建立了稀缺样本下的三维裂隙网络模拟方法。我们发现采用稀缺样本参数直接代替岩体宏观参数极易导致分析失效，故我们在非参数检验与可靠性理论基础上获取了具有普遍适用性的表征单元体尺寸。采用表征单元体尺寸样本的参数求解岩体等效物理力学参数，通过调整单元体尺寸与形状，可使连续介质模型求解复杂结构的裂隙岩体问题，可用于大－超大规模的工程岩体分析。. 三维裂隙网络的研究可在一定程度上提高确定岩体软弱结构面信息的精度，更有利于工程岩体三维尺度的渗流、变形与稳定性分析。尺寸效应的研究可增大复杂结构工程岩体的宏观参数确定、渗流分析与数值模拟时的计算分析精度；使传统成熟的连续介质模型可分析复杂结构岩体，极大程度上增加了岩体的模拟速度，这适合于大－超大规模复杂结构岩体的数值模拟分析计算。