非连续等效岩体分析技术与细观弱化的节理岩体力学参数研究

针对节理岩体宏观力学参数确定的科学难题，提出采用非连续介质随机节理等效岩体技术，通过研究细观组构变化规律确定节理岩体宏观力学参数的方法。首先，基于非连续介质理论，耦合离散裂隙网络和光滑节理技术，解决周期边界与伺服加卸载耦合非线性应变计算、DFN过滤等问题，建立随机节理等效岩体分析技术体系；其次，以室内力学试验确定等效岩体的细观力学参数，以碎裂过程的声发射检测及定位结果校正细观力学参数；第三，以现场原位试验及声发射定位检测结果评价等效岩体技术应用的有效性和适宜性；第四，基于DFN建立工程尺度等效岩体模型，从细观角度研究等效岩体的各向异性、尺寸效应及节理岩体碎裂弱化过程，定量分析节理面空间特征、力学性质等对岩体宏观力学参数的影响，建立科学的节理岩体宏观力学参数确定方法。随机节理等效岩体技术不仅适用于岩体宏观力学参数确定，也可直接分析工程尺度岩体的开挖、承载等力学行为。

针对节理岩体宏观力学参数确定的科学难题，提出了采用等效岩体技术研究节理岩体力学特性的方法。首先，通过室内力学试验，获得颗粒体模型和光滑节理模型的细观力学参数。其次，基于现场节理地质调查结果，采用Monte-Carlo随机模拟理论建立随机节理三维网络模型；将随机节理三维网络模型嵌入到颗粒体模型中，便可构建能充分反映工程岩体节理分布特征的等效岩体模型。在此过程中，节理面通过处的颗粒接触模型将被更改为能模拟节理力学特性的光滑节理模型。结合白云鄂博露天铁矿岩质高边坡工程案例，主要研究结果如下：.(1) 在低围压条件下，若节理面与最大主应力轴夹角约为30°至60°左右，则岩体抗压强度较低，表现为滑动破坏模式，而应力应变曲线表现出延性特征；若节理面与最大主应力轴夹角约为0°或80°至90°左右，则岩体抗压强度较高，表现为劈裂破坏模式，而应力应变曲线表现出脆性特征。.(2) 围压较低时，节理产状对岩体抗压强度的影响较为明显，岩体各向异性指数较大；随着围压增高，岩体抗压强度增高，但节理产状对岩体抗压强度的影响逐渐减小，直至消除，岩体逐渐向各向同性介质转化。.(3) 基于矩张量理论的岩石声发射细观模拟方法，计算得到的声发射破裂强度，基本服从指数分布形式，与室内声发射试验破裂强度监测研究结论类似。.(4) 在断续节理岩体中，随着断续节理产状的不同，虽然可将宏观破裂划分为剪切模式、翼型张拉模式和混合模式等三种模式，但从细观角度上看，颗粒间张拉型微破裂是引起各类宏观破裂模式的主要诱因。.(5) 由于节理的存在，研究区域岩体表现出尺寸效应和各向异性特性。岩体尺寸较小时，岩体的尺寸效应和各向异性较为明显；随着尺寸的增加，岩体的尺寸效应和各向异性基本呈逐渐减弱的趋势；当轴向尺寸达到20m时，岩体的尺寸效应和各向异性基本不再随尺寸而变化。.(6) 研究区域白云岩岩体的表征单元体积、单轴抗压强度、弹性模量、等效黏聚力和等效内摩擦角，分别为20m×10m×10m、1.46MPa、3910MPa、0.5085MPa和19.21°。