结构面动态剪切强度的速率效应及尺寸效应研究

China is a mountainous and earthquake-prone country with a high co-seismic landslide disasters risk. Lots of data reached by a few of post-earthquake field investigations reveal that the seismic instability of the engineering rock mass is controlled by the rock discontinuity. It is crucial for the stability evaluation of the rock mass engineering to determine the dynamic shear strength of the discontinuity. It has been found that the dynamic shear strength of the rock discontinuity strongly depends on shearing rate and size effect. However due to the restriction of the experimental method, there only exist limited research on this subject. The current proposal is on the basis of our research accumulations in the previous studies and numerous data reached in the earthquake-stricken area. We focus on the instability of the typical rock slope and the anchorage slope, taking the morphology change of the persistent discontinuity and the rock mass containing non-persistent discontinuity under dynamic shear as the breakthrough point. Via laboratory dynamic shear tests and fine numerical simulation under the fixed normal stress or fixed normal stiffness, we investigate the effect of loading rate, loading mode and discontinuity size on the dynamic shear strength of the persistent discontinuity and rock masses containing non-persistent discontinuity. Meanwhile, we analyze the dynamic degradation of the discontinuity and summarize the cracking modes and mechanism of dynamic extension and coalescence. Our study aims to reveal the weakening, failure and hazard induction of the rock mass structure under strong earthquake and to provide the scientific basis for optimizing the design of earthquake prevention and controlling the stability of the engineering slope.

工程岩体的强震失稳受结构面控制，结构面的动态抗剪强度是评价强震作用下岩体工程稳定性的关键，前人研究表明结构面动态剪切强度具有明显的速率效应和尺寸效应，然而由于实验手段的制约，科学界对于这一问题的研究十分欠缺，亟待深入。本项目拟以申请人及其团队前期积累和大量震区野外科学考察资料为基础，以震区典型失稳岩质边坡及锚固边坡为依托，以贯通坚硬结构面及含非贯通坚硬结构面岩体动态剪切过程中的形貌变化为切入点，以室内结构面动态剪切试验、精细数值模拟为基本手段，研究定法向压力和定法向刚度两种加载方式条件下，剪切速率和结构面尺寸对贯通坚硬结构面及含非贯通坚硬结构面岩体动态剪切强度的影响规律，分析结构面动态退化过程，总结和建立含结构面岩体裂纹动态扩展、贯通的模式和机制，揭示地震作用下岩体结构弱化、破坏及其孕灾机理，为优化工程边坡地震防控设计提供科学依据。

定量刻画结构面的动态剪切特性是进行工程岩体强震稳定性评价的关键。由于受到仪器设备的制约，前人对结构面动态剪切强度的速率效应及尺寸效应这一问题的研究十分欠缺，亟待深入。.针对上述问题，本项目历时4年，通过技术研发、理论研究、室内试验、数值模拟、野外科考、台站建设等手段开展了深入系统的研究。研发了岩体动态性能测试成套装备技术方法；揭示了剪切速率和尺寸等因素对贯通结构面动态剪切特性和动态压缩特性的影响规律，提出了贯通结构面动态抗剪强度准则和动态压缩变形本构模型，建立了贯通结构面与地震动荷载相互作用理论模型；揭示了剪切速率和尺寸等因素对含非贯通结构面岩体动态剪切特性的影响规律，总结并建立了含非贯通结构面岩体裂纹动态扩展、贯通的模式和机制，提出了含非贯通结构面岩体渐进破坏抗剪强度准则；归纳并建立了结构面对岩质边坡强震动力反应和变形破坏的控制模式和机制，提出了考虑结构面性状等因素影响的区域地震滑坡空间分布预测模型；评价了拟建川藏铁路穿越区毛垭坝盆地高陡斜坡的稳定性，建立了毛垭坝盆地典型高陡斜坡地震动响应野外监测台站。.研发的岩体动态性能测试成套装备技术方法为结构面动态剪切强度速率效应及尺寸效应的试验研究提供技术支撑；建立的考虑渐进破坏过程的结构面动态抗剪强度准则和动态压缩变形本构模型为揭示地震作用下岩体结构弱化、破坏及其孕灾机理提供理论支撑；提出的区域地震滑坡空间分布预测新模型简化了传统预测方法并提供了预测精度，为优化工程边坡抗震设计、促进工程边坡地震防护技术发展提供科学依据；建立的地震动响应野外监测台站将为拟建川藏铁路穿越区毛垭坝盆地高陡斜坡长期稳定性评价提供可靠参数。因此，研究成果不仅丰富了岩体工程地质力学理论，具有重要的科学意义，而且在高地震烈度区重大交通、水电等工程规划、设计、建设及地质灾害防灾减灾方面具有良好的应用前景。