考虑三维形貌和接触状态影响的节理力学特性及三维颗粒流数值仿真

Mechanical properties of rock joint are critical to the security and stability of rock masses. To comprehensively understand the mechanical behavior of jointed rock mass, it is essential to study a single joint. The research intends to study the closure behavior and shear strength of rock joint under different contact states by using laboratory test, theoretical analysis and numerical simulation. On basis of the closure deformation test of rock joint, a new theoretical closure deformation model will be developed by using the contact mechanical theory for analysis the interaction of asperities under normal stress and also the effect of contact state on the interaction. On basis of the direct shear test of rock joint, a new peak shear strength criterion, inclusion of three-dimensional morphology parameters and contact state coefficient, will be proposed after analyzing the relationship among the dilatancy and three-dimensional morphology and contact state. For overcoming the limitations of laboratory test, such as time-consuming and poor reproducibility, the three-dimensional particle flow code (PFC3D) is used to reconstruct the entire surface topography and performing numerical shear tests to study its behavior on basis of a new code that can automatically read the coordinate of the measured surface. On application of the theoretical results to analyze engineering, it is of great significance for improving the mechanical properties of jointed rock masses and also for the deformation control and stability analysis of rock masses in dam, slope, tunnel, underground and so on.

节理的力学性质是影响工程岩体安全稳定的关键，研究单个节理的力学性质是研究节理岩体力学性质的基础。本项目采用室内试验、理论解析和数值分析相结合的研究方法，针对不同接触状态节理的闭合变形性质和剪切强度等展开研究。通过闭合变形试验，采用接触力学理论分析法向应力作用下节理面微凸体变形相互作用的模式以及接触状态对该模式的影响，建立闭合变形理论模型；通过直剪试验，分析不同法向应力作用下剪胀与三维形貌、接触状态的关系，建立节理的含三维形貌参数和接触状态系数的峰值剪切强度准则。为克服室内试验难以重复且费时费力等局限，在三维颗粒流数值平台上开发节理三维形貌重构程序，建立节理闭合变形和直剪试验的颗粒离散元数值仿真方法。结合工程案例开展理论成果的应用研究，对完善节理岩体的力学性质研究具有重要的意义，可为坝基、边坡和地下洞室等工程岩体的变形控制和稳定性分析提供理论支持。

岩石节理的力学性质是影响工程岩体安全与否的关键因素之一，研究单个节理的力学性质是研究节理岩体力学性质的基础。采用室内试验、理论解析和数值分析相结合的研究方法，针对不同接触状态岩石节理的闭合变形性质和剪切强度性质等展开研究。为便于重复性试验，项目执行过程中采用类岩石节理进行研究。将岩石节理的上、下面壁沿某一方向错开不同的位移量形成不同接触状态，再分别进行闭合变形试验、直剪试验。. 法向应力作用下，将微凸体和基体的变形均视为弹性的，逐个搜索组合形貌中可能接触的微凸体。分析法向应力作用下微凸体、基体的变形特征，采用接触理论求解单个微凸体变形引起的基圆区域之内的基体变形、基圆区域之外的基体变形（该变形引起临近微凸体法向位置的调整，体现“微凸体变形相互作用”），利用叠加原理求解变形和应力的关系，采用累加法将单个微凸体的变形-应力关系推广至整个粗糙节理面，提出考虑基体变形和微凸体变形相互作用的岩石节理闭合变形理论模型。. 相同的法向应力下，随错开位移量的增加，峰值剪切强度减少、峰值剪切位移总体上增加、剪切/破坏区域逐步减少；偶合节理一般存在峰后软化现象，非偶合节理一般不存在这一现象。相同法向应力作用下，剪切刚度随错开位移量的增加逐渐降低且趋于某个常值（说明错开位移量对剪切刚度的影响逐步减弱）；高法向应力下，错开位移量对节理剪切刚度变化的影响更大。采用几个简单函数分析不同接触状态岩石节理的峰值剪切强度与错开位移量的关系，在偶合岩石节理峰值剪切强度准则的基础上提出不同接触状态岩石节理的峰值剪切强度准则。. 在三维颗粒流数值平台上开发了岩石节理三维形貌重构程序，建立了岩石节理闭合变形和直剪试验的颗粒离散元数值仿真方法。项目研究成果对完善节理岩体的力学性质研究具有重要的意义，可为坝基、边坡和地下洞室等工程岩体的变形控制和稳定性分析提供理论支持。