偶应力理论下裂隙岩体三维裂隙扩展和锚杆加固止裂机理以及尺度效应研究

This research is about 3D crack propagation and mechanism of halted crack growth by anchorage and scale effect for fractured rockmass by couple stress theory. The couple stress theory will be combined with meshless method and natural element method and the finite element method to build numerical algorithm of couple stress theory for crack propagation and mechanism of halted crack growth by anchorage. The acoustic emission and high speed photographic technique will be also adopted. Crack propagation rules of the anchored fissured rockmass and deformation compatibility and stress transfer mechanism of anchor bolt and fractured rockmass are researched in complex stress state. The effect of the different crack forms and bolt action site on the halted crack growth by anchorage and anchoring effect are studied. 3D crack propagation mechanism and failure process and halted crack growth by anchorage are presented. Unstable crack growth and the caused rock bridge failure and rockmass damage will be controlled. The result of numerical simulation of couple stress theory is compared with classical theory and experimental results. The effect of couple stress on whole stress field and displacement field, local fracture damage, initial crack rupture, halted crack growth by anchorage, anchoring effect, rockmass failure strength and scale effect are studied. The mechanism of fractured rockmass crack propagation and halted crack growth by anchorage are revealed. The research findings can directly provide theoretical basis and analysis tools for evaluation of fractured rockmass stability and the scientific anchorage scheme of jointed rockmass.

本课题研究偶应力理论下裂隙岩体三维裂隙扩展和锚杆加固止裂机理及尺度效应。拟将偶应力理论与无网格法、自然单元法和有限元方法等结合起来，建立裂隙扩展和锚杆加固止裂的偶应力理论数值算法，并利用声发射技术、高速摄影技术等手段，研究复杂应力状态下加锚裂隙岩体的裂隙扩展规律和锚杆与裂隙岩体协调变形与应力传递机理，以及裂隙的不同存在形式和锚杆作用部位对裂隙扩展的止裂作用和锚固效果的影响，揭示岩石三维裂纹扩展机制和失效过程及锚杆加固止裂作用，以控制裂纹失稳扩展及其造成的岩桥贯通和岩体破坏。将偶应力理论数值模拟结果分别与经典理论结果和试验结果进行对比，研究偶应力对整个应力场和位移场、局部断裂损伤、裂隙初始破裂、锚杆止裂作用和锚固效果、岩体失效强度的影响以及尺度效应，揭示偶应力理论下裂隙岩体裂隙扩展和锚杆加固止裂机理。该课题研究成果可以直接为裂隙岩体稳定性评价、节理岩体的科学锚固方案提供理论基础和分析工具。

成功研制出2种与岩石性能相当近似的脆性好的材料，其脆性性能（主要由拉压强度比来反映）比前人的更优越，可以比目前国内外的类似材料更好地模拟真实岩石。此外，在预制特定倾角和位置的裂隙方面，解决了工艺上难题，富有创新性。采用透明度好和脆性度高的低温树脂制作试件，试验研究了内置三维裂纹在单轴压缩下的扩展、贯通和试件破坏模式。采用特种水泥砂浆制作试件，试验研究了单一裂隙、多裂隙扩展、贯通、直至试件破坏的过程；研究了锚杆对三维裂纹、二维交叉裂纹的抑制作用，以及不同锚固方式对锚固效果的影响。并采用FLAC-3D软件，模拟三维裂纹以及含裂隙水压三维裂纹的扩展、贯通问题，结果表明裂隙水压对裂纹扩展角、扩展步长、裂纹扩展轨迹、裂隙岩体的强度和稳定性有显著影响。这些成果在其它文献中是当前没有提及的，是本课题的创新性成果。采用最大周向拉应力裂纹扩展准则和无网格方法，数值模拟了表面三维裂纹和内置三维裂纹的扩展过程，数值结果与相关文献和试验结果一致。在此基础上，建立了裂隙扩展的偶应力理论算法，数值模拟了表面三维裂纹的扩展，并将偶应力理论数值模拟结果与经典理论和试验结果进行了对比，研究了偶应力对三维裂纹扩展的影响以及偶应力理论的尺度效应，揭示了偶应力理论下岩体三维裂隙扩展机理。数值结果表明：偶应力理论对裂纹扩展问题的尺度效应明显，偶应力对裂纹扩展方向、扩展步长和扩展载荷有显著的影响。这部分工作是本课题的开创性工作，所得成果是本课题的创新性成果。还研究了偶应力理论下锚杆上的剪应力分布，给出了锚杆最大锚固力与围压的关系公式。偶应力理论下锚杆的最大锚固力要比经典弹性力学下最大锚固力大，对工程有指导意义，这是创新性的成果。还建立了偶应力理论下的扩展有限元方法，尝试性地研究了裂纹初始扩展。