岩石节理动态法向变形特性及参数关系研究

Joint normal deformation is a basic problem of rock mechanics. Compared with static study, research on dynamic normal deformation of rock joints is insufficient. Based on the research work of site investigation, laboratory tests and numerical simulation, this project will study the effects of joint matching and weathering degree, and roughness on dynamic normal deformation within a large range of loading rate. Firstly, site investigation and laboratory topography measurement are carried out. These data of joint topography are analysized, and compared with their origin and in-situ parameters. Secondly, static and dynamic tests on natural and artificial joints are conducted, and subsequently, theses experiments are used to calibrate numerical simulation. After that, systematic numerical calculations are performed. Based on the data obtained from experiments and numerical simulation, the effects of different factors on joint dynamic behavior are compared and studied. Finally, a dynamic deformation model of rock joint is built and model parameters are also determined. The present study on dynamic joint normal deformation is not only beneficial for academic work, but also useful for solving dynamic problems in different practical engineering.

节理法向变形特性是岩石力学研究的基本问题之一。相比静态研究，目前对节理动态法向变形特性的研究还较少。本课题拟从现场调查、室内试验和数值计算三个方面研究较大加载率范围内，节理吻合、风化和粗糙程度等因素对节理动态法向变形特性的影响。首先通过现场调查和室内形貌测量，获得天然节理的形貌特征，及与其成因和现场参数的关系；而后以室内试验为基础，对天然和人工节理的动态法向变形特性开展初步研究；通过与动静态试验的对比，比选确定数值模拟程序并进行相关标定，获得合适的计算参数和误差范围；接着利用标定后的程序系统研究各因素对节理变形特性的影响，并基于大量的试验和数值模拟数据，分析各因素的影响趋势、程度和相互关系；最终建立节理动态本构模型，并提出相关参数的确定方法。该项研究不仅具有较高的学术价值，而且对于地震工程、岩石工程和防护工程中的动力问题具有重要的实用价值。

本项目从节理样品制作、室内试验、数值计算和理论分析四方面研究了岩石节理动态法向变形特性及参数关系。粗糙节理的获取与制作是本项目开展的基础，研究组首先针对如何经济方便的获取重复性高、粗糙范围大的节理样品开展了多方面尝试性研究，包括天然节理现场调查、室内试验制得岩石节理样品并进行粗糙程度测试、3D打印技术在岩石力学和渗流试验中的应用研究、采用随机函数生成节理数字模型-3D打印粗糙节理底模-浇筑获得节理样品的方法制作类岩石材料节理并校验其粗糙程度精度、组合形貌节理粗糙特征与变形试验。通过上述工作，研究组掌握了各种粗糙节理样品的制作方法及其在节理力学特性研究方面的优缺点和适用性。基于摄影测量技术，研究组开发了节理吻合系数快速定量测量方法，并讨论了节理位移错与吻合系数的对应关系。而后通过大量的室内试验，研究组成功建立了包含节理吻合系数与粗糙度系数的节理法向变形BB模型；同时发现节理的静态和准静态法向变形特性皆符合BB模型，只需对静态模型中的节理参数进行动态效应修正即可。此外，通过特殊设置的循环加载试验，研究揭示了节理法向变形特性加载率效应的根源。除室内试验外，研究组还开展了大量数值计算工作，如将有限元网格嵌入传统DDA计算模块中，使改造后的NDDA程序更加适合岩（石）体的破裂计算；采用PFC2D程序进行模拟，探讨了岩（石）体的尺寸效应、围压效应及围压对尺寸效应的影响；基于DDA程序，开发了统一锚杆模型以模拟节理岩体中各类锚杆的作用和破坏机制。此外，研究组还开展了应力波在岩体中传播规律的理论研究，讨论了节理不同张开和闭合性质、节理根数和间距对透射系数、透射波波形和频谱的影响。本项目的研究（特别是节理样品制作与测试工作、室内试验和数值计算部分），获得了一些有益的结果，可为今后岩体动力学的试验和数值模拟研究及现场应用提供有益的参考。