节理岩体卸荷各向异性非线性力学特性研究

The rock mass in engineering projects is generally non-homogeneous due to the cutting by joint fissures. It shows a mechanical property of anisotropy. In fact, considering about the complexity of this property, the rock mass is usually homogenized in the practice, which obviously leads to a great difference from the actual situations. Therefore, studying about the anisotropic property of rock mass is an effective way to ensure the stability of rock engineering. In this paper, we are committed to the research of anisotropy mechanical properties of jointed rock mass under the condition of unloading, that is, including the study of jointed rock mass ranging from the nonlinear characteristics, the variation rules of anisotropy, the mechanical characteristics, the mechanical parameters and models. All of these are the indispensable basis of the mechanics and stability researches, and also the key to solve practical problems. The project is aimed at a typical jointed rock mass in the hydropower engineer. We intend to learn about the unloading nonlinear characteristics and engineering applications of groups of joints from multiple directions under different horizontal stresses. It has important theoretical significance and application value to study the unloading anisotropy nonlinear characteristics of the jointed rock mass.

工程中的岩体由于受节理裂隙的切割，一般为非均质体，其展现出来的力学特性应该是各向异性的。实际上，由于岩体各向异性特性认识的复杂性，一般是按均质体来考虑的，显然，这种做法与实际是有很大差别的。因此，研究岩体的各向异性力学特性，保证岩体工程的稳定性是十分必要的。本项目就是从事节理岩体在卸荷条件下各向异性力学特性研究，即研究含节理岩体在卸荷条件下的非线性特性、各向异性变化规律、力学特征、力学参数及力学模型。掌握这类岩体的力学特性，尤其是岩体在卸荷条件下的各向异性非线性力学特性及其力学参数，是岩体力学和岩体稳定性研究不可缺少的重要基础，也是解决工程实际问题的关键。本项目主要针对水利水电工程中的典型节理岩体，在不同的应力水平作用下，考虑多种不同的方向，以及多组节理的卸荷非线性力学特性，并在典型的水利水电工程中应用。开展节理岩体卸荷各向异性非线性力学特性研究具有重要的理论意义和应用价值。

岩体工程开挖是一种卸荷的过程，卸荷条件下的岩体力学特性往往与加载条件下力学特性是不同的，而卸荷条件下节理岩体力学特性的研究对实际工程更具指导意义。该项目以不同倾角、不同连通率节理试件为研究对象，采用室内试验为主、数值模拟试验和理论分析为辅的研究方法，主要对以下内容开展研究：节理试件的超声波传播规律及衰减特性、单轴压缩过程中节理试件力学特性与微观声发射的相互关系、单轴和三轴压缩条件下节理试件的应力应变曲线、变形、强度和破坏模式的各向异性特性、横轴压卸围压条件下节理岩体卸荷力学特性与节理倾角和卸荷速率的关系、节理试件各向异性抗拉特性、节理岩体的尺寸效应和等效变形参数确定方法、单一节理及层状岩体的加卸载屈服准则、节理岩体卸荷损伤等效力学模型。研究结果表明：（1）不同入射角声波穿越节理对其衰减程度有影响，衰减率与声波入射角呈线性递减关系；（2）不同倾角节理试件声发射幅值、撞击数和能量的变化规律与其应力状态一一对应；（3）单轴和三轴压缩条件下节理试件具有明显的各向异性力学特性，随着围压升高其差异逐渐减小；（4）卸荷过程中节理试件变形模量随围压卸荷量增加呈先缓慢降低后骤降的趋势；卸荷速率对其卸荷力学特性均有影响；（5）随着加载荷载与节理面夹角增大，节理试件的抗拉强度呈线性增大，其断裂面均贯通节理；（6）节理岩体具有明显的尺寸效应，通过数值模拟可确定典型单元体尺寸和等效力学参数；（7）单一节理及层状岩体的加卸载屈服准则可划分为2段，即受节理面强度控制和受岩体强度控制；（8）将节理岩体在卸荷过程中力学参数的劣化定义为卸荷损伤，提出节理岩体卸荷损伤等效力学模型；（9）将本文所提等效力学参数确定方法和本构模型应用于小湾水电站大坝与边坡相互作用数值模拟，计算结果与监测值变化趋势一致，说明该等效力学参数和本构模型可较好地反映该工程岩体的变形特性。