各向异性柱状节理岩体卸荷流变破坏试验与力学模型研究

Unloading rheological failure of the anisotropic columnar jointed rock mass is a problem encountered in the construction of hydropower projects in southwest China. Based on the geological model and the similarity principle, columnar jointing material is made with the geo-structures and physico-mechanical properties similar to the in situ columnar jointed rock mass. Physical modelling tests under anisotropic unloading rheological condition are conducted on the specimens of the similar material. With a back analysis according to the similarity and in situ tests, numerical simulations considering rupture effects of the polygonal columnar joints are conducted. Their results are used for studying the effects of geo-structure and unloading stresses on the anisotropic rheology, damage, strength and failure modes of the columnar jointed rock mass. The geo-structural and mechanical mechanism in the anisotropic unloading rheology and damage failure are revealed. A rheological damage model is proposed for providing a criterion to evaluate the long-term stability of the engineering columnar jointed rock mass. The study results can provide important theory and technology references for the engineering prevention of the unloading rheological failure of the columnar jointed rock mass.

各向异性柱状节理岩体的卸荷流变破坏是我国西南地区水电工程建设中遇到的难题。本项目基于地质模型和相似性原理，研发一种地质结构和物理力学性质与实际相近的柱状节理类岩体材料，开展各向异性卸荷条件下的流变破坏模型试验。通过相似性反演分析，结合现场实测、以及考虑多边形柱状节理破裂效应的数值模拟，研究地质结构和卸荷应力状态对柱状节理岩体各向异性流变、损伤、强度和破坏模式的影响；揭示各向异性卸荷流变和损伤破坏的地质结构与力学作用机制；提出适用的各向异性流变-损伤力学模型，为柱状节理岩体相关工程的长期稳定性分析提供判据。研究成果可为柱状节理岩体卸荷流变破坏的工程防治提供重要的技术支撑和理论参考。

我国西南地区的柱状节理岩体的地质结构主要表现为细长柱体，断面多以不规则的四、五、六边形为主。近竖直向柱状节理密集发育，与近水平向节理裂隙交错切割，使得柱状节理岩体的完整性变差，表现出规律的各向异性地质结构特征。这样的地质结构使得柱状节理岩体具有非连续性、非均匀性、非线性和各向异性等复杂力学行为。在开挖条件下，柱状节理岩体表现出较严重的流变卸荷破坏特征，给该地区的相关水电工程建设造成一定的危害。本项目以此为背景，开展了三年的研究工作，取得了如下成果：.（1）基于工程地质实测，研究了柱状节理岩体的地质结构特征，采用自己设计的模具，制作出地质结构和物理力学性质与实际相近的柱状节理类岩体材料，开展了室内模型试验。基于试验成果，分析了柱状节理岩体的各向异性变形规律、强度特性和破坏模式。基于工程类比法，采用模型试验的结果，评估了白鹤滩水电站坝基柱状节理岩体的变形模量和抗压强度。.（2）节理、裂隙、层理等地质结构对岩石（岩体）强度的各向异性影响极大。本研究工作基于微结构张量的概念，推导了Pietruszczak-Mroz各向异性破坏准则的力学公式，分析了应力状态与层理方向对各向异性岩石破坏的控制作用。该PM各向异性破坏准则的材料参数可以采用三轴试验确定。通过与试验数据的对比研究表明，PM各向异性破坏准则能够较好地描述岩石的各向异性强度特征。.（3）针对一种准脆性岩石（石灰岩）进行了三轴压缩试验，研究了弹塑性与损伤耦合的力学特性。在不可逆热力学框架下，通过在弹性刚度和屈服准则中引入各向同性损伤变量来描述塑性耗散和损伤耗散之间的耦合效应，建立了弹塑性损伤耦合模型，并推导了本构积分算法，开发了计算程序。试验数据与数值模拟结果的对比研究表明，弹塑性损伤耦合模型能够较好地描述准脆性岩石的主要力学行为。.基于上述研究工作，本课题共发表SCI期刊论文4篇，获得授权发明专利4项。协助培养博士研究生2名，硕士研究生2名。项目负责人和核心参研人员在独立开展科研工作的能力方面得到较大提升，获得了较好的学术成长。总体上，本课题在国家自然科学基金的资助下，基本完成各项工作任务，取得了高质量的研究成果。