基于三维随机裂隙网络模拟的岩体等效力学参数研究

Research on the geological structure and mechanical properties of rock masses is one of the key scientific issues for the design of rock engineering. This research first is aimed at building a three dimensional (3D) stochastic fracture network (SFN) model using field data. Then, the topography, geological structure and rock formations are overlaid on the SFN model to generate a 3D geological structure model. The representative rock and fracture mechanical parameters can be obtained by the laboratory and in-situ rock mechanics test. The technique for coupling the geological structure model and the discrete element software 3UDEC is studied, in order to implant the SFN model into 3DEC. The complete geomechanical model can be built by importing rock mechanical parameters and geostress into 3DEC. The size effect, spatial effect and anisotropy of mechanical parameters are investigated through the 3DEC simulation experiment. The REV size is determined by nonparametric statistical tests with the overall consideration of the structure and mechanical properties of rock masses. The REV sizes in different directions are calculated by studying the anisotropy of REV. The equivalent mechanical parameters of rock masses can be obtained using the rock mass mechanical calculation model which is built based on the REV sizes in different directions.

地质结构和岩体力学特性的研究是岩体工程设计和施工中的关键科学问题之一。本项目利用野外获取的裂隙数据构建三维随机裂隙网络模型，在此基础上叠加地形、地质构造和地层岩性，形成三维地质结构模型。根据室内外岩体物理力学试验，获取岩块和结构面的物理力学参数。研究地质结构模型与离散元数值模拟软件3DEC耦合方法，以实现将三维网络模型植入到数值软件中计算之目的。在数值软件中叠加岩体力学参数和地应力边界条件，从而构建完备三维地质力学模型。开展3DEC仿真试验，研究岩体力学参数的尺寸效应、空间效应和各向异性。采用非参数检验统计学方法，综合考虑岩体结构和岩体力学参数，确定表征单元体REV尺寸。通过研究REV的各向异性，合理确定不同方向上的REV尺寸，并以此为依据构建岩体力学计算模型进行数值模拟试验，获取等效岩体力学参数。

岩体力学参数具有明显的尺寸效应和各向异性特征，导致岩体力学参数的不确定性。合理确定岩体力学参数，对于工程设计及优化具有重要意义。. 本项目利用野外获取的二维裂隙数据构建了三维随机裂隙网络模型，通过编制程序实现了裂隙网络模型的三维可视化。在三维裂隙网络模型的基础上，提出计算岩体裂隙网络三维连通率的方法。根据三维连通率参数以及裂隙密度参数，研究了岩体结构几何参数的尺寸效应和空间效应，而后采用非参数检验方法确定了能够综合反映结构面几何特征的岩体结构表征单元体SREV(Structural REV)。考虑岩体结构参数不能表征岩体各向异性的缺陷，本研究编制离散元软件计算程序接口，实现将三维裂隙网络模拟嵌入到数值计算软件之中；通过对岩体进行不同方向的数值模拟加载试验，研究了岩体力学参数的尺寸效应和各向异性，获取了不同方向上的岩体力学表征单元体MREV(Mechanical REV)。综合SREV和MREV，并考虑MREV的各向异性，确定岩体综合表征单元体CREV(Comprehensive REV)尺寸，得到了不同方向上的等效岩体力学参数。