岩石节理双阶粗糙结构剪胀劣化本构模型研究

Accurate assessment of large-scale rock engineering structures demands a practical and predictive joint constitutive model. Current models possess the following drawbacks: second-order roughness is considered; the dilation and dilation processes are not quantified; and the coefficients involved in the models are based on empirical judgement. In the proposal, we will visualise and quantify the dilation and degradation of two-order roughness based on DIC technique. We will carry out direct shear tests on saw-toothed and JRC-shaped rock joints made of granite and sandstone. Based on the experimental investigation, the evolution of dilation angle and degradation strength over the shear displacement are quantified. Based on the mobilisable shear strength theory, we will develop a new joint constitutive model by considering the relationship between dilation and degradation strength and the tangential work and the degradation area. The research provides theoretical foundation to accurately assess the stability of large-scale rock-engineering projects, such as water dams and rock slopes.

水电站坝基、岩质边坡等大型岩体工程稳定性评价需要高精确度、具有预测功能的岩石节理剪切本构模型。针对现有本构模型难以考虑双阶粗糙结构、剪胀劣化过程定性化和模型参数经验化难以工程应用等问题，提出利用数字成像相关（DIC）技术实现节理粗糙结构剪胀损伤演化过程可视化、损伤区域定量化的新思路，主要采用实验研究和理论分析相结合的方法，开展岩石节理双阶粗糙结构剪胀劣化剪切本构模型的基础研究。本项目将对三种锯齿形（一阶）与三种JRC形（双阶）花岗岩和砂岩节理在不同法向应力下进行直剪试验，结合DIC技术，量化剪胀角、劣化强度和劣化面积在多因素影响下随剪切位移的演化规律；基于项目申请人提出的可调用剪切强度方法，分别公式化双阶粗糙结构的剪胀角和劣化强度随剪切功和劣化面积的变化，建立理论推导严格、具有预测功能的新型岩石节理剪切本构模型。本项目的研究为准确评价大型岩体工程的稳定性提供了理论基础。

水电站坝基、岩质边坡、地下硐室和矿山巷道等大型岩体工程稳定性评价和支护设计需要高精确度、具有预测功能的岩石节理剪切本构模型。基于项目负责人提出的可调动剪切强度理论框架，克服了以往研究不能定量分离一阶大起伏和二阶小凸起的痼疾，利用小波分析方法定量化分离了双阶粗糙度。结合结构面磨损过程，提出了各阶粗糙结构磨损增量主要由塑性剪切功增量和剩余的粗糙结构的面积控制。基于此节理结构面摩擦理论，逐步解析推导了结构面剪切滑移过程中各阶粗糙结构的剪胀损伤过程，确立了剪切面积与剪胀角和损伤强度的公式化关系。基于弹塑性理论框架，进而提出了岩石节理双阶粗糙结构在剪切过程中的剪胀劣化本构模型。此本构模型相比于以往的本构模型具备以下优点。第一，此模型是基于严格的理论推导，模拟了岩石节理的物理剪切过程，物理意义明确；第二，此模型分别考虑了各阶粗糙结构的剪胀角和损伤量，更符合岩石节理剪切本构的物理约束；第三，模型中涉及的参数简单可测，有较强的预测性，因此在岩石力学工程中有极大的应用前景。为验证提出的本构模型，开展了规则三角形和不规则JRC表面的岩石节理直接剪切实验；本模型与节理直接剪切实验曲线对比取得了较好的拟合效果。