锚固节理岩体的结构强度效应与精细化数值模拟方法

节理岩体的锚固作用机制是岩石力学领域研究的一个热点和难点问题，现有各种模型大多以锚杆（索）为主体来解释其作用机制，很少考虑锚固构件在节理面的局部化损伤破坏行为，未能有效揭示锚固节理岩体产生的结构强度特性和综合抗剪强度参数。本项目通过开展含单条不同粗糙度节理加锚前后的直剪试验研究,分析了锚杆和结构面的相互作用机制以及锚固构件在节理面附近的局部化损伤破坏行为,探讨了不同锚固角的加固效果及对结构面附加强度与综合抗剪强度参数贡献；通过开展大尺寸加锚节理岩体的压缩强度试验，分析了节理岩体锚固后力学特性变化规律、不同锚杆密度的加固效果及对节理岩体结构强度与综合抗剪强度参数贡献。基于试验成果和力学分析建立了加锚岩体力学计算模型，不仅能够描述岩块内部锚杆的拉压变形，而且能够准确模拟锚杆与结构面的相互作用，综合反映结构面附近锚杆的拉压、弯曲和剪切变形以及锚杆进入塑性屈服后的硬化特性。研制了高效可靠的锚固岩体数值求解方法及流形元计算程序，由于在数值流形方法中锚杆构件可作为物理网格输入，因此锚杆单元的布设与流形单元网格无关，可以实现大规模锚杆的精细化模拟。通过将本项目研究成果应用到锦屏一级水电站岩石高边坡工程和水布垭地下厂房工程，为正确评价锚固结构的支护效果，锚固结构优化设计和锚固岩体稳定性评价提供了科学依据。

本项目采用模型试验、理论分析、力学建模和数值模拟相结合的方法，研究锚固节理岩体的结构强度特性与精细化数值模拟方法。采用含单条节理的岩体试件，开展直剪试验研究，分析锚固构件在节理面附件的局部化损伤破坏行为，研究锚固构件对单条节理的附加刚度与附加强度贡献；采用大尺寸含多组节理的岩体试件，开展压缩试验研究，分析锚固构件对于不同节理分布形式的加固效果，研究锚固构件对节理岩体的整体刚度贡献和结构强度贡献，建立锚固节理岩体的结构强度准则；基于试验成果、损伤力学与均一化原理建立考虑结构强度效应的锚固节理岩体力学模型与本构方程，研发高效可靠的锚固岩体数值求解算法及计算软件，并结合实际工程开展应用研究，为我国水电、交通、能源等工程岩体的锚固优化设计和稳定性分析提供理论支持。

• 中文摘要

现代高精度制导钻地弹是目前地下工程所面临的最为常见威胁。在钻地弹侵入岩体爆炸过程中，爆炸应力波在岩体中传播，导致节理岩体地下洞室产生一系列动态响应，严重影响工程安全。本研究对爆炸应力波在节理岩体中的传播以及直墙拱顶节理岩体洞室锚固抗爆问题进行了分析。在理论研究中，分析了爆炸应力波在位移与应力连续条件下纵波与横波在节理处的传播特性，同时亦分析了爆炸应力波在位移与应力不连续条件下在具有理想光滑节理面和含摩擦节理面处的传播特性；运用损伤力学相关知识，建立了岩石中的微裂纹损伤与弹性模量的函数关系表达式。在数值模拟研究中，通过有限元软件计算了爆炸荷载并验证了其精确性，采用离散元软件研究了含节理岩体的爆炸应力波传播问题，最终通过建立无锚固和有锚固情况下的直墙拱顶节理岩体洞室，分析其抗爆效果，获得了锚固对抗爆效果的影响规律。主要结论包括：运用动力有限元软件 ANSYS AUTODYN 建立了岩体爆破模型，在模型炮孔周围设置监测点，结合理论解对比分析可知数值计算所得的爆炸荷载与理论计算值较接近，计算可靠；利用UDEC进行应力波透射率的数值计算结果与理论计算结果较为吻合，验证了UDEC进行应力波穿越节理透射率问题研究的可行性与有效性，其计算能够保证分析直墙拱顶节理岩体洞室锚固抗爆的计算精度；锚固对于直墙拱顶节理岩体洞室具有有效的抗爆能力提升作用。 2100433B

岩体体积节理数指的是每立方米岩体体积内的结构面数目。

n——统计区域内结构面组数；

《加锚断续节理岩体破坏机理及工程应用》以水电和隧道工程中断续节理岩体为研究背景，利用CT扫描和声发射技术对加锚断续节理岩体破坏机理开展了大量的试验研究，在试验的基础上进行系统的理论分析和数值模拟研究。提出了断续节理岩体裂隙扩展的力学本构模型、损伤演化方程和锚固止裂模型；建立了加锚三维裂隙岩体失稳破坏的突变模型和可有效反映锚固效应的三维加锚断续节理岩体断裂损伤本构模型；开发出适合断续节理岩体特点的三维大型有限元程序，为岩体工程稳定性评价和布锚参数优化提供了理论依据。其成果成功应用于国内多个大型水电与隧道工程中，取得显著效果。

《加锚断续节理岩体破坏机理及工程应用》可供从事土木工程、水电工程、隧道工程、矿山工程等领域的科研人员、工程技术人员和大专院校师生参考使用。