节理、裂隙、断层等各类结构面的存在破坏了岩体的连续性，是导致岩体各向异性的主要原因，基于均质、连续、各向同性假设的传统计算方法已经难以满足复杂地质条件下的隧道支护设计和稳定分析，开展节理岩体各向异性特性研究对于提高隧道与地下工程支护设计水平具有重要理论意义和应用前景。 本项目采用理论分析、基于数值流形方法和离散元法的数值模拟以及现场监测相结合的研究方法，重点研究了层状节理岩体和含有两组斜交节理岩体的各向异性特征及强度预测方法、围岩抗力系数分布特征和影响因素、浅埋大跨隧洞松动破坏机制和松动区分布特征及松动压力计算方法等，取得的主要成果包括：1）层状结构岩体强度随节理倾角的变化曲线呈勺子型，节理附近应力集中和节理的剪切滑动破坏是导致岩体强度各向异性的主因；2）含有两组节理岩体的强度也具有显著的各向异性特征，两组节理之间的相互作用控制着岩体的破坏模式与强度；3）建立了根据节理间距、倾角、节理和岩石强度以及围压预测层状岩体三轴抗压强度的计算公式，该公式简单、实用、预测精度高，所有参数均有明确物理含义，且可通过常规室内试验获取；4）含有两组斜交节理岩体的围岩抗力系数分布曲线呈卵形，节理的倾角对隧道各个方向围岩抗力系数值影响明显，平行于节理方向的抗力系数明显大于其他方向。节理法向刚度、岩石的弹性模量、节理间距、两组节理间的夹角是影响抗力系数的主要因素；5）提出的围岩抗力系数预测公式可根据岩石的弹性模量、节理法向刚度、节理间距、节理间夹角计算隧洞各个方向上的围岩抗力系数值，合理反映节理分布状态对抗力系数的影响；6）基于节理岩体中地下洞室围岩松动区分布特征，以应力传递原理和极限分析上限法为基础，分别推导出节理岩体中浅埋地下洞室围岩松动压力计算的应力传递法计算公式和极限分析上限法理论计算公式，除了可考虑洞室尺寸、埋深以及岩体性质的影响外，还能考虑岩体中各类结构面产状、岩体完整程度以及上部软弱地层厚度等的影响，研究成果已用于大连地铁车站隧道的支护设计，取得了显著的经济和社会效益。 2100433B

岩体中众多节理、断层等结构面的存在导致的节理岩体各向异性给隧道支护设计和稳定分析造成了极大困难，如何确定围岩压力以及围岩的抗力系数等成为此类隧道支护设计的关键。本项目针对节理岩体各向异性特性以及隧道支护计算方法，以优势节理岩体模型为基础对数值流形法进行改进，将优势节理作为不连续面，含有密集分布节理、裂隙的岩体等效为符合H-B准则的弹塑性连续介质，建立可模拟隧道施工过程的节理岩体弹塑性数值流形方法。通过物理模拟和数值模拟，分析层状结构岩体和块状结构岩体以及随机分布节理岩体在不同尺度条件下的基本变形规律和破坏机理，揭示不同地应力条件下节理岩体各向异性对隧道变形和稳定性的影响规律，得出围岩松动压力和围岩抗力系数与节理分布参数之间的统计关系及其预测方法。通过优化分析提出隧道的合理支护参数，指导此类隧道的设计。

各向异性是岩体基本属性。对于柱状节理岩体这种具有特定结构面，各向异性显著的岩体，按各向同性理论考虑对认识其应力变形及破坏规律有较大的局限性，甚至与实际相差较大。本研究针对中国西南广泛发育的柱状节理岩体，综合研究其工程地质岩组和岩体结构特征、现场岩体原位实验及室内力学实验成果，应用数值模拟方法研究其宏观岩体的各向异性力学特性，推导并建立各向异性岩体弹塑性本构关系。开展发育柱状节理岩体工程的各向异性岩体力学数值分析，通过与各向同性模型力学分析比较，理解柱状节理岩体各向异性力学特性对工程稳定性的影响，为发育柱状节理的岩体工程各向异性岩石力学分析提供理论基础。依托在建的白鹤滩水利水电工程，针对坝址区广泛发育的柱状节理岩体，对涉及到其各向异性岩石力学特性及模型等关键技术问题开展了研究工作，结合原位测试资料及理论研究成果，深入探讨和分析了柱状节理岩体各向异性力学特性及各向异性力学模型，并将研究成果应用于涉及柱状节理各向异性岩石力学特性的大型水电工程实践。 2100433B

摘要：各向异性是岩体具有的一种基本属性，发育柱状节理这种特定结构面的岩体，其各向异性性质更加显著，各向同性力学理论对认识其应力变形及破坏模式有较大的局限性。本研究针对中国西南广泛发育的柱状节理岩体，综合研究其工程地质岩组和岩体结构特征、现场岩体原位实验及室内力学实验成果，应用数值模拟方法研究其宏观岩体的各向异性力学特性，推导并建立各向异性岩体弹塑性本构关系，以FLAC3D为开发平台研制三维各向异性弹塑性数值程序。开展发育柱状节理岩体工程的各向异性岩体力学数值分析，通过与各向同性模型力学分析比较，论证不同分析方法的差异，深入理解柱状节理岩体各向异性力学特性对工程稳定性的影响，为发育柱状节理的岩体工程各向异性岩石力学分析提供理论基础。

节理岩体的力学响应特性成为影响岩石地下工程安全稳定性的至关重要问题。岩体中节理裂隙分布的随机性、岩体力学强度参数及所遭受的外界荷载的不确定性等使得地下工程不可避免地存在风险，对不确定性因素造成的风险越加受到人们的重视。本课题运用随机力学理论，考虑节理岩体节理裂隙分布、岩体力学参数及外来荷载的随机性，研究节理岩体的随机力学响应问题，并用地质代表单元体的力学特性以随机分析法研究典型的大型地下洞室工程的安全稳定性，揭示典型地下洞室工程在随机因素作用下的失效破坏模式，并对洞室风险的时空响应问题进行探索，进行相应的洞室工程风险分级机制的研究，提出应对风险的措施。并拟开展一定的节理岩体单元体的块体模型试验，并与数值分析做对比。通过以上关键科学问题的研究，为节理岩体地下洞室工程的设计施工方案和参数的选取、支护加固措施的选择以及风险应对措施的制定提供科学有效的依据，推动岩石力学随机分析领域的研究和发展。