[发明专利]一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法

权利要求书

1.一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建多个不同层理角度的试样岩体，并对试样岩体进行单轴压缩试验及变角剪切试验，采集应力-应变曲线及破坏荷载、剪应力和正应力；

步骤2：根据步骤1得到的应力-应变曲线，提取出多个不同层理角度的试样岩体沿Z轴向加载的单轴抗压强度、弹性模量及泊松比，并计算单轴抗压强度及弹性模量的各向异性度，对试验后的试样岩体进行分析，判断层理结构对岩体破裂特征的影响；

步骤3：根据步骤1得到的破坏荷载、剪应力和正应力，分析层理结构对岩体剪切性能的影响；

步骤4：构建横观各向同性本构模型，根据步骤2提取的弹性模量及泊松比，计算岩体各向异性材料参数。

2.根据权利要求1所述的山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，其特征在于，步骤1中所述构建多个不同层理角度的试样岩体，并对试样岩体进行单轴压缩试验及变角剪切试验，具体为：

所述试样岩体包括圆柱形试样岩体及立方体试样岩体，所述圆柱形试样岩体及立方体试样岩体均分为5组，分别以0°、30°、45°、60°及90°的层理角度进行制样，每组试样岩体个数不少于3个，所述圆柱形试样岩体用于进行单轴压缩试验，采集应力-应变曲线，所述立方体试样岩体用于进行变角剪切试验，采集破坏荷载、剪应力和正应力。

3.根据权利要求1所述的山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，其特征在于，步骤2中所述试样岩体的单轴抗压强度的各向异性度R_c为：

式中，σ_cmax为单轴抗压强度最大值，σ_cmin为单轴抗压强度最小值。

4.根据权利要求1所述的山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，其特征在于，步骤2中所述试样岩体的弹性模量的各向异性度R_E为：

式中，E_max为试样岩体在层理角度0°和90°之间弹性模量的最大值，E_min为试样岩体在层理角度0°和90°之间弹性模量的最小值。

5.根据权利要求1所述的山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，其特征在于，步骤3中所述根据步骤1得到的破坏荷载、剪应力和正应力，分析层理结构对岩石剪切性能的影响，具体为：

将实测的剪应力和正应力数据进行拟合，得到拟合曲线，根据拟合曲线得到不同层理角度下试样岩体的粘聚力和内摩擦角，建立层理角度与粘聚力、内摩擦角之间的联系，分析层理结构对岩石剪切性能的影响。

6.根据权利要求1所述的山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，其特征在于，步骤4中所述构建横观各向同性本构模型，根据步骤2提取的单轴抗压强度、弹性模量及泊松比，计算岩体各向异性材料参数，具体为：

建立XYZ坐标系，将Z轴作为纵轴方向，在坐标系中，应力-应变关系为：

ε＝Sσ

式中ε为应变张量，σ为应力张量，S为柔度矩阵，矩阵形式表示为：

式中的E₁、E₂、v₁、v₂及G₁₂为岩体各向异性材料参数，其中E₁和E₂是分别为横观各向同性面和垂直于该平面的方向上的弹性模量，v₁为岩体层理角度为90°时的泊松比，v₂为岩体层理角度为0°时的泊松比，G₁₂为垂直于横观各向同性平面上的剪切模量，根据步骤2中提取的弹性模量及泊松比，通过下列公式计算围岩各向异性材料参数，

式中，E_β为加载方向与层理面夹角为β时的弹性模量。