[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

说明书

本发明提供了一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，构建多个不同层理角度的试样岩体，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；根据应力‑应变曲线，计算单轴抗压强度及弹性模量的各向异性度，并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；根据破坏荷载、剪应力和正应力，分析层理结构对岩体剪切性能的影响；构建横观各向同性本构模型，计算岩体各向异性材料参数。本发明提供的山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，便于实施，能够得到层理角度对岩体力学参数和破坏模式的影响规律，揭示其破坏机制的各向异性，为以板岩为主要工程地质背景的工程建设提供了基础。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法。

背景技术

山区隧道层状岩体围岩常呈软硬岩层相间的互层形式，结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育，其变形破坏除受岩性及赋存环境因素影响外，还受岩层产状及岩层组合等控制。岩体通常在物理、力学属性和水力属性等方面表现出各项异性，这些参数会随着方向的变化而变化。因此，如何确定岩体的各向异性特征，从而确保岩土工程的合理设计、施工和运营，成为该研究领域的重要工作之一。

现有的围岩层理结构各向异性分析方法，存在较多假设，且理论体系复杂、应用效果不佳，难以广泛应用于实际工程岩体的各向异性研究中。因此，设计一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法十分有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，便于实施，能够得到层理角度对岩体力学参数和破坏模式的影响规律，揭示其破坏机制的各向异性，为以板岩为主要工程地质背景的工程建设提供了基础。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种山区隧道围岩层理结构各向异性的确定方法，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。

可选的，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。

可选的，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。

可选的，步骤2中所述试样岩体的弹性模量的各向异性度R_E为：