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结构面普遍存在于岩体中,是岩体中最弱的部分,在很大程度上控制着岩体的变形特点和破坏模式。由于结构面的存在,节理岩体中块体常常沿着结构面发生剪切滑移或者错动,导致节理岩体的稳定性和整体性降低。研究表明:锚杆可以限制块体的层间错动或滑移,减小岩体的变形,提高岩体的稳定性,故其广泛被应用于节理岩体的锚固领域,是节理岩体加固中重要的支护手段之一。然而,由于岩体的各向异性和节理面发育的复杂性等因素,锚杆加固节理岩体的机制非常复杂,对剪切荷载作用下锚固结构面宏细观力学响应和锚杆-岩体相互作用的机理认识还不足,成为制约节理岩体锚杆支护设计发展的重要瓶颈问题。 在总结前人研究成果的基础上,结合理论分析、物理试验和数值模拟技术,本文开展了结构面锚固力学性能方面和锚固结构面破坏机制方面的研究,本文的研究对于锚固技术的发展、工程设计等方面有重要的意义,另外也会为目前国家正在进行或即将进行的大型岩体工程建设中相关技术问题的解决提供理论支持和技术支撑。 结合前人的相关研究成果,本文主要进行了以下几个方面的研究工作: (1)通过室内压缩试验和颗粒流数值模拟,确定了岩石的细观力学参数,为进一步的研究奠定了基础,对岩石压缩荷载作用下内部颗粒组分的宏细观力学响应进行了研究,得到了岩石压缩破坏过程中颗粒旋转弧度、颗粒间接触力、颗粒竖向位移以及细观裂纹的演化过程; (2)基于颗粒离散元软件PFC内置FISH语言,提出了满足实际强度和大变形双重要求的双线性锚杆本构模型,并应用于模拟计算中,对压剪荷载作用下锚固结构面的力学特性进行了系统的宏细观研究,得到了锚杆加固结构面的锚固机理,并从宏观层面研究了剪切过程中能量和锚杆受力状况的演化情况,而在细观层面,得到了主应力矢量、颗粒旋转弧度、颗粒间接触力、颗粒间法向接触数量及方位角分布范围等非经典场量以及细观裂纹等的演化过程; (3)利用PFC软件对剪切荷载作用下锚杆-浆体-结构面相互作用机理进行了研究,研究了锚杆刚度和浆体强度对锚固体系宏细观的影响,得到了不同支护结构力学参数下的宏观抗剪强度响应、锚杆应力变化特征和细观裂纹损伤响应,提出了“宏细观耦合支护”的概念,并对锚杆沿全长的受力特点进行了分析,提出了剪切荷载作用下锚杆应力分布模型,揭示了锚杆的失效机制。