片岩是一类在变质作用下形成的含软弱片理结构的岩石,在力学性质上往往表现出非均质性。鄂西北山区广泛分布元古界武当群片岩,该片岩以云母石英片岩为主,片理发育,表现出显著的各向异性。隧道开挖后,各向异性围岩的非对称变形突出,拱顶开裂、衬砌剪断、锚杆失效等破坏现象频繁出现,不仅给隧道工程设计和安全施工带来了巨大困扰,同时也造成了不可估量的经济损失。因此,开展片岩的各向异性特征研究既是应用基础理论问题,也具有较大的工程应用价值。本文依托交通运输行业科技攻关项目,以隧道区武当群片岩为研究对象,采用工程地质调查、偏光显微镜、扫描电镜、声波测试、单轴和三轴力学试验、数值模拟、统计分析等手段,对鄂西北武当群片岩的微观、宏观各向异性及其在隧道工程中的应用等展开研究,主要工作和获得的结论为:(1)概述了武当群片岩赋存的地质环境条件,并对该条件下此类片岩的成因进行了分析,认为武当群片岩是砂岩-粉砂岩-粉砂质泥岩碎屑沉积岩组经历造山变质作用的产物;因原岩岩性、成生环境等随地理位置变化略有不同,导致武当群片岩的矿物成分、含量、结构等特征表现出一定空间差异性。(2)分别采用偏光显微镜和扫描电镜,定性、定量地对武当群片岩物质与结构的微观特征进行了系统分析。定性分析结果显示,武当群片岩含粒状和片状两种不同形态的组构单元,两种单元皆呈现一定程度的单向拉长特征,片状矿物夹于粒状矿物间,似互层状分布。以面积百分比、分维值、定向度分别对武当群片岩的矿物、微观孔隙裂隙的相对含量、边界形态、分布排列进行定量评价,发现不同表观特征的武当群片岩的微观结构呈现出一定差异规律。对矿物含量与孔隙裂隙含量、矿物定向和裂隙定向、矿物分维值与裂隙分维值等的相关性分析,揭示了矿物、孔隙裂隙二者在微观系统中的空间关系。(3)采用波速试验、单轴压缩试验、三轴压缩试验研究了武当群片岩在水、围压等因素影响下的宏观各向异性,并结合片岩的微观结构探讨了武当群片岩的各向异性机制。武当群片岩的纵波速度、抗压强度、弹性模量皆表现出明显的各向异性,纵波速度随试样纵轴与片理展布方向的夹角α减小而增大;抗压强度和弹性模量随α减小先减小后增大,最小值位于α=30°。在矿物成分与结构、水、围压等因素影响下,武当群片岩的纵波速度、抗压强度、弹性模量及其各向异性度呈现出明显规律。探讨了水和矿物成分与结构(包括云母矿物和裂隙含量、矿物和裂隙形态、矿物和裂隙的分布排列等)影响单轴抗压强度、弹性模量与力学各向异性的机制,并利用回归分析研究了云母矿物含量、矿物定向度、矿物分维值对片岩强度各向异性度的影响程度,结果显示:矿物定向度对片岩的强度各向异性影响最大,其次为矿物分维值,云母含量对片岩的强度各向异性的影响相对较小。利用室内试验、数值试验手段研究了片岩的破坏模式。结果显示:片岩的破坏模式与围压、加载方向与片理面夹角相关;无围压条件下,片岩存在三种破坏模式—斜交片理剪切破坏、拉张劈裂破坏、顺片理剪切滑移破坏;5-20MPa围压条件下,呈现斜交片理剪切破坏和顺片理剪切滑移破坏两种破坏模式。引入矿物分维值和递减函数,对Jaeger-Donath公式进行改进,利用改进公式预测了不同含水状态、不同结构的武当群片岩的单轴抗压强度。在此基础上,采用Ramamurthy准则和改进Hoek-Brown各向异性破坏准则对武当群片岩在围压条件下的抗压强度作出预测。(4)考虑片岩的各向异性,建立了适用于片岩区的岩体质量分级方法,并探讨了片岩岩体的力学参数取值方法。考虑片理面发育程度对片岩基本质量的影响,以BQ公式为基础,采用回归分析法,建立了包含各向异性度S、单轴饱和抗压强度、岩体完整性系数三个变量的改进岩体基本质量分级公式,该公式分级结果与工程实际的契合率可达84.8%。对岩体基本质量的修正因素,即片理面和结构面两组弱面的产状、岩石膨胀性,及各因素的修正系数等级进行了研究,确定了各等级修正系数范围和修正系数权重,建立了考虑修正因素的改进BQ、公式。实例显示,该公式得到的片岩类围岩的质量级别与实际吻合度较高。提出基于国标中的岩体力学参数建议表,结合Hoek-Brown准则对岩体参数的经验估算,从而获取各向异性片岩的最大、最小岩体力学参数的思路。(5)探讨了不同埋深的隧道开挖后,不同片理倾角围岩的变形破坏与各向异性间的响应规律,并对支护结构进行优化设计研究。利用Udec离散元软件对不同埋深条件下,3种代表性片理倾角的隧道模型进行了数值模拟。结果显示:a)围岩塑性区分布形态与应力集中部位和主应力与片理面的组合方向密切相关。不同片理倾角条件下,应力集中部位有较大差异,且塑性区形态各异,α=0°、α=90°时分别呈沿隧道纵轴对称的似椭圆形、帽形;α=45°时表现为长轴与片理倾向相同的螺旋扇形;b)随围岩强度应力比减小,不同片理cRvK倾角的围岩的塑性区大小和特征指标值均呈幂函数、近幂函数增长;c)各片理倾角围岩的位移主控方向和最大位移值分布位置有显著差异;d)随隧道埋深增加,围岩各向异性度减小,片理对围岩变形影响趋于弱化,与此相反,水则加大了片理对围岩变形的影响程度。基于数值模拟得到的数据结果,采用正交试验方法,得到控制围岩变形的最佳支护方案,结合锚杆在各向异性围岩中的受力特性,进一步提出在该最佳支护方案基础上采取大范围弱化、局部增强锚杆的措施以达到较为理想的支护效果。