工程岩体中的结构面大部分以充填节理的形式存在,在外部荷载作用下,充填节理面成为岩体的强度弱面,最易导致岩体沿此处剪切滑移至破坏,极大的威胁岩体结构的稳定性。因此,研究充填节理的剪切变形特征及锚杆的锚固作用效果,对岩体强度评价和稳定性控制具有重要的实际工程意义。本文以充填节理为研究对象,考虑不同影响因素设计剪切试验方案,重点探究充填物厚度和节理面形态对其剪切强度和变形产生的力学效应;采用锚杆加固充填节理的方式,研究锚固作用下的力学响应。在颗粒流离散元程序中,利用Fish语言编程,实现充填节理及锚固系统在剪切过程中细观指标的实时监测,并实现细观演化的时间效应显示,以达到与物理试验的对照和宏细观层次的对比研究。1、综合考虑节理面形态和充填厚度两种因素,分析了充填节理的剪切力学效应,研究了三维各向异性结构面及标准JRC曲面平均起伏度计算方法。对节理锚固体系中锚杆在结构面处的受力进行了分析,重点研究了锚杆对节理剪切强度的强化机制,为充填节理锚固体系的剪切分析提供理论指导。2、对充填节理进行室内剪切试验,基于试验结果,对不同粗糙度、不同充填厚度对充填节理剪切的影响规律进行了分析总结。研究结果表明:充填节理的峰值剪应力整体随JRC值的增加而增大,随充填厚度的增加呈非线性降低趋势;充填节理剪切受结构面形态和充填厚度综合影响,当无充填或充填厚度小于结构面起伏时,峰值剪应力对结构面形态变化较敏感,而当充填厚度大于结构面起伏时,结构面形态不再是主要影响因素;JRC越小的结构面,只有较小的充填厚度影响其剪切强度的变化,随充填厚度的增加,剪切强度趋于一相对稳定值,JRC越大的结构面,充填厚度的变化对其剪切强度的影响越明显。3、通过无充填与充填节理的曲线对比分析发现:无充填节理的峰值剪切破坏趋向于瞬时破坏,结构面破坏瞬间应力降低,应变软化明显;而充填节理的峰值剪切表现为一个阶段,与充填物与结构面的相互作用有关,应变软化程度明显降低;充填节理剪切曲线表现出两种形式:单峰值型、双峰值型,其中双峰值型一般发生在结构面起伏较大的充填节理中。4、基于充填节理加锚剪切试验结果,分析了锚杆对不同充填厚度及不同JRC值的结构面的锚固效果。研究结果表明:施加锚杆后,充填节理的抗剪性能有一定程度的增加。随着充填厚度的增加,充填节理的加锚峰值强度降低,锚杆贡献值随厚度变化先增大后减小;当充填厚度小于结构面起伏时,锚杆发挥“销钉”作用,达到峰值剪应力时的结构面剪切位移明显增大,充填厚度大于结构面起伏时,锚杆抗剪阶段明显减小,抗剪性能无法得到充分发挥;随着JRC值的增大,锚杆对充填节理峰值强度的贡献值也略增大,而JRC越大的充填加锚试样剪切破碎程度越高,残余强度越低。5、利用颗粒离散元程序对充填节理剪切过程进行模拟,分析剪切过程中位移矢量、粒间接触力及裂纹演化规律,对比不同充填厚度下节理剪切细观破坏形态的差异。研究发现:充填节理的位移矢量变化在剪切前期很明显的受到充填物的影响,表现出以充填物为中心对称的弧形位移变化形式,剪切后期上下试件则表现出独立的位移特性;在压剪应力作用下,模型颗粒间接触力分布并不均匀,且随剪切过程不断调整,但主要表现为偏向剪切荷载施加端,在结构面较大凸起处出现接触力集中现象,并逐渐向结构面偏转;剪切裂纹首先在两端充填处产生,然后沿充填结构面向岩石内部发育,随着充填厚度的增加,初始裂纹增长速率增大,裂纹总数降低;随充填厚度增加,试样细观破坏以充填体的破坏为主,节理岩体的破坏程度降低,最终试样沿着结构面形成一条宏观剪切破碎带,从而失效。6、基于充填节理加锚剪切的数值模拟结果,从细观角度分析了加锚剪切过程中接触力的演化及细观破坏过程。研究发现:锚固体系的粒间接触力集中现象主要发生在结构面凸起处和锚杆周围,剪切初始接触力呈现中心对称的形式,随剪切位移的增加,接触力集中分布区域减小,并逐渐向锚杆与充填结构面相交处发展。通过细观破坏过程可知,锚固体系在外部剪切荷载作用下,主要破坏区域发生在结构面及沿锚杆长度方向,随着这些区域的发展,最终表现出充填结构面的破坏及局部节理岩体的破碎,锚杆最大变形区域发生在充填结构面处,充填厚度较大时,锚杆周围颗粒破坏相对减少,岩体破碎程度降低。