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层状岩体广泛存在于自然界中，常见于隧道、地下结构、石油勘探与开发、非常规油气开采和水利水电等大型工程中。与一般岩体不同，层状岩体力学性质受层理和岩石材料力学性质及层理面方向影响较大，变形和强度具有明显的各向异性特征，其破坏机理也更为复杂。正确认识层状岩体基本力学性质对岩体工程的稳定性分析与安全性评价具有重要意义。为此，本文采用室内试验、数值模拟与理论分析相结合的方法，深入研究层状岩体变形、强度和破坏模式的各向异性特征。通过分析层状岩体各向异性抗压（剪）和抗拉强度特征，建立改进的Jaeger强度准则和改进的单一弱面拉伸强度准则，同时对单轴压缩下层状岩体能量演化特征分析，提出了基于能量耗散的破坏准则。分析三轴条件下和直接剪切条件下层状岩体抗剪强度参数的变化规律，建立抗剪强度参数与层理面倾角之间的函数关系。最后，基于Drucker-Prager准则，提出了层状岩体各向异性弹塑性本构模型，该模型综合考虑了层状岩体变形和强度的各向异性特征，通过有限元程序对该模型进行了数值实现。本文完成了以下主要问题的研究与分析:
(1)开展不同层理倾角页岩试样单轴压缩室内试验，讨论层状页岩试样波速、变形、强度和破坏模式的各向异性特征，以及端部效应对层状岩体力学性质的影响，并采用RFPA3D对层状页岩试样进行数值试验研究，探讨围压对变形、强度和破坏模式的影响。随着围压的增加，压缩强度逐渐增加，试样逐渐以剪切破坏为主。在单轴压缩应力应变曲线的基础上，分析了页岩试样渐进破坏过程。总结了层状岩体的几种强度破坏准则，通过引入各向异性参数，对Jaeger强度准则进行了修正，提出了改进的Jaeger强度准则，该准则通过引入各向异性参数Rcθ，更能准确反映层状岩体在三轴条件下的破坏模式与强度特征。
(2)开展不同层理倾角页岩试样巴西劈裂力学试验，讨论层状页岩巴西劈裂破坏模式和间接抗拉强度的各向异性特征，并采用RFPA2D对层状页岩试样进行直接拉仲和巴西劈裂数值试验研究，对比分析二者破坏模式和破坏机理的差异。巴西劈裂破坏模式主要分为沿圆盘中心的纵向劈裂拉伸破坏，拉伸-剪切复合破坏和剪切破坏;直接拉仲破坏模式主要分为沿层理面产生的拉裂破坏，锯齿状渐渐破坏模式和岩石材料的拉裂破坏。在单一弱面拉伸强度准则(SPW)的基础上，提出了改进的单一弱面拉伸强度准则(MSPW)，在该准则的基础上实现了层状岩体抗拉强度的确定，解决了巴西劈裂试验确定层状岩体抗拉强度不准确的问题。
(3)对不同层理面倾角的页岩试样进行直接剪切数值试验研究，讨论直接剪切试验下，层状页岩破坏模式和抗剪强度的各向异性，根据摩尔库伦准则求解得到直剪条件下层状岩体试样的粘聚力和内摩擦角。同时，根据理论分析得到三轴条件下层状岩体试样粘聚力和内摩擦角变化规律。研究发现，直接剪切条件下，层状岩体试样粘聚力c随层理面倾角的增加呈逐渐增加的规律，试样内摩擦角ψ随层理面倾角的增加呈先减小后增加再减小的趋势;三轴压缩条件下，层状岩体试样粘聚力c随层理面倾角的增加呈现出先减小后增加的变化规律，其变化曲线表现为典型的‘U’型曲线，试样内摩擦角ψ随层理面倾角的增加呈逐渐增加的规律。根据层状岩体粘聚力和内摩擦角随层理面倾角的变化规律，建立了抗剪强度参数随层理面倾角变化的各向异性经验公式。
(4)根据页岩试样单轴压缩试验结果和能量计算原理，分析层状页岩试样单轴压缩下总输入能量、弹性应变能和耗散能的变化规律，分析不同层理倾角试样弹性能耗比变化曲线，提出基于能量耗散的破坏准则。通过相似材料层状岩体试样单轴压缩室内试验，对该准则进行了验证。
(5)基于层状岩体试样单轴压缩、巴西劈裂和直接剪切试验与数值模拟研究结果，提出层状岩体各向异性弹塑性本构模型，编写UMAT本构程序，通过ABAQUS软件进行数值实现和验证。该本构模型包含层状岩体各向异性本构矩阵，能够考虑抗拉强度与抗剪强度的各向异性特征，能较好的模拟层状岩体变形和强度的各向异性行为。
(1)开展不同层理倾角页岩试样单轴压缩室内试验，讨论层状页岩试样波速、变形、强度和破坏模式的各向异性特征，以及端部效应对层状岩体力学性质的影响，并采用RFPA3D对层状页岩试样进行数值试验研究，探讨围压对变形、强度和破坏模式的影响。随着围压的增加，压缩强度逐渐增加，试样逐渐以剪切破坏为主。在单轴压缩应力应变曲线的基础上，分析了页岩试样渐进破坏过程。总结了层状岩体的几种强度破坏准则，通过引入各向异性参数，对Jaeger强度准则进行了修正，提出了改进的Jaeger强度准则，该准则通过引入各向异性参数Rcθ，更能准确反映层状岩体在三轴条件下的破坏模式与强度特征。
(2)开展不同层理倾角页岩试样巴西劈裂力学试验，讨论层状页岩巴西劈裂破坏模式和间接抗拉强度的各向异性特征，并采用RFPA2D对层状页岩试样进行直接拉仲和巴西劈裂数值试验研究，对比分析二者破坏模式和破坏机理的差异。巴西劈裂破坏模式主要分为沿圆盘中心的纵向劈裂拉伸破坏，拉伸-剪切复合破坏和剪切破坏;直接拉仲破坏模式主要分为沿层理面产生的拉裂破坏，锯齿状渐渐破坏模式和岩石材料的拉裂破坏。在单一弱面拉伸强度准则(SPW)的基础上，提出了改进的单一弱面拉伸强度准则(MSPW)，在该准则的基础上实现了层状岩体抗拉强度的确定，解决了巴西劈裂试验确定层状岩体抗拉强度不准确的问题。
(3)对不同层理面倾角的页岩试样进行直接剪切数值试验研究，讨论直接剪切试验下，层状页岩破坏模式和抗剪强度的各向异性，根据摩尔库伦准则求解得到直剪条件下层状岩体试样的粘聚力和内摩擦角。同时，根据理论分析得到三轴条件下层状岩体试样粘聚力和内摩擦角变化规律。研究发现，直接剪切条件下，层状岩体试样粘聚力c随层理面倾角的增加呈逐渐增加的规律，试样内摩擦角ψ随层理面倾角的增加呈先减小后增加再减小的趋势;三轴压缩条件下，层状岩体试样粘聚力c随层理面倾角的增加呈现出先减小后增加的变化规律，其变化曲线表现为典型的‘U’型曲线，试样内摩擦角ψ随层理面倾角的增加呈逐渐增加的规律。根据层状岩体粘聚力和内摩擦角随层理面倾角的变化规律，建立了抗剪强度参数随层理面倾角变化的各向异性经验公式。
(4)根据页岩试样单轴压缩试验结果和能量计算原理，分析层状页岩试样单轴压缩下总输入能量、弹性应变能和耗散能的变化规律，分析不同层理倾角试样弹性能耗比变化曲线，提出基于能量耗散的破坏准则。通过相似材料层状岩体试样单轴压缩室内试验，对该准则进行了验证。
(5)基于层状岩体试样单轴压缩、巴西劈裂和直接剪切试验与数值模拟研究结果，提出层状岩体各向异性弹塑性本构模型，编写UMAT本构程序，通过ABAQUS软件进行数值实现和验证。该本构模型包含层状岩体各向异性本构矩阵，能够考虑抗拉强度与抗剪强度的各向异性特征，能较好的模拟层状岩体变形和强度的各向异性行为。