高地應(yīng)力條件下巖石卸荷變形破壞過程的能量機制研究

高地應(yīng)力是我國西南地區(qū)的重要地質(zhì)環(huán)境條件。隨著西部大開發(fā)和大量深部巖體工程開挖，高應(yīng)力環(huán)境中巖體開挖穩(wěn)定性評價是近年來巖石力學(xué)及工程地質(zhì)界的重要科學(xué)問題。項目以錦屏I級地下廠房和高邊坡開挖為理論研究基地，通過巖石三軸卸荷、單軸壓縮和裂隙巖體卸荷試驗、巖石破裂面三維激光掃描和電鏡掃描測試，結(jié)合斷裂力學(xué)及能量原理，研究了高應(yīng)力卸荷條件下巖石、裂隙巖體的卸荷力學(xué)性質(zhì)及多尺度損傷破裂特征，闡述了卸荷損傷破裂的應(yīng)變能耗散及釋放規(guī)律及過程機制。 巖石卸荷力學(xué)性質(zhì)方面：研究了卸荷速率、初始應(yīng)力狀態(tài)和卸荷應(yīng)力路徑對巖石變形、峰后應(yīng)力脆性躍落、強度和破裂形態(tài)、破裂面細觀粗糙度及微觀特征的影響規(guī)律；闡述了卸荷過程中巖石變形模量、泊松比弱化和聲波波速衰減規(guī)律；揭示了高應(yīng)力條件下巖石快速卸荷破裂變形本質(zhì)—峰值點附近及峰后強烈地向卸荷方向回彈變形和體積擴容。建立了卸荷條件下巖石變形破裂演化機制和本構(gòu)模型。 裂隙巖體卸荷力學(xué)性質(zhì)方面：研究了兩種不同卸荷應(yīng)力方式下不同傾角單裂隙巖體和不同傾角組合的雙裂隙巖體的變形、強度、裂隙擴展和巖橋貫通演化模式；闡述了卸荷條件下裂隙擴展的差異卸荷回彈變形機制；結(jié)合能量原理，闡述了卸荷所形成的拉剪應(yīng)力狀態(tài)下裂隙擴展的斷裂力學(xué)機理，并推導(dǎo)了裂隙起裂和動態(tài)擴展的應(yīng)力強度因子。 巖石卸荷變形破裂的能量轉(zhuǎn)化機制方面：研究了卸荷速率及初始應(yīng)力狀態(tài)對巖石卸荷損傷破裂過程中的能量吸聚、耗散及釋放的影響規(guī)律；揭示了高應(yīng)力卸荷條件下巖石峰前儲存較多彈性應(yīng)變能和相對較少的損傷耗能，而峰后彈性應(yīng)變能快速大量釋放和耗散的能量轉(zhuǎn)化特征；定量描述了巖石破裂塊度分形維與能量耗散及釋放的相關(guān)性；建立了高應(yīng)力卸荷條件下巖石損傷破裂的能量轉(zhuǎn)化過程機制模型。 在巖石卸荷力學(xué)性質(zhì)及本構(gòu)模型研究的基礎(chǔ)上，基于Griffth應(yīng)變強度準(zhǔn)則的彈脆塑性模型，提出了考慮脆性巖石卸荷破裂峰后顯著擴容特性（剪脹）和巖石力學(xué)參數(shù)動態(tài)弱化的高應(yīng)力巖體工程開挖數(shù)值模擬方法，并實例驗證。 項目研究較好地達到了預(yù)期研究目標(biāo)，已發(fā)表Sci論文1篇，Ei論文16篇。研究成果在高應(yīng)力地區(qū)巖體工程開挖穩(wěn)定性評價及災(zāi)害預(yù)警方面具有重要的理論意義和應(yīng)用前景，也豐富了巖石力學(xué)理論研究。 2100433B

工程開挖、河谷下切及支護結(jié)構(gòu)損傷均會致使巖體卸荷，對卸荷過程中巖石變形破壞機理的正確認識是巖體工程穩(wěn)定性評價及災(zāi)害防治的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題。針對高地應(yīng)力環(huán)境下巖石的不同卸荷過程，本項目擬通過室內(nèi)三軸卸荷、物理模型及破裂面電鏡掃描試驗，結(jié)合理論及數(shù)值分析，探究不同初始應(yīng)力狀態(tài)、不同卸荷速率及不同卸荷應(yīng)力路徑下巖石變形破壞過程中的能量轉(zhuǎn)化與傳遞規(guī)律，建立巖石強度、變形等參數(shù)與能量間的定量關(guān)系，揭示卸荷條件下巖石力學(xué)參數(shù)弱化的能量機理；確定巖石破壞塊度及破裂面粗糙度分形維數(shù)與能量間的定量關(guān)系，揭示巖石卸荷破壞的宏-細-微觀多尺度破裂特征及能量機理，建立巖石卸荷破壞程度及破裂方式的能量預(yù)測指標(biāo)；基于損傷能量耗散率及剩余能量指標(biāo)，建立綜合考慮初始應(yīng)力狀態(tài)、卸荷速率及卸荷應(yīng)力路徑的巖石卸荷破壞能量判據(jù)。研究成果在高地應(yīng)力地區(qū)大型巖體工程穩(wěn)定性評價及巖爆預(yù)測等方面具有重要理論意義和應(yīng)用前景。

通常是將巖塊置于單軸壓縮條件下進行試驗,以獲得它的變形性質(zhì)。圖1是粉砂巖的試驗結(jié)果，其中AB和A′B′為20小時內(nèi)的蠕變曲線。用普通壓力機,只能得到巖樣破壞以前的應(yīng)力-應(yīng)變(或變形)關(guān)系曲線，用近年研制成的“剛性壓力機”還可得到破壞后的資料。利用這些試驗結(jié)果,可以研究巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程，闡明破壞機理和變形特性。

天然巖體常處于三向應(yīng)力狀態(tài)，因此也常在室內(nèi)用三軸試驗來研究周圍壓力對巖石變形的影響。試驗表明，在圍壓較低的情況下，巖石往往呈脆性破壞，變形較小。圍壓超過一定程度以后，巖石表現(xiàn)出塑性流動性質(zhì)，變形較大。

一般巖塊由于包含的裂隙少,在同樣受力條件下,所得變形遠較裂隙巖塊的變形小。對于工程設(shè)計，一般應(yīng)用野外巖體試驗所得的變形參量。

深部地下工程中的巖體處于高地應(yīng)力狀態(tài)，在開挖過程的加卸載擾動作用下，巖體內(nèi)裂紋不斷累積擴展、貫通直至形成宏觀破裂，進而引發(fā)失穩(wěn)災(zāi)害的問題日益突出。針對深部巖體破裂機制這一科學(xué)問題，項目擬采用高精度聲發(fā)射定位監(jiān)測技術(shù)開展一系列高應(yīng)力加卸載條件下硬巖的常規(guī)三軸和真三軸實驗，研究巖石在加卸載過程中特別是峰后破壞階段的微裂紋時空演化規(guī)律和群集特征；借助Visual C 和AutoCAD系統(tǒng)開發(fā)的3-D顯示平臺，基于矩張量理論分析巖石內(nèi)部不同破裂機制的微裂紋時空分布特征，揭示微裂紋破裂類型、滑移方向及相互作用機制與最終巖石失穩(wěn)破壞的內(nèi)在聯(lián)系，總結(jié)不同應(yīng)力路徑下巖石微裂紋破裂機制的差異性，建立基于矩張量理論的硬巖破裂機制分析方法；最后，將研究成果應(yīng)用于深部采場開采擾動作用下的礦柱聲發(fā)射監(jiān)測研究。本項目的開展將為高地應(yīng)力開挖擾動巖體破裂機制研究和地壓災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

本項目以水分遷移條件下巖石的時效變形及損傷弱化為研究背景，以水分遷移、應(yīng)力腐蝕和損傷演化三場耦合作用為切入點，在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上提出水分遷移-應(yīng)力腐蝕-損傷演化耦合作用的理論模型，并結(jié)合巖石細觀非均勻性特征和流變特性，發(fā)展耦合作用下巖石變形時效性和破壞過程機理研究的三維數(shù)值模型，實現(xiàn)水分遷移導(dǎo)致的巖石裂紋萌生、擴展和貫通過程的模擬研究。通過在數(shù)值模型中采用基于并行計算的程序設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)巖石變形時效性和破壞過程的大規(guī)模科學(xué)計算研究。以此數(shù)值分析方法為主要手段，結(jié)合物理試驗和與具體工程實例，研究水分遷移條件下巖石的時效變形及損傷弱化的內(nèi)在機理，分析探討高應(yīng)力條件下有水影響和無水影響時地下洞室開挖和采礦活動期間的圍巖變形時效性、破壞特點以及失穩(wěn)的前兆規(guī)律，并著重研究開挖所造成的巖體擾動區(qū)受水影響的變形特征。相應(yīng)的研究成果為地下空間開挖和深部礦產(chǎn)資源開采等工程施工提供科學(xué)的方法和依據(jù)。