海下飽水腐蝕巖石動力學(xué)特性及累積損傷機(jī)理研究

本項(xiàng)目為了解并掌握海底飽水條件下不同腐蝕程度的花崗巖的力學(xué)響應(yīng)特性以及在動荷載擾動下的損傷特性。通過現(xiàn)場取樣，并制備干燥、半飽和、飽和三種不同含水狀態(tài)的巖石芯樣并進(jìn)行常規(guī)物理特性測試，首先對不同含水狀態(tài)巖芯進(jìn)行CT微觀分析，建立微觀損傷關(guān)系，并從常規(guī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)中得出巖石強(qiáng)度與飽和系數(shù)之間的關(guān)系，得出不同含水量巖石的物理力學(xué)參數(shù)。隨后，采用SHPB裝置對三種不同含水狀態(tài)巖石芯樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得到巖石芯樣在4種較低沖擊能量和4種較高沖擊能量的單次作用下以及在單一較低能量不同沖擊次數(shù)下的動力學(xué)響應(yīng)特性，對比不同飽和系數(shù)巖石芯樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到相關(guān)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)完成后，采用CT機(jī)對受到?jīng)_擊并發(fā)生損傷的巖石芯樣進(jìn)行測試，得到不同含水巖石的損傷特性以及相關(guān)規(guī)律。最后，從理論分析以及數(shù)值模擬的角度對飽水巖石的破壞進(jìn)行研究，得出不同含水巖石發(fā)生破壞的規(guī)律。主要結(jié)論如下：芯樣在不同含水量情況下的巖石密度、波速隨著飽和系數(shù)的增加而增加，巖石強(qiáng)度則隨著飽和系數(shù)的增加而減小。采用SHPB裝置研究不同飽和系數(shù)巖石芯樣的動力學(xué)特性可知，含水量越大，巖石的動態(tài)響應(yīng)越強(qiáng)烈，但動態(tài)強(qiáng)度越低。而由循環(huán)沖擊試驗(yàn)可知沖擊次數(shù)的增加導(dǎo)致巖石平均應(yīng)變率的增加，而強(qiáng)度則有著不同程度的減小，隨著沖擊能量越大，沖擊次數(shù)越高，巖石孔隙度增加值越大。但在大的沖擊能量及較多沖擊次數(shù)作用下，除了破壞處，巖石內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的斑紋，說明出現(xiàn)了裂隙或孔隙度集中增加的現(xiàn)象。通過模擬得出，在相同沖擊能量作用下，巖石層裂厚度及破壞程度隨巖石含水量的增加而增加。通過上述研究，揭示飽水腐蝕巖石的動態(tài)損傷破壞機(jī)理，從而為海下巖石工程的災(zāi)害控制和安全開挖提供理論依據(jù)。 2100433B

隨著海下礦產(chǎn)及空間資源的開發(fā)利用，海底下的巖石工程越來越多，在海下采礦或海底隧道開挖中的頻繁爆破等動力擾動，相當(dāng)于一種針對巖石飽水腐蝕作用后的動力沖擊加載過程。依據(jù)這一特點(diǎn)，首先通過宏觀物理參數(shù)與細(xì)觀特征參量之間的關(guān)系，確定飽水腐蝕后巖石的損傷變量定義和定量表征方法，研究不同腐蝕程度對巖石初始損傷程度的內(nèi)在影響機(jī)制；在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)進(jìn)行飽水腐蝕巖石的沖擊動力學(xué)試驗(yàn)，研究海下飽水腐蝕巖石的動態(tài)破裂行為、強(qiáng)度規(guī)律和動力學(xué)特性；然后進(jìn)一步開展循環(huán)沖擊試驗(yàn)，結(jié)合損傷力學(xué)理論和巖石細(xì)觀損傷結(jié)構(gòu)分析，獲得飽水腐蝕巖石的動態(tài)損傷演化規(guī)律；最后建立適用于飽水腐蝕巖石在動力擾動下的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則，進(jìn)一步開展數(shù)值模擬研究，揭示飽水腐蝕巖石的動態(tài)損傷破壞機(jī)理，從而為海下巖石工程的災(zāi)害控制和安全開挖提供理論依據(jù)。

本項(xiàng)目以水分遷移條件下巖石的時(shí)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(diǎn)，在試驗(yàn)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(xì)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(shí)效性和破壞過程機(jī)理研究的三維數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)水分遷移導(dǎo)致的巖石裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通過程的模擬研究。本項(xiàng)目的實(shí)施主要取得如下的研究成果：（1）為了研究巖體中廣泛存在的結(jié)構(gòu)面在細(xì)觀尺度上的非均勻性及其損傷演化規(guī)律，提出了一種可以考慮接觸面損傷演化過程的數(shù)值模型。模擬結(jié)果也揭示了非均勻性的存在是非線性變形的根本，而高的剪應(yīng)力是產(chǎn)生剪切損傷的根源。損傷—應(yīng)力調(diào)整的循環(huán)規(guī)律貫穿整個變形過程，直至模型中的接觸面被完全剪斷；（2）通過濕度在裂紋巖體中的傳播研究表明，裂縫的深度和寬度是影響濕度擴(kuò)散過程的一個重要因素，對濕度擴(kuò)散路徑的影響尤為顯著；（3）采用濕度-應(yīng)力-損傷耦合數(shù)值模型對水敏感巖體隧洞開挖后的變形量、圍巖內(nèi)的濕度擴(kuò)散，以及應(yīng)力演化進(jìn)行了數(shù)值分析。通過對單組和兩組節(jié)理巖體的變形、應(yīng)力、濕度擴(kuò)散的分析，揭示了節(jié)理弱面對濕度擴(kuò)散和巖體變形的強(qiáng)化作用。開挖隧洞頂?shù)装遄冃瘟康姆治鼋Y(jié)果表明高濕度環(huán)境是水敏感巖體隧洞產(chǎn)生底鼓的重要原因之一。濕度擴(kuò)散引起隧洞頂部和底部圍巖產(chǎn)生大量破壞，致使相應(yīng)部位的位移量陡增。此外，單組節(jié)理對巖體的濕度擴(kuò)散起到明顯的方向性，而多組相互斜交的節(jié)理則在一定程度上消弱了濕度擴(kuò)散的各向異性；（4）采用濕度-應(yīng)力-損傷耦合模型研究了隧洞底臌破壞過程，揭示了濕度在巖體中的擴(kuò)散誘發(fā)的軟巖大變形特性及其流變規(guī)律；（5）在本項(xiàng)目的執(zhí)行過程中進(jìn)一步提出基于環(huán)境因素（溫度、水等）影響的巖體流變特性研究，其中開展了大量基于溫度開裂的巖石破壞特性，所得結(jié)果為下一步的研究提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和前期可行性資料搜集，保證了項(xiàng)目的延續(xù)性和更深入的科學(xué)研究。 項(xiàng)目的研究成果最終形成的研究論文被SCI收錄8篇，EI收錄17篇，ISTP收錄1篇；獲得中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎（科技進(jìn)步獎）特等獎1次，大連市自然科學(xué)學(xué)術(shù)論文一等獎1次；參加國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)會議6人次，培養(yǎng)博士生4人，碩士生2人。超額完成項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)。 2100433B

本項(xiàng)目以水分遷移條件下巖石的時(shí)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(diǎn)，在試驗(yàn)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(xì)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(shí)效性和破壞過程機(jī)理研究的三維數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)水分遷移導(dǎo)致的巖石裂紋萌生、擴(kuò)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(jì)算的程序設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巖石變形時(shí)效性和破壞過程的大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算研究。以此數(shù)值分析方法為主要手段，結(jié)合物理試驗(yàn)和與具體工程實(shí)例，研究水分遷移條件下巖石的時(shí)效變形及損傷弱化的內(nèi)在機(jī)理，分析探討高應(yīng)力條件下有水影響和無水影響時(shí)地下洞室開挖和采礦活動期間的圍巖變形時(shí)效性、破壞特點(diǎn)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)。

《頻繁沖擊擾動下深部巖石動力學(xué)特性及應(yīng)用》基于深部巖石工程施工時(shí)面臨“高靜應(yīng)力、頻繁爆破擾動”的力學(xué)環(huán)境，以深部矽卡巖、蛇紋巖為研究對象，開展頻繁沖擊擾動下巖石的動力學(xué)特性試驗(yàn)研究。首先系統(tǒng)分析了一維或三維高靜載、一維高軸壓卸載、三維高靜載圍壓卸載時(shí)深部巖石受頻繁擾動沖擊時(shí)的動力學(xué)特性；然后分析了一維、三維條件下深部巖石的損傷破壞機(jī)理，并建立相應(yīng)條件下深部巖石的損傷本構(gòu)模型；后結(jié)合研究成果。采用數(shù)值模擬的方法研究了冬瓜山銅礦深部出礦巷道圍巖的變形特征，并提出優(yōu)化方案。

《頻繁沖擊擾動下深部巖石動力學(xué)特性及應(yīng)用》研究成果可為從事深部采礦破巖、巷道圍巖支護(hù)、采場穩(wěn)定性分析、巖爆事件預(yù)測等相關(guān)工作的科研人員提供理論參考，也可供相關(guān)工程技術(shù)人員參考使用。