水分遷移條件下巖石的時效變形及損傷弱化機(jī)理研究

本項(xiàng)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(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(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)。

巖體在周期荷載作用下的力學(xué)性能是影響巖體工程長期穩(wěn)定性的重要因素之一，研究周期荷載作用下巖石的疲勞變形特性及損傷演化規(guī)律，有助于正確認(rèn)識巖體的破壞機(jī)理，科學(xué)地評價(jià)巖體的長期穩(wěn)定性。本項(xiàng)目以裂隙巖石注漿加固體為研究對象，對注漿加固體的疲勞破壞機(jī)理以及損傷演化規(guī)律進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)研究。通過裂隙巖石注漿加固后的靜動態(tài)加載實(shí)驗(yàn)，分析注漿加固體的強(qiáng)度與變形規(guī)律，揭示裂隙巖石注漿加固后的靜態(tài)加載破壞機(jī)理。研究疲勞破壞過程中不可逆變形的變化規(guī)律，探討疲勞損傷累積量的影響因素以及影響規(guī)律，對比靜態(tài)破壞機(jī)理、原裂隙巖石疲勞破壞機(jī)理，揭示注漿加固后的疲勞破壞機(jī)理。觀測殘余塑性變形、剩余強(qiáng)度和壽命隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，建立循環(huán)次數(shù)與殘余塑性應(yīng)變之間的對應(yīng)關(guān)系，利用殘余應(yīng)變差來定義損傷變量，推導(dǎo)損傷演化方程，對承受循環(huán)荷載作用的注漿加固巖體進(jìn)行剩余壽命預(yù)測，為采礦、隧道、邊坡等巖土工程注漿加固提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

巖石強(qiáng)度弱化系數(shù)是指飽水狀態(tài)下巖石的抗壓強(qiáng)度與干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度之比。巖石在浸水后強(qiáng)度降低的情況取決于巖石中親水礦物和易溶礦物的含量及孔隙和裂隙的發(fā)育程度。巖石強(qiáng)度弱化系數(shù)是巖體工程地質(zhì)分類的重要指標(biāo)之一，可按系數(shù)值劃分巖石抗水、抗風(fēng)化能力的強(qiáng)弱 。

本項(xiàng)目以深埋隧洞圍巖的時效變形誘發(fā)滯后型巖爆這一關(guān)鍵科學(xué)問題為核心，基于流變力學(xué)、損傷力學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科交叉的研究方法，探索深埋隧洞滯后型巖爆的誘發(fā)機(jī)理。通過卸荷蠕變變形損傷演化規(guī)律及蠕變率隨時間的發(fā)展階段特征研究，建立了反映材料流變特性的細(xì)觀本構(gòu)關(guān)系和細(xì)觀損傷演化方程?？偨Y(jié)了錦屏二級引水隧洞的巖爆發(fā)生特征，系統(tǒng)研究了影響滯后型巖爆發(fā)生的條件：內(nèi)部因素（巖石材料的蠕變效應(yīng)、非均勻性）和外部效應(yīng)（濕度擴(kuò)散、動力作用）。根據(jù)巖體破裂過程中的3S機(jī)理，建立微震監(jiān)測技術(shù)的巖爆臨界預(yù)警機(jī)制。本項(xiàng)目成果為深埋隧洞變形失穩(wěn)控制及長期穩(wěn)定性的預(yù)測提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。 在本項(xiàng)目的資助下，課題組出版專著1部，申請發(fā)明專利3項(xiàng)，獲得省部級科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)，省部級學(xué)術(shù)成果三等獎1項(xiàng)。在國際刊物上發(fā)表論文8篇，國內(nèi)核心刊物上發(fā)表論文5篇。其中，SCI收錄論文4篇，EI收錄論文8篇，接受未刊出論文1篇（EI刊源）。培養(yǎng)博士研究生3人，碩士研究生7人。參加國際學(xué)術(shù)會議3人次。 2100433B