多場耦合條件下多相高孔隙率巖石局部化變形帶研究

巖體是巖土工程的重要研究對象之一。當(dāng)前，國內(nèi)外巖土工程發(fā)展迅速，涌現(xiàn)出越來越多民用、能源、交通、礦山、水利和國防工程，其工程設(shè)計(jì)、施工及穩(wěn)定性評價(jià)等都直接依賴于巖體的變形和破壞等特征。因而，對巖體變形和破壞特性的正確描述，對保證與其相關(guān)的實(shí)際工程的安全使用具有十分重要的意義。巖體的破壞形式主要為應(yīng)變（或變形）局部化現(xiàn)象。大量的野外觀測表明，局部化變形在地質(zhì)沉積中是十分普遍的，地層中存在著各種尺度的局部化變形帶，了解這些不同尺度、不同地質(zhì)作用的發(fā)生是非常重要的。地層中大量存在的是多孔巖石，多孔巖石是各種地質(zhì)運(yùn)動的主體，同時(shí)也是流體及礦物的載體。因此研究高孔隙度巖石的局部化變形，對于理解巖體的變形，以及發(fā)生的各種地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害過程有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。由于高孔巖石一般處于一定的地質(zhì)環(huán)境中，其中的溫度、應(yīng)力及地下水的流動是影響地質(zhì)環(huán)境的3個(gè)主要因素，三者之間相互聯(lián)系、相互作用、相互制約，形成高孔巖體中溫度場、滲流場與應(yīng)力場之間復(fù)雜的耦合效應(yīng)。多孔巖石的局部化變形帶主要有剪切帶、壓實(shí)帶和膨脹帶三個(gè)類別，本項(xiàng)目針對在溫度場、滲流場與應(yīng)力場耦合作用下，對多相飽和及部分飽和高孔隙率巖石的壓實(shí)帶、剪切帶以及膨脹帶等局部化變形帶的特性進(jìn)行了研究。在混合物理論和應(yīng)變梯度塑性理論框架內(nèi)，對于各向同性、橫觀各向同性以及正交各向異性情形，分別建立了多相高孔隙率巖石在溫度場-應(yīng)力場、滲流場-應(yīng)力場以及溫度場-滲流場-應(yīng)力場作用下的耦合本構(gòu)模型?；诘玫降谋緲?gòu)模型，運(yùn)用非連續(xù)分叉理論，建立了各種情況各種耦合荷載作用下的多相高孔隙率巖石的三個(gè)類別五種局部化變形帶發(fā)生的判別準(zhǔn)則，得到相應(yīng)的塑性硬化模量和變形帶方位角以及變形帶厚度的表達(dá)式，并對各種情形下的局部化變形帶進(jìn)行了數(shù)值模擬。另外，本項(xiàng)目還對多場耦合作用下的各種結(jié)構(gòu)的局部化變形失穩(wěn)問題進(jìn)行了研究。本項(xiàng)目的研究，對于理解巖體及其相關(guān)結(jié)構(gòu)的局部化變形以及發(fā)生的各種地質(zhì)災(zāi)害具有重要的理論指導(dǎo)意義。 2100433B

在溫度場、滲流場與應(yīng)力場耦合作用下，對多相飽和及部分飽和高孔隙率巖石的壓實(shí)帶、剪切帶以及膨脹帶等局部化變形帶的特性進(jìn)行研究。在混合物理論和應(yīng)變梯度塑性理論框架內(nèi)，對于各向同性、橫觀各向同性以及正交各向異性情形，分別建立多相高孔隙率巖石在溫度場-應(yīng)力場、滲流場-應(yīng)力場以及溫度場-滲流場-應(yīng)力場作用下的耦合本構(gòu)模型?；诘玫降谋緲?gòu)模型，運(yùn)用非連續(xù)分叉理論，建立各種情況各種耦合荷載作用下的多相高孔隙率巖石的三個(gè)類別五種局部化變形帶發(fā)生的判別準(zhǔn)則，得到相應(yīng)的塑性硬化模量和變形帶方位角以及變形帶厚度的表達(dá)式，并對各種情形下的局部化變形帶進(jìn)行數(shù)值模擬。另外本項(xiàng)目還將對各種情形下的高孔巖石的局部化變形帶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，用以驗(yàn)證理論模型和數(shù)值模擬的正確性。本項(xiàng)目的研究，對于理解巖體的變形以及發(fā)生的各種地質(zhì)災(zāi)害具有重要的理論指導(dǎo)意義。

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)。

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(gè)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(gè)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

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(jià)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(xiàng)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(yàn)、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(jī)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(qiáng)度和破裂形態(tài)、破裂面細(xì)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(diǎn)附近及峰后強(qiáng)烈地向卸荷方向回彈變形和體積擴(kuò)容。建立了卸荷條件下巖石變形破裂演化機(jī)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(qiáng)度、裂隙擴(kuò)展和巖橋貫通演化模式；闡述了卸荷條件下裂隙擴(kuò)展的差異卸荷回彈變形機(jī)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(kuò)展的斷裂力學(xué)機(jī)理，并推導(dǎo)了裂隙起裂和動態(tài)擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子。 巖石卸荷變形破裂的能量轉(zhuǎn)化機(jī)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(jī)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(qiáng)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(kuò)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(shí)例驗(yàn)證。 項(xiàng)目研究較好地達(dá)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(jià)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