高地應(yīng)力條件下巖石卸荷變形破壞過程的能量機(jī)制研究

高地應(yīng)力是我國(guó)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(píng)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(jí)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(cè)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(duì)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(dòng)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(duì)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(chǔ)存較多彈性應(yīng)變能和相對(duì)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(dòng)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(píng)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

工程開挖、河谷下切及支護(hù)結(jié)構(gòu)損傷均會(huì)致使巖體卸荷，對(duì)卸荷過程中巖石變形破壞機(jī)理的正確認(rèn)識(shí)是巖體工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及災(zāi)害防治的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題。針對(duì)高地應(yīng)力環(huán)境下巖石的不同卸荷過程，本項(xiàng)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(yàn)，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(qiáng)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(jī)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(xì)-微觀多尺度破裂特征及能量機(jī)理，建立巖石卸荷破壞程度及破裂方式的能量預(yù)測(cè)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(píng)價(jià)及巖爆預(yù)測(cè)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(jìn)行試驗(yàn),以獲得它的變形性質(zhì)。圖1是粉砂巖的試驗(yàn)結(jié)果，其中AB和A′B′為20小時(shí)內(nèi)的蠕變曲線。用普通壓力機(jī),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(jī)”還可得到破壞后的資料。利用這些試驗(yàn)結(jié)果,可以研究巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程，闡明破壞機(jī)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(yàn)來研究周圍壓力對(duì)巖石變形的影響。試驗(yàn)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(dòng)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(yuǎn)較裂隙巖塊的變形小。對(duì)于工程設(shè)計(jì)，一般應(yīng)用野外巖體試驗(yàn)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(dòng)作用下，巖體內(nèi)裂紋不斷累積擴(kuò)展、貫通直至形成宏觀破裂，進(jìn)而引發(fā)失穩(wěn)災(zāi)害的問題日益突出。針對(duì)深部巖體破裂機(jī)制這一科學(xué)問題，項(xiàng)目擬采用高精度聲發(fā)射定位監(jiān)測(cè)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(shí)驗(yàn)，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(shí)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(tái)，基于矩張量理論分析巖石內(nèi)部不同破裂機(jī)制的微裂紋時(shí)空分布特征，揭示微裂紋破裂類型、滑移方向及相互作用機(jī)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(jī)制的差異性，建立基于矩張量理論的硬巖破裂機(jī)制分析方法；最后，將研究成果應(yīng)用于深部采場(chǎng)開采擾動(dòng)作用下的礦柱聲發(fā)射監(jiān)測(cè)研究。本項(xiàng)目的開展將為高地應(yīng)力開挖擾動(dòng)巖體破裂機(jī)制研究和地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

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(chǎng)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(dòng)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(dòng)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)。