水汽環(huán)境中的圍巖松動圈形成機理與分析方法研究

在煤炭開采、深基坑施工、邊坡開挖、交通、水工隧洞和地下洞室開挖等巖體工程中，開挖施工擾動將引起一定深度的圍巖松動現(xiàn)象，由此產(chǎn)生了圍巖松動圈概念及其相關(guān)的松動圈理論。高濕度環(huán)境對煤巷中松動圈的形成具有重要的影響作用。 本項目主要完成了如下研究工作： （1）研究了巖石中的裂紋擴展規(guī)律，提出了相應(yīng)的數(shù)值計算方法，并將研究成果在數(shù)值計算模型中加以體現(xiàn)。 （2）結(jié)合水汽環(huán)境遷移的擴散理論、運用損傷力學(xué)力學(xué)方法，從巖石的細觀結(jié)構(gòu)出發(fā)建立巖石在環(huán)境因素遷移、應(yīng)力腐蝕和損傷演化相互作用下的圍巖松動圈理論模型，特別是確定了理論模型中的相關(guān)參數(shù)與環(huán)境因素變量、應(yīng)力狀態(tài)、以及損傷等之間的關(guān)系，為后續(xù)圍巖松動圈分析的數(shù)值模型提供理論基礎(chǔ)；考慮到濕度的擴散不僅引起圍巖中的濕度隨時間和空間而變化，還會導(dǎo)致材料性質(zhì)的變化，因而在模型中不僅考慮了濕度在巖體中的擴散過程，還表征了材料物性與濕度的聯(lián)系。此外，還考慮了損傷對濕度擴散的影響作用，形成了濕度-應(yīng)力-損傷耦合作用的數(shù)值模型。 （3）運用所建立的理論模型初步實現(xiàn)了相應(yīng)的數(shù)值計算模型，并將其運用到實際工程濕度引起的隧洞底臌變形與破壞的分析研究中基于理論模型，初步建立了濕度擴散誘發(fā)的巖石時效變形研究的數(shù)值模型。并從應(yīng)力場隨濕度擴散和裂紋萌生、擴展和貫通而變化的整個過程研究了巖石的時效變形特性。 （4）研究了不同含水狀態(tài)下軟巖變參數(shù)蠕變損傷本構(gòu)關(guān)系，并根據(jù)不同含水狀態(tài)下T2b2泥質(zhì)粉砂巖的單軸蠕變試驗結(jié)果，對模型蠕變參數(shù)進行反演，得到了不同含水狀態(tài)下模型各力學(xué)參數(shù)，并分析了含水率對軟巖的蠕變特性的顯著影響作用。 （5）考慮到圍巖松動圈的形成往往是小變形階段的破壞與大位移階段的塊體運動有關(guān)，因而在巖石破裂過程分析RFPA方法的基礎(chǔ)上，借助DDA方法進行非連續(xù)大位移分析的特點，嘗試將RFPA方法與DDA方法耦合，形成了模擬巖層移動從破裂孕育到塊體運動全過程的全新分析方法。該方法可以模擬松動圈內(nèi)巖層移動的孕育、發(fā)展和動態(tài)演化過程。 上述研究成果在國際期刊上發(fā)表論文6篇，國內(nèi)核心刊物上發(fā)表論文7篇，一般期刊上發(fā)表論文5篇，其中SCI收錄6篇，EI收錄15篇，ISTP收錄2篇。 2100433B

圍巖松動圈的確定，不僅對分析地下空間開挖后圍巖的穩(wěn)定性至關(guān)重要，還能以此為依據(jù)確定支護參數(shù)。由于許多煤巖巷道或地下工程經(jīng)常處于一種高水汽環(huán)境中，特別是對于一些遇水容易膨脹的巖石介質(zhì)，水汽環(huán)境對圍巖松動圈的形成有重要的影響作用。本項目基于水汽環(huán)境對巖體物理力學(xué)性能弱化的基本認識，從圍巖體在加載條件下對水汽環(huán)境的力學(xué)響應(yīng)入手，探索水汽環(huán)境下圍巖松動圈形成的主要源動力。本項目擬結(jié)合水汽等環(huán)境因素遷移相關(guān)的滲流和擴散理論及其環(huán)境損傷力學(xué)原理，建立基于環(huán)境因素遷移、損傷演化和裂紋擴展的時效力學(xué)模型，發(fā)展基于細觀力學(xué)的圍巖松動圈預(yù)測模型和大規(guī)模數(shù)值計算方法。通過深入探討水汽環(huán)境下圍巖松動圈形成過程的裂紋萌生、擴展和貫通機制及其時空演化規(guī)律，揭示形成圍巖松動圈現(xiàn)象的內(nèi)在機理和探索圍巖松動圈的控制原理。本研究對于發(fā)展我國松動圈理論、推動松動圈理論在工程中的應(yīng)用具有重要的理論與工程意義。

形成機理研究是一切定量分析和地質(zhì)災(zāi)害防治的基礎(chǔ)。實踐表明，在解決黃土地質(zhì)工程問題時，首先要合理地確定工程地質(zhì)預(yù)報時所必須的工程地質(zhì)力學(xué)模型，這是地質(zhì)工程問題預(yù)測預(yù)報的基礎(chǔ)，地質(zhì)模型和數(shù)據(jù)的精確性決定分析結(jié)果的可靠性，離開可靠的地質(zhì)模型分析任何分析方法和精度都是無意義的，初步研究表明，黃土斜坡(邊坡)滑塌作用在產(chǎn)生機理和破壞方式上介于崩塌和滑坡之間，它具有滑動變形的機制、滑床的分布特點，又有崩落、崩塌破壞作用的產(chǎn)物。黃土斜坡滑塌破壞過程大致可分為三個階段：早期后緣拉張破壞、滑體坐落、前緣強度屈服(結(jié)構(gòu)剪切破壞)、坡腳鼓出階段；快速滑動階段；破體結(jié)構(gòu)解體、崩落和堆積階段。但目前對黃土滑塌的成災(zāi)機理和發(fā)生演化過程還需要作進一步的理論和試驗分析。