水分遷移條件下岩石的時效變形及損傷弱化機理研究

《水分遷移條件下岩石的時效變形及損傷弱化機理研究》是依託大連理工大學,由唐世斌擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：水分遷移條件下岩石的時效變形及損傷弱化機理研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：唐世斌

項目摘要

本項目以水分遷移條件下岩石的時效變形及損傷弱化為研究背景，以水分遷移、應力腐蝕和損傷演化三場耦合作用為切入點，在試驗結果的基礎上提出水分遷移-應力腐蝕-損傷演化耦合作用的理論模型，並結合岩石細觀非均勻性特徵和流變特性，發展耦合作用下岩石變形時效性和破壞過程機理研究的三維數值模型，實現水分遷移導致的岩石裂紋萌生、擴展和貫通過程的模擬研究。通過在數值模型中採用基於並行計算的程式設計技術，實現岩石變形時效性和破壞過程的大規模科學計算研究。以此數值分析方法為主要手段，結合物理試驗和與具體工程實例，研究水分遷移條件下岩石的時效變形及損傷弱化的內在機理，分析探討高應力條件下有水影響和無水影響時地下洞室開挖和採礦活動期間的圍岩變形時效性、破壞特點以及失穩的前兆規律，並著重研究開挖所造成的岩體擾動區受水影響的變形特徵。相應的研究成果為地下空間開挖和深部礦產資源開採等工程施工提供科學的方法和依據。

結題摘要

本項目以水分遷移條件下岩石的時效變形及損傷弱化為研究背景，以水分遷移、應力腐蝕和損傷演化三場耦合作用為切入點，在試驗結果的基礎上提出水分遷移—應力腐蝕—損傷演化耦合作用的理論模型，並結合岩石細觀非均勻性特徵和流變特性，發展耦合作用下岩石變形時效性和破壞過程機理研究的三維數值模型，實現水分遷移導致的岩石裂紋萌生、擴展和貫通過程的模擬研究。本項目的實施主要取得如下的研究成果：（1）為了研究岩體中廣泛存在的結構面在細觀尺度上的非均勻性及其損傷演化規律，提出了一種可以考慮接觸面損傷演化過程的數值模型。模擬結果也揭示了非均勻性的存在是非線性變形的根本，而高的剪應力是產生剪下損傷的根源。損傷—應力調整的循環規律貫穿整個變形過程，直至模型中的接觸面被完全剪斷；（2）通過濕度在裂紋岩體中的傳播研究表明，裂縫的深度和寬度是影響濕度擴散過程的一個重要因素，對濕度擴散路徑的影響尤為顯著；（3）採用濕度-應力-損傷耦合數值模型對水敏感岩體隧洞開挖後的變形量、圍岩內的濕度擴散，以及應力演化進行了數值分析。通過對單組和兩組節理岩體的變形、應力、濕度擴散的分析，揭示了節理弱面對濕度擴散和岩體變形的強化作用。開挖隧洞頂底板變形量的分析結果表明高濕度環境是水敏感岩體隧洞產生底鼓的重要原因之一。濕度擴散引起隧洞頂部和底部圍岩產生大量破壞，致使相應部位的位移量陡增。此外，單組節理對岩體的濕度擴散起到明顯的方向性，而多組相互斜交的節理則在一定程度上消弱了濕度擴散的各向異性；（4）採用濕度-應力-損傷耦合模型研究了隧洞底臌破壞過程，揭示了濕度在岩體中的擴散誘發的軟岩大變形特性及其流變規律；（5）在本項目的執行過程中進一步提出基於環境因素（溫度、水等）影響的岩體流變特性研究，其中開展了大量基於溫度開裂的岩石破壞特性，所得結果為下一步的研究提供了堅實的理論基礎和前期可行性資料蒐集，保證了項目的延續性和更深入的科學研究。項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；獲得中國岩石力學與工程學會科學技術獎（科技進步獎）特等獎1次，大連市自然科學學術論文一等獎1次；參加國際、國內學術會議6人次，培養博士生4人，碩士生2人。超額完成項目的預期目標。