高地應力條件下岩石卸荷變形破壞過程的能量機制研究

《高地應力條件下岩石卸荷變形破壞過程的能量機制研究》是依託重慶大學，由黃達擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高地應力條件下岩石卸荷變形破壞過程的能量機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：黃達
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

工程開挖、河谷下切及支護結構損傷均會致使岩體卸荷，對卸荷過程中岩石變形破壞機理的正確認識是岩體工程穩定性評價及災害防治的關鍵基礎問題。針對高地應力環境下岩石的不同卸荷過程，本項目擬通過室內三軸卸荷、物理模型及破裂面電鏡掃描試驗，結合理論及數值分析，探究不同初始應力狀態、不同卸荷速率及不同卸荷應力路徑下岩石變形破壞過程中的能量轉化與傳遞規律，建立岩石強度、變形等參數與能量間的定量關係，揭示卸荷條件下岩石力學參數弱化的能量機理；確定岩石破壞塊度及破裂面粗糙度分形維數與能量間的定量關係，揭示岩石卸荷破壞的宏-細-微觀多尺度破裂特徵及能量機理，建立岩石卸荷破壞程度及破裂方式的能量預測指標；基於損傷能量耗散率及剩餘能量指標，建立綜合考慮初始應力狀態、卸荷速率及卸荷應力路徑的岩石卸荷破壞能量判據。研究成果在高地應力地區大型岩體工程穩定性評價及岩爆預測等方面具有重要理論意義和套用前景。

結題摘要

高地應力是我國西南地區的重要地質環境條件。隨著西部大開發和大量深部岩體工程開挖，高應力環境中岩體開挖穩定性評價是近年來岩石力學及工程地質界的重要科學問題。項目以錦屏I級地下廠房和高邊坡開挖為理論研究基地，通過岩石三軸卸荷、單軸壓縮和裂隙岩體卸荷試驗、岩石破裂面三維雷射掃描和電鏡掃描測試，結合斷裂力學及能量原理，研究了高應力卸荷條件下岩石、裂隙岩體的卸荷力學性質及多尺度損傷破裂特徵，闡述了卸荷損傷破裂的應變能耗散及釋放規律及過程機制。 岩石卸荷力學性質方面：研究了卸荷速率、初始應力狀態和卸荷應力路徑對岩石變形、峰後應力脆性躍落、強度和破裂形態、破裂面細觀粗糙度及微觀特徵的影響規律；闡述了卸荷過程中岩石變形模量、泊松比弱化和聲波波速衰減規律；揭示了高應力條件下岩石快速卸荷破裂變形本質—峰值點附近及峰後強烈地向卸荷方向回彈變形和體積擴容。建立了卸荷條件下岩石變形破裂演化機制和本構模型。 裂隙岩體卸荷力學性質方面：研究了兩種不同卸荷應力方式下不同傾角單裂隙岩體和不同傾角組合的雙裂隙岩體的變形、強度、裂隙擴展和岩橋貫通演化模式；闡述了卸荷條件下裂隙擴展的差異卸荷回彈變形機制；結合能量原理，闡述了卸荷所形成的拉剪應力狀態下裂隙擴展的斷裂力學機理，並推導了裂隙起裂和動態擴展的應力強度因子。 岩石卸荷變形破裂的能量轉化機制方面：研究了卸荷速率及初始應力狀態對岩石卸荷損傷破裂過程中的能量吸聚、耗散及釋放的影響規律；揭示了高應力卸荷條件下岩石峰前儲存較多彈性應變能和相對較少的損傷耗能，而峰後彈性應變能快速大量釋放和耗散的能量轉化特徵；定量描述了岩石破裂塊度分形維與能量耗散及釋放的相關性；建立了高應力卸荷條件下岩石損傷破裂的能量轉化過程機制模型。 在岩石卸荷力學性質及本構模型研究的基礎上，基於Griffth應變強度準則的彈脆塑性模型，提出了考慮脆性岩石卸荷破裂峰後顯著擴容特性（剪脹）和岩石力學參數動態弱化的高應力岩體工程開挖數值模擬方法，並實例驗證。 項目研究較好地達到了預期研究目標，已發表Sci論文1篇，Ei論文16篇。研究成果在高應力地區岩體工程開挖穩定性評價及災害預警方面具有重要的理論意義和套用前景，也豐富了岩石力學理論研究。