高應力條件下岩石流變斷裂準則研究

《高應力條件下岩石流變斷裂準則研究》是依託北京科技大學，由袁海平擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高應力條件下岩石流變斷裂準則研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：袁海平
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

採用理論分析與室內實驗相結合的辦法，通過CT實時掃描岩石蠕變細觀試驗，對高應力條件下岩石蠕變變形過程中細觀裂紋萌生、伸長、增寬、分叉到貫通破壞的累積演化時效特徵和蠕變斷裂動態過程進行深入研究，揭示不同圍壓作用下岩石流變斷裂的內在力學機理，研究高應力條件下岩石蠕變裂紋起裂準則、擴展規律和破壞模式，分析巨觀可測物理量與岩石蠕變裂紋細觀演化力學效應的定量關係，建立高應力條件下巨觀可測物理量與岩石內部細觀狀態量化方法和流變斷裂判識準則，構建可考慮裂紋相互作用的以時間、應力、流變斷裂類應力強度因子及其裂紋等效長度等為內變數的岩石流變斷裂模型，為正確判斷和評價高應力條件下岩石當前狀態奠定紮實的研究基礎。研究成果有望使岩石流變斷裂研究領域得到實質性的發展，將在採礦工程、地下建築工程、國防工程等岩體工程領域有著廣闊的套用前景，對各種岩體工程設計、失穩預測及穩定性分析具有重大的理論和實際意義。

結題摘要

高應力岩石流變斷裂因其具有與低應力條件截然不同的破壞本質，存在岩石內部宏細觀狀態難以觀測和量化、缺乏巨觀可測物理量的對應定量關係和判識準則等諸多問題，工程套用難以推廣。採用室內試驗、數值試驗、理論分析等方法，對高應力條件下岩石流變斷裂準則開展深入研究，分析不同圍壓高應力作用下岩石細觀裂紋起裂特徵、擴展規律和破壞模式，建立巨觀可測物理量與岩石內部細觀狀態量化方法和流變斷裂判識準則。 （1）基於蠕變斷裂特性試驗，建立了岩石蠕變斷裂模型並對其參數進行了辨識。岩石蠕變試驗表明在高應力條件下岩樣具有瞬彈性、瞬塑性、粘彈性和粘塑性共存特性，蠕變特性與Burgers模型曲線較接近；通過改進典型Burgers模型使其能有效描述材料加速蠕變特性，建立了可考慮裂紋相互作用的以時間、應力、流變斷裂類應力強度因子及其裂紋等效長度等為內變數的岩石流變斷裂模型，採用準牛頓法對模型參數進行了辨識。 （2）通過CT斷層掃描及數值細觀試驗，探討了岩石蠕變斷裂細觀演化特徵與過程。採用位移、應力、面積破損率、單元安全係數等特徵參量，對高應力條件下岩石蠕變變形過程中細觀裂紋萌生、伸長、增寬、分叉到貫通破壞的累積演化時效特徵和蠕變斷裂動態過程進行了深入分析，揭示了岩樣蠕變載入作用下內部裂紋形態演化特徵和岩樣蠕變斷裂內部細觀演化過程，即首先軸向由上下向中央擴展，徑向則由表面向內部擴展，然後裂紋經過貫通形成碎裂破壞，最終達到運動加速剪下破壞過程。 （3）基於斷層圖像，提出了岩石內部破損空間分布形態重構方法。基於岩體內部破損量化辨識方法，套用圖像處理技術，通過對二維斷層圖像特徵參量的辨識，提取了各斷層圖像的特徵參量，計算了數據集在顯示平面累計投影，量化和建立了岩石宏細觀裂紋演化的三維空間形態分布模型，獲得了岩石空間裂紋分布的直觀圖，動態描繪了岩石內部破損特徵與狀態。 （4）探討了岩石蠕變細觀損傷表征方法，提出了高應力岩石流變斷裂判識準則。套用斷裂力學理論與能量準則，建立了遠場應力作用下單一裂紋的概化力學模型，探討了中硬岩細觀裂紋起裂特徵、擴展規律和破壞模式，推導了以應力強度因子、分支裂紋長度和時間為內變數的相應勢函式，分析了巨觀可測物理量與岩石蠕變裂紋細觀演化力學效應的定量關係，提出了多種破壞機制時的統一流變斷裂準則和岩石內部破損量化辨識與岩石蠕變斷裂判識方法，包括蠕變曲線法、安全係數法和破裂面積率法等。