多场耦合条件下多相高孔隙率岩石局部化变形带研究项目摘要

在温度场、渗流场与应力场耦合作用下，对多相饱和及部分饱和高孔隙率岩石的压实带、剪切带以及膨胀带等局部化变形带的特性进行研究。在混合物理论和应变梯度塑性理论框架内，对于各向同性、横观各向同性以及正交各向异性情形，分别建立多相高孔隙率岩石在温度场-应力场、渗流场-应力场以及温度场-渗流场-应力场作用下的耦合本构模型。基于得到的本构模型，运用非连续分叉理论，建立各种情况各种耦合荷载作用下的多相高孔隙率岩石的三个类别五种局部化变形带发生的判别准则，得到相应的塑性硬化模量和变形带方位角以及变形带厚度的表达式，并对各种情形下的局部化变形带进行数值模拟。另外本项目还将对各种情形下的高孔岩石的局部化变形带进行实验研究，用以验证理论模型和数值模拟的正确性。本项目的研究，对于理解岩体的变形以及发生的各种地质灾害具有重要的理论指导意义。

岩体是岩土工程的重要研究对象之一。当前，国内外岩土工程发展迅速，涌现出越来越多民用、能源、交通、矿山、水利和国防工程，其工程设计、施工及稳定性评价等都直接依赖于岩体的变形和破坏等特征。因而，对岩体变形和破坏特性的正确描述，对保证与其相关的实际工程的安全使用具有十分重要的意义。岩体的破坏形式主要为应变（或变形）局部化现象。大量的野外观测表明，局部化变形在地质沉积中是十分普遍的，地层中存在着各种尺度的局部化变形带，了解这些不同尺度、不同地质作用的发生是非常重要的。地层中大量存在的是多孔岩石，多孔岩石是各种地质运动的主体，同时也是流体及矿物的载体。因此研究高孔隙度岩石的局部化变形，对于理解岩体的变形，以及发生的各种地质作用和地质灾害过程有非常重大的现实意义。由于高孔岩石一般处于一定的地质环境中，其中的温度、应力及地下水的流动是影响地质环境的3个主要因素，三者之间相互联系、相互作用、相互制约，形成高孔岩体中温度场、渗流场与应力场之间复杂的耦合效应。多孔岩石的局部化变形带主要有剪切带、压实带和膨胀带三个类别，本项目针对在温度场、渗流场与应力场耦合作用下，对多相饱和及部分饱和高孔隙率岩石的压实带、剪切带以及膨胀带等局部化变形带的特性进行了研究。在混合物理论和应变梯度塑性理论框架内，对于各向同性、横观各向同性以及正交各向异性情形，分别建立了多相高孔隙率岩石在温度场-应力场、渗流场-应力场以及温度场-渗流场-应力场作用下的耦合本构模型。基于得到的本构模型，运用非连续分叉理论，建立了各种情况各种耦合荷载作用下的多相高孔隙率岩石的三个类别五种局部化变形带发生的判别准则，得到相应的塑性硬化模量和变形带方位角以及变形带厚度的表达式，并对各种情形下的局部化变形带进行了数值模拟。另外，本项目还对多场耦合作用下的各种结构的局部化变形失稳问题进行了研究。本项目的研究，对于理解岩体及其相关结构的局部化变形以及发生的各种地质灾害具有重要的理论指导意义。 2100433B

本项目以水分迁移条件下岩石的时效变形及损伤弱化为研究背景，以水分迁移、应力腐蚀和损伤演化三场耦合作用为切入点，在试验结果的基础上提出水分迁移-应力腐蚀-损伤演化耦合作用的理论模型，并结合岩石细观非均匀性特征和流变特性，发展耦合作用下岩石变形时效性和破坏过程机理研究的三维数值模型，实现水分迁移导致的岩石裂纹萌生、扩展和贯通过程的模拟研究。通过在数值模型中采用基于并行计算的程序设计技术，实现岩石变形时效性和破坏过程的大规模科学计算研究。以此数值分析方法为主要手段，结合物理试验和与具体工程实例，研究水分迁移条件下岩石的时效变形及损伤弱化的内在机理，分析探讨高应力条件下有水影响和无水影响时地下洞室开挖和采矿活动期间的围岩变形时效性、破坏特点以及失稳的前兆规律，并着重研究开挖所造成的岩体扰动区受水影响的变形特征。相应的研究成果为地下空间开挖和深部矿产资源开采等工程施工提供科学的方法和依据。

本项目以水分迁移条件下岩石的时效变形及损伤弱化为研究背景，以水分迁移、应力腐蚀和损伤演化三场耦合作用为切入点，在试验结果的基础上提出水分迁移—应力腐蚀—损伤演化耦合作用的理论模型，并结合岩石细观非均匀性特征和流变特性，发展耦合作用下岩石变形时效性和破坏过程机理研究的三维数值模型，实现水分迁移导致的岩石裂纹萌生、扩展和贯通过程的模拟研究。本项目的实施主要取得如下的研究成果：（1）为了研究岩体中广泛存在的结构面在细观尺度上的非均匀性及其损伤演化规律，提出了一种可以考虑接触面损伤演化过程的数值模型。模拟结果也揭示了非均匀性的存在是非线性变形的根本，而高的剪应力是产生剪切损伤的根源。损伤—应力调整的循环规律贯穿整个变形过程，直至模型中的接触面被完全剪断；（2）通过湿度在裂纹岩体中的传播研究表明，裂缝的深度和宽度是影响湿度扩散过程的一个重要因素，对湿度扩散路径的影响尤为显著；（3）采用湿度-应力-损伤耦合数值模型对水敏感岩体隧洞开挖后的变形量、围岩内的湿度扩散，以及应力演化进行了数值分析。通过对单组和两组节理岩体的变形、应力、湿度扩散的分析，揭示了节理弱面对湿度扩散和岩体变形的强化作用。开挖隧洞顶底板变形量的分析结果表明高湿度环境是水敏感岩体隧洞产生底鼓的重要原因之一。湿度扩散引起隧洞顶部和底部围岩产生大量破坏，致使相应部位的位移量陡增。此外，单组节理对岩体的湿度扩散起到明显的方向性，而多组相互斜交的节理则在一定程度上消弱了湿度扩散的各向异性；（4）采用湿度-应力-损伤耦合模型研究了隧洞底臌破坏过程，揭示了湿度在岩体中的扩散诱发的软岩大变形特性及其流变规律；（5）在本项目的执行过程中进一步提出基于环境因素（温度、水等）影响的岩体流变特性研究，其中开展了大量基于温度开裂的岩石破坏特性，所得结果为下一步的研究提供了坚实的理论基础和前期可行性资料搜集，保证了项目的延续性和更深入的科学研究。 项目的研究成果最终形成的研究论文被SCI收录8篇，EI收录17篇，ISTP收录1篇；获得中国岩石力学与工程学会科学技术奖（科技进步奖）特等奖1次，大连市自然科学学术论文一等奖1次；参加国际、国内学术会议6人次，培养博士生4人，硕士生2人。超额完成项目的预期目标。 2100433B

高地应力是我国西南地区的重要地质环境条件。随着西部大开发和大量深部岩体工程开挖，高应力环境中岩体开挖稳定性评价是近年来岩石力学及工程地质界的重要科学问题。项目以锦屏I级地下厂房和高边坡开挖为理论研究基地，通过岩石三轴卸荷、单轴压缩和裂隙岩体卸荷试验、岩石破裂面三维激光扫描和电镜扫描测试，结合断裂力学及能量原理，研究了高应力卸荷条件下岩石、裂隙岩体的卸荷力学性质及多尺度损伤破裂特征，阐述了卸荷损伤破裂的应变能耗散及释放规律及过程机制。 岩石卸荷力学性质方面：研究了卸荷速率、初始应力状态和卸荷应力路径对岩石变形、峰后应力脆性跃落、强度和破裂形态、破裂面细观粗糙度及微观特征的影响规律；阐述了卸荷过程中岩石变形模量、泊松比弱化和声波波速衰减规律；揭示了高应力条件下岩石快速卸荷破裂变形本质—峰值点附近及峰后强烈地向卸荷方向回弹变形和体积扩容。建立了卸荷条件下岩石变形破裂演化机制和本构模型。 裂隙岩体卸荷力学性质方面：研究了两种不同卸荷应力方式下不同倾角单裂隙岩体和不同倾角组合的双裂隙岩体的变形、强度、裂隙扩展和岩桥贯通演化模式；阐述了卸荷条件下裂隙扩展的差异卸荷回弹变形机制；结合能量原理，阐述了卸荷所形成的拉剪应力状态下裂隙扩展的断裂力学机理，并推导了裂隙起裂和动态扩展的应力强度因子。 岩石卸荷变形破裂的能量转化机制方面：研究了卸荷速率及初始应力状态对岩石卸荷损伤破裂过程中的能量吸聚、耗散及释放的影响规律；揭示了高应力卸荷条件下岩石峰前储存较多弹性应变能和相对较少的损伤耗能，而峰后弹性应变能快速大量释放和耗散的能量转化特征；定量描述了岩石破裂块度分形维与能量耗散及释放的相关性；建立了高应力卸荷条件下岩石损伤破裂的能量转化过程机制模型。 在岩石卸荷力学性质及本构模型研究的基础上，基于Griffth应变强度准则的弹脆塑性模型，提出了考虑脆性岩石卸荷破裂峰后显著扩容特性（剪胀）和岩石力学参数动态弱化的高应力岩体工程开挖数值模拟方法，并实例验证。 项目研究较好地达到了预期研究目标，已发表Sci论文1篇，Ei论文16篇。研究成果在高应力地区岩体工程开挖稳定性评价及灾害预警方面具有重要的理论意义和应用前景，也丰富了岩石力学理论研究。 2100433B