复杂动力扰动下岩爆灾害发生机制与能量释放规律研究

本项目针对深部地下工程岩体所处高地应力赋存环境并遭受复杂动力扰动这两项岩爆孕育和触发的关键因素，围绕岩体动力破坏机理和能量释放机制这一科学问题，通过室内试验、理论分析、数值计算并工程现场微震监测，从细观尺度、实验室尺度到工程尺度，对岩爆动力灾变机理开展了深入研究。对测试岩石断裂韧度的国际建议方法进行了系统研究，有助于岩石断裂属性的合理测量，为岩爆规律研究提供准确有效的断裂参数；发展了一套基于分离式霍普金森压杆实验技术的动静组合斜入射岩爆实验新方法，揭示了动静组合斜入射动力扰动下砂岩的动力响应与变形破坏机理；推导并建立了动静组合加载霍普金森杆实验的能量分析方法，揭示动静组合斜入射动力扰动下砂岩的能量传递与耗散规律；基于离散元方法构建霍普金森杆测试系统二维和三维数值仿真平台，有效再现复杂岩石动力学实验的数值模拟，从微观层面揭示动静组合斜入射动力扰动下试样的破坏模式和渐进破坏特征；从统计学角度分析动静组合斜入射动力扰动下砂岩的破碎特性，建立复杂动力扰动下砂岩的强度、破碎度和能耗相关关系；结合依托工程微震监测，研究了工程围岩微破裂时空演化规律、能量传递释放规律以及与开挖爆破扰动的时空关联，验证了实验室发展的开挖强动力扰动下岩爆动力灾变机理。成功推广应用到大渡河猴子岩水电站地下洞室群、金沙江白鹤滩水电站地下洞室群等大型水利水电工程，创造了一定的社会效应和经济效益，有力地促进了西南地区水电工程技术的创新和快速发展。 项目的研究成果最终形成的研究论文被SCI收录25篇，EI收录9篇；获中国岩石力学与工程学会自然科学特等奖；参加国际学术会议8次，培养硕士研究生6人、博士研究生3人。超额完成项目的预期目标。 2100433B

本项目紧紧抓住高地应力和复杂动力扰动这两项岩爆孕育和触发的关键因素，致力于研究并揭示综合考虑这两项关键因素的岩爆动力学机理和能量释放机制。发展基于分离式霍普金森压杆的围压-动静组合加载新装置，开展岩石在无围压以及不同围压下、正入射以及不同斜入射角度下的复杂动力扰动岩爆试验，研究试样破断和能量传递耗散规律，以及复杂动力扰动下动静组合岩爆动力学机理和灾变判据。结合高应力地下洞室开挖爆破工程进行微震监测，验证实验室发展的岩爆动力学机理和岩爆判据，揭示高应力地下洞室岩爆孕育和灾变过程的动力学机理与能量释放机制。该研究对于岩爆动力灾害机理解释及其防治，具有重要的科学意义和工程应用价值。

循环动荷载下软弱夹层动力响应特性及其诱发复合岩体动力失稳灾变的内在机制及其演化过程十分复杂，有待深入探索和进一步研究。 本项目以循环爆破扰动下含软弱夹层复杂岩质边坡动力失稳灾变为研究对象，将试验研究、理论分析与数值模拟有机结合，以循环动荷载作用下软弱夹层土的动力响应为基础和纽带，建立循环爆破扰动下含软弱夹层岩质边坡动力失稳灾变机制研究体系。首先，通过动三轴试验，探寻循环动荷载作用下软弱夹层土的强度参数劣化和变形累积演化规律；其次，利用Newmark滑块位移法建立循环爆破扰动下含软弱夹层岩质边坡失稳分析方法；再次，根据软弱夹层发育特征，建立含软弱夹层复合岩体质量分级评价方法；最后，利用FLAC3D数值模拟方法系统研究多因素和多工况条件下含软弱夹层岩质边坡稳定性。 研究结果表明：（1）软弱夹层累积应变规律具有破坏型特征，随含水率和黏粒含量增大而增大，随围压增大先减小后增大；动弹性模量随围压增大单调递增，随循环周次和含水率增大单调递减。（2）软弱夹层的动强度受主要黏土矿物成分和黏粒含量共同影响；动粘聚力与主要黏土矿物成分的工程性质优劣呈正相关；而动内摩擦角随软弱夹层黏粒含量的增大单调递减。（3）基于最大应变法表征损伤量，用低周疲劳损伤演化模型描述软弱夹层在循环动荷载下的累积损伤机理与特征是合理的。（4）对于规模相对较小的软弱夹层（厚度小于10cm），可将其作为折减因素，建立了含软弱夹层的层状复合岩体质量分级修正BQ方法。（5）基于强度折减法，利用FLAC3D分析了不同倾角、厚度、含水率、粘粒含量等软弱夹层发育条件下岩质边坡稳定性，研究表明对岩质边坡稳定性影响程度依次为：软弱夹层的倾角、粘粒含量、含水率和厚度。（6）建立了爆破扰动下含软弱夹层岩质边坡的物理模型和滑块力学模型，通过能量守恒原理给出了多次爆破振动下滑坡的总位移量表达式。 研究成果可为预防循环动荷载扰动作用下含软弱夹层复杂岩质边坡动力失稳灾害提供科学指导和技术支撑。 2100433B

含软弱夹层岩质边坡动力稳定性问题是岩石力学与工程研究的难点与热点之一。本项目以循环爆破扰动下含软弱夹层复杂岩质边坡动力失稳灾变为研究对象，将试验研究、理论分析与数值模拟有机结合，以循环动荷载作用下软弱夹层土的累积损伤效应为基础和纽带，建立循环爆破扰动下含软弱夹层岩质边坡动力失稳灾变机制研究体系。首先，通过动三轴试验，探寻循环动荷载作用下软弱夹层土的强度参数劣化和变形累积演化规律；其次，基于试验研究成果，利用突变理论和Newmark滑块位移法建立循环爆破扰动下含软弱夹层岩质边坡失稳的理论分析方法；最后，结合典型工程，基于已有研究成果，利用FLAC3D数值模拟方法系统研究多因素和多工况条件下循环爆破扰动诱发含软弱夹层岩质边坡动力失稳灾变过程。本项目研究可深层次揭示循环爆破扰动诱发含软弱夹层岩质边坡失稳灾变的复杂机理，研究成果对于含软弱夹层岩质边坡动力失稳灾害防治具有重要的理论和实际意义。

隧道岩爆研究已经从状态研究到孕育全过程的机制、监测预警与动态调控研究，隧道岩爆监测预警从定性发展到定量、智能化。隧道岩爆孕育机制是指其孕育过程相关的岩体破裂对应力学机制(张拉破裂，剪切破裂或混合破裂)的演化规律。

隧道岩爆机理经历了室内试验、现场观察、数值模拟、地震监测、电镜扫描等一系列的研究过程，科研人员逐步掌握了岩爆发生的孕育过程和发生条件。