水分迁移条件下岩石的时效变形及损伤弱化机理研究

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

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。

岩体在周期荷载作用下的力学性能是影响岩体工程长期稳定性的重要因素之一，研究周期荷载作用下岩石的疲劳变形特性及损伤演化规律，有助于正确认识岩体的破坏机理，科学地评价岩体的长期稳定性。本项目以裂隙岩石注浆加固体为研究对象，对注浆加固体的疲劳破坏机理以及损伤演化规律进行基础科学研究。通过裂隙岩石注浆加固后的静动态加载实验，分析注浆加固体的强度与变形规律，揭示裂隙岩石注浆加固后的静态加载破坏机理。研究疲劳破坏过程中不可逆变形的变化规律，探讨疲劳损伤累积量的影响因素以及影响规律，对比静态破坏机理、原裂隙岩石疲劳破坏机理，揭示注浆加固后的疲劳破坏机理。观测残余塑性变形、剩余强度和寿命随循环次数的变化规律，建立循环次数与残余塑性应变之间的对应关系，利用残余应变差来定义损伤变量，推导损伤演化方程，对承受循环荷载作用的注浆加固岩体进行剩余寿命预测，为采矿、隧道、边坡等岩土工程注浆加固提供理论和实验依据。

岩石强度弱化系数是指饱水状态下岩石的抗压强度与干燥状态下的抗压强度之比。岩石在浸水后强度降低的情况取决于岩石中亲水矿物和易溶矿物的含量及孔隙和裂隙的发育程度。岩石强度弱化系数是岩体工程地质分类的重要指标之一，可按系数值划分岩石抗水、抗风化能力的强弱 。

本项目以深埋隧洞围岩的时效变形诱发滞后型岩爆这一关键科学问题为核心，基于流变力学、损伤力学、信息科学等多学科交叉的研究方法，探索深埋隧洞滞后型岩爆的诱发机理。通过卸荷蠕变变形损伤演化规律及蠕变率随时间的发展阶段特征研究，建立了反映材料流变特性的细观本构关系和细观损伤演化方程。总结了锦屏二级引水隧洞的岩爆发生特征，系统研究了影响滞后型岩爆发生的条件：内部因素（岩石材料的蠕变效应、非均匀性）和外部效应（湿度扩散、动力作用）。根据岩体破裂过程中的3S机理，建立微震监测技术的岩爆临界预警机制。本项目成果为深埋隧洞变形失稳控制及长期稳定性的预测提供理论和应用基础。 在本项目的资助下，课题组出版专著1部，申请发明专利3项，获得省部级科技进步二等奖1项，省部级学术成果三等奖1项。在国际刊物上发表论文8篇，国内核心刊物上发表论文5篇。其中，SCI收录论文4篇，EI收录论文8篇，接受未刊出论文1篇（EI刊源）。培养博士研究生3人，硕士研究生7人。参加国际学术会议3人次。 2100433B