饱和-非饱和围岩峰后力学特性研究

The post-peak mechanical properties of rock are the important basis of rock harzards mechanism, prediction and treatment studies for underground engineering. Aiming at the theorical research and engineering application of the post-peak mechanical properties of rock, the triaxial tests for medium hard rock and soft rock samples with various water saturation are performed respectively. The effects of the various saturation, confining pressure, stress path and loading rate on the mechanical properties and behaviors of post-peak rock are analyzed. Besides, the mathematical relations among the saturation, confining pressure and rock peak strength, post-peak deformation modulus, residual strength and dilation angle are obtained. The permeability evoluation equation of peak-post rock on account of the volumetric strain is presented. Furthermore, on the basis of macroscopic and microscopic tests of saturation affecting on the mechanical properties of post-peak rock, combining with the effective stress principle,elasto-plastic mechanics and unsaturated seepage mechanics, the post-peak mechanical constitutive model of unsaturated-saturated rock for the saturation and water flow is set up. And then the corresponding numerical code of the finite element method is developed. Last and not the least, the research findings can be applied to predict the mechanical behaviors of post-peak rock such as mining engineering and etc. and the constitutive model of the post-peak mechanical behaviors of unsaturated-saturated rock would be proved right away by the field monitoring data. The research helps clarify the mechanical behaviors and properties of post-peak rock under complex circumstances and guides the rock harzards mechanism, prediction and treatment studies for underground engineering.

岩石峰后力学特性是进行地下工程围岩灾变机理、预报与防治研究的重要基础。针对岩石峰后力学特性的理论研究与工程应用，分别对不同饱水度的中硬和软弱岩样进行三轴试验，分析饱水度、围压、应力路径、加载速率对岩石峰后力学特性的影响规律，建立饱水度、围压与岩石峰值强度、峰后变形模量、残余强度和剪胀角之间的数学关系式，建立基于体积应变的岩石峰后渗透率演化方程。在饱水度对岩石峰后力学特性宏微观试验基础上，结合有效应力原理、弹塑性力学理论和非饱和渗流理论，建立能够考虑饱水度和水的渗流影响的饱和-非饱和岩石峰后力学本构模型，开发模型的有限元数值计算程序。将研究成果应用于采矿等工程的围岩峰后力学行为预测中，与现场监测数据对比，验证所提出的饱和-非饱和岩石峰后力学本构模型。课题研究有助于明确复杂环境下岩石峰后力学特性及行为，为岩石工程的灾变机理研究、灾害预报及防治等方面提供指导。

岩石峰后力学特性是进行地下工程围岩灾变机理、预报与防治研究的重要基础。为揭示和预测岩石峰后力学特性及行为，从新疆巴里坤矿等取砂岩、泥岩及煤，制备了标准岩样，利用自制设备对不同饱水度砂岩和泥岩岩样开展三轴压缩试验和三轴应力渗流试验，获得了饱水度和围压对岩石模量、峰值强度、残余强度、强度退化过程、破坏应变的影响规律，获得了三轴压缩过程中岩石体积扩容和渗透率演化规律，获得了加载速率对岩石模量、峰值强度、强度退化过程、残余强度的影响规律。利用激光共聚焦显微镜观测了砂岩和泥岩增水过程中微观结构的演化，分析了泥岩和砂岩增水过程中的微观结构演化规律及机制。利用自制三轴应力渗流温度蠕变耦合试验装置，分别对型煤和原煤开展了三轴应力渗流温度耦合试验，分析和获得了温度、应力、含水率及加卸载对煤渗透率的影响规律。. 基于试验结果，定义了描述围压对岩石峰后强度退化过程影响的新参数，即脆性模量和脆性模量系数，获得了围压与脆性模量系数之间服从负指数函数关系的规律；分析了岩样体积应变与渗透率之间的关系，提出了体积应变增透率概念，建立了基于体积应变增透率的渗透率演化模型；利用脆性模量系数描述围压对岩石峰后强度退化过程的影响，利用强度退化指数描述围压对岩石峰后残余强度的影响，利用扩容指数描述围压对岩石体积扩容的影响，结合体积应变增透率模型，建立了考虑围压影响的岩石应变软化和渗透率演化模型，在FLAC下结合Strain-Softening模型予以实现，利用试验数据完成了对数值模型的正确性验证。利用建立的模型，模拟了三轴压缩岩样压缩过程中的应变软化、体积扩容和渗透率演化行为；利用建立的模型模拟了煤层开采过程中围岩渗透率的动态演化规律。. 通过项目研究，揭示了围压、地下水、加载速率、应力路径对岩石力学特性如模量、峰值强度、峰后强度退化过程、残余强度、体积扩容、渗透率演化的影响规律；提出了描述岩石峰后力学行为的脆性模量、脆性模量系数、体积应变增透率3个新参数；建立了能很好模拟岩石峰后强度退化、体积扩容、渗透率演化行为的力学模型。这些成果有助于明确和预测复杂应力条件下岩石峰后力学特性及行为，为岩石工程的灾变机理研究、灾害预报及防治等提供理论基础。