蠕变-冲击载荷下岩石结构面的劣化机理

Discontinuities are the weak parts of rock engineering, and shear failure along a joint is one of the main ways of rock failure. The discontinuities in engineering rock mass are usually affected by creep effect and dynamic disturbance (blasting vibration). It is not conducive to make a scientific assessment of the engineering stability by just considering one of the influence factors. As a consequence, this research focuses on the degradation mechanism and shear instability criteria of rock joints under creep-impact loading. Firstly, establishing a joint roughness coefficient (JRC) characterization method with both shear direction and the contributions of waviness and unevenness considered; secondly, creep shear tests and impact shear tests are conducted separately to establish a JRC–related shear creep equation and a fitted degradation formula of JRC, based on which, a shear creep equation of rock joints considering the impact degradation of JRC is developed, and then, it is improved by the feedback of joint shear tests under creep-impact loading. On the other hand, the precursory characteristics of joint shear instability are obtained by monitoring the displacement field and acoustic emission (AE) date during the shear tests. Finally, based on the displacement and AE monitoring data and the shear creep equation with the impact degradation of JRC considered, a comprehensive shear instability criterion for rock joints under creep-impact loading is proposed.

结构面是岩体工程中的软弱部位，沿结构面剪切失稳是岩体破坏的重要方式之一。而工程岩体中的结构面，通常处于蠕变和动态扰动（爆破震动）共同作用的环境中，单纯考虑某一种影响因素将不利于对工程稳定性做出科学评价。因此，本项目拟开展岩石结构面在蠕变-冲击载荷下的劣化机理及其剪切失稳判据研究。首先，建立一种可同时考虑剪切方向和起伏体大小的三维结构面JRC表征方法；其次，开展岩石结构面的蠕变剪切试验，建立包含JRC参数的结构面剪切蠕变方程；进行岩石结构面的冲击剪切试验，建立冲击载荷下结构面JRC的劣化关系式，并将此两部分工作结合，形成考虑JRC冲击劣化的结构面剪切蠕变方程。然后，进行蠕变-冲击作用下的结构面剪切试验反馈修正上述方程，并借助位移监测与声发射监测手段，获得结构面剪切失稳破坏的前兆特征。最后，基于JRC冲击劣化剪切蠕变方程和位移与声发射监测数据，建立结构面在蠕变-冲击剪切下的综合失稳判据。

许多岩体工程灾害均与结构面的剪切滑移失稳有紧密关系，结构面是岩体工程中的软弱部位，沿结构面剪切失稳是岩体破坏的重要方式之一。近年来，随着人类采矿、水电等岩石工程活动不断向深部发展，地应力显著提高，围岩中的结构面在蠕变、动态扰动及外部应力调整等多种因素影响下发生劣化，极易诱发结构面滑移型岩爆灾害，对人员和设备危害巨大。本项目以此为背景，开展了岩石结构面在蠕变-冲击载荷下的劣化机理研究。首先，建立了一种可同时考虑剪切方向和起伏体大小的三维结构面JRC表征方法，该方法提供了关于三维非规则(异形)结构面粗糙度的估算方法以及参数选取规则，具有良好的通用性。更重要的，该方法还可以反映岩石结构面的各向异性特征，可以进行工程岩体结构面粗糙度的估算方法；此外，提出了一种可以逆向生成二维粗糙节理轮廓线与三维粗糙节理面的方法，该方法也可以生成在两个正交方向上具有不同粗糙度的节理面，该方法为结构面相关的各类岩石力学物理实验及数值模拟建模提供了解决方案，对需要考虑岩石粗糙形貌的相关物理力学实验以及渗流、注浆及油气开发等数值模拟研究具有普遍适用性；其次，开展岩石结构面的蠕变剪切试验，建立包含JRC参数的结构面剪切蠕变方程，该研究成果对边坡工程中的结构面滑移失稳预测具有重要参考意义，特别是自然与浸水条件下砂岩结构面的分级加载蠕变剪切实验结果对比，显示浸水岩石结构面的蠕变变形能力大幅度提高，值得在边坡加固及稳定性防护方面引起重视；最后，进行了岩石结构面的冲击剪切试验，将此两部分工作结合，可以形成考虑JRC冲击劣化的结构面剪切蠕变方程。本项目的研究工作，对岩石工程中预测结构面的长期强度和评估结构面突发滑移失稳灾害的风险都具有重要的意义。