二次卸荷条件下扰动岩体流变损伤破坏机理研究

针对地下转露天开采的特点，通过岩石二次卸荷流变试验，研究二次卸荷岩石的蠕变变形、破坏特征及强度参数变化规律，建立二次卸荷岩石的屈服准则、二次卸荷岩石流变损伤本构模型；通过物理相似试验模拟地下转露天开采中大型机械设备对二次卸荷围岩的扰动作用，利用声发射实验和SEM电镜手段全程观测和记录岩体裂隙扩展演化过程，研究扰动荷载作用下二次卸荷岩体裂隙流变扩展及时效破坏特征和机制，揭示扰动荷载作用下二次卸荷岩体流变损伤破坏的细、宏观机理。在细、宏观层面上构建扰动岩石流变损伤的唯象模型和黏弹塑性损伤本构模型，并开发出二次卸荷条件下扰动岩体黏弹塑性损伤有限元程序；该研究为地下转为露天开采过程中采空区的安全顶板厚度的确定和群采空区与露天矿边坡的相互影响提供了理论依据。

岩体开挖过程属于典型的岩石卸载过程。同时岩体中的裂隙及缺陷对岩体工程稳定性影响较大。以有序多裂隙类岩石材料为研究对象，采用单轴及双轴压缩的加载方式，研究有序裂隙类岩石材料的强度、裂纹起裂、裂纹扩展及贯通模式。由于工程建设中的岩体处于一种复杂的应力状态，对于地下水丰富的工程岩体不仅受地应力的影响，岩体中的渗透压也影响岩体的强度及裂纹的扩展。采用MTS815试验机进行三轴应力条件下茅口灰岩渐裂过程中的渗透试验研究及含裂隙茅口灰岩的渗透试验。试验的相关结论如下：.1）类岩石多裂纹体的受压破断试验发现，当裂纹倾角较小（如倾角为25度和45度）时，随裂纹密度的增加，试件表征峰值强度整体上呈衰减趋势，残余强度呈增加趋势；裂纹倾角较大（如倾角为75度和90度）时，裂纹密度对表征峰值强度无显著影响，其残余强度特性表现不明显；相同裂纹密度下倾角从25度变化到90度，试件表征峰值强度总体上呈增加趋势。类岩石材料的流变断裂时一种稳定的裂纹扩展，其本质原因是类岩石裂纹的亚临界扩展。.2）进行双轴压缩条件下的有序多裂隙体的试验研究，其中侧向压力有0.5 MPa、 1 MPa和2 MPa。双轴压缩裂隙类岩石材料试验的主要结论如下：试验最终贯通方向为对角贯通，与预制裂隙倾角方向一致；岩桥的破坏主要为翼形拉裂纹、排间次生剪切裂纹和排内次生剪切裂纹，翼形拉裂纹主要出现在裂纹扩展初期阶段，排内次生剪切裂纹在侧向压力为2 MPa时较为普遍。采用盒维数测量法测量双轴压缩条件下试样破坏过程中分形维数变化，随试验不断破坏，破坏试样的分形维数呈单调递增趋势，分形维数能较好地反应试样破坏程度。.3）对取自煤炭坝的茅口灰岩进行不同围压机不同渗透压差条件下的茅口灰岩渐裂过程中的渗流试验，其主要结论有：围压增大，岩石峰值强度、起裂强度、损伤强度随之增大；渗透压差增大，岩石峰值强度、起裂强度及损伤强度随之降低。基于水压作用下茅口灰岩的三轴压缩试验计算出岩石抗剪强度，得出：水压的存在会降低岩石抗剪强度，并对岩石粘聚力影响较大，当水压增至14 MPa时粘聚力可降为0 MPa；水压对内摩擦角影响相对较小，随水压的增大，内摩擦角在49.9度和53.5度之间变化。.4）通过采用劈裂的方法在试样间中形成宏观裂隙面，然后进行含裂隙面的茅口灰岩渗透试验。试验结果表明，茅口灰岩实际渗流跟Darcy流存在较大的差异，即岩样的渗流为非线性渗流