深部工程围压与高温环境下岩石Ⅲ型断裂机理研究

地下工程岩体结构的破坏主要是岩石中微裂纹萌生、扩展并与已有裂隙相互贯通的过程。为防止深部开采工程岩体破坏与核废料等废弃物地质处置工程的处置物泄露，研究温度与围压作用下岩石的断裂与裂纹扩展规律十分重要。本项目针对这些地下工程与岩石空间强度与破坏机制有关的共性问题，重点开展高温与围压环境下，岩石裂隙的Ⅲ型及与III复合型裂纹断裂机理的实验研究。将通过与常规环境下的实验比较，并辅以数值和理论分析，采用高温力学实验、液压伺服三轴实验及CT实验系统，研究在不同温度和围压环境作用下，岩石Ⅲ型裂纹的断裂机理、断裂韧度、尖端细观变化和裂纹扩展规律，及其在与Ⅲ型复合的岩石裂纹断裂中的作用。揭示岩石在深部工程围压与高温环境下的一种重要的断裂破坏与裂纹扩展规律，弥补不同环境下岩石断裂力学基础实验数据的严重不足。为岩石断裂力学的进一步发展和应用，解决深部开采工程和废弃物处置工程中的工程地质力学难题做出贡献。

自从2010年下半年得到项目资助以来,课题组成员在如下几个方面做了工作：.1..进行了大量的岩石三维表面裂纹断裂实验。这是一种I-II-III（含III型）复合型断裂实验，是自然界最普遍的岩石裂纹形态。通过声发射监测、数值散斑监测和应变片测试，比较清楚地了解到了这种岩石裂纹的初始起裂过程和反向裂纹形成过程，同时进行了试件整体的应力和裂纹尖端的应力强度因子有限元计算,最终解决了裂纹深部各点初始起裂遵从哪一理论判据这一问题；也分析清楚了反向裂纹的形成机理。研究结果对分析地下工程区域岩石断裂带稳定及地球表面断裂带的稳定有重要参考价值。这一部分工作成果发表在2012年岩石力学与工程学报上（EI收录）。.2..2011年，受项目资助，在国际期刊Journal of Advanced Science Letters，Vol.4 上发表论文“A Rock Crack Shear Fracture Criterion and the Experimental Study”（SCI收录），论文主要基于库仑摩尔强度准则推导出了能预示岩石压剪裂纹剪切起裂的理论判据，并与实验结果进行了对比，无论是临界起裂载荷还是剪切起裂角都与实验符合得很好。.3..对某水电站左岸边坡泥板岩和某煤矿顶板黑沙岩进行了纯I型、I-II复合型或纯III型断裂韧度测试，为现场工程后继的维护和安全预测准备了原始资料。还对泥板岩石进行了不同温度与不同围压下的纯II型断裂实验，主要了解这种岩石裂纹的剪切起裂特性随温度及围压的变化情况。.4..对白麻岩和红麻岩进行了系统的不同温度下（零下负500C到零上正2800C）的纯I和纯III型以及I—II—III复合型断裂实验，得到了这两种岩石起裂应力强度因子随温度的变化规律；在零下负500C的低温环境下，两种岩石裂纹的起裂载荷及其他指标比常温下的各项指标要提高20%左右，而在零上正2800C的高温环境下，两种岩石裂纹的各项起裂指标比常温下的各项值要减低50%左右，这些数据可为地下防灾减灾工程提供重要参考。发表国际期刊论文两篇（EI收录）。.5..由于裂纹的起裂要消耗表面能，课题组也试图从能量的角度分析岩石试件的损伤、起裂与破坏；受课题资助，进行了大量的能量实验：从声发射监测、红外监测、温度传感器监测等多方面得到岩石试件受力破坏过程中的能量信息，发表EI收录论文多篇。