开挖卸载诱导的硬岩断裂破坏机理与尺寸效应研究

Underground excavation in high in-situ stress area normally causes instability of the natural rock-mass due to the release of stress, and the crack initiation and failure of jointed rock-mass under unloading condition will be investigated in this project. Firstly, the influence of crack inclination and contact condition on stress distribution characteristics of crack tips will be analyzed by using rock mechanics, elastic-plastic mechanics, damage mechanics, rock fracture mechanics and rock structural mechanics. Based on the complex analysis and the theory of conformal mapping, the research contents of crack mechanics under unloading as follows: (a) the evolutive equation of stress intensity factor under unloading; (b) the crack criterion and fracture mechanics model under unloading condition.A kind ofnonlinear iteration method for tipfracture and expansion of rock crack will be proposed, and then to develop the three-dimensional discontinuous displacement digital solution module. At the same time, unloading experiments will be carried out on the complex structure rock-like specimens which obtained through 3D printing technology. Based on the theoretical derivation, numerical simulation and experimental results, the stress, closing degree of the crack, crack fatigue propagation and the failure mode ofspecimens will be analyzed, respectively.And then combined with the monte-carlo principle to further investigate the mechanical characteristics and failure behavior of rock-mass considering unloading history and size effect.The research scope of this project will lead meaningful theoretical and practical influence on the knowledge of contact-close-friction-cracking and non-linear process of rock crack under unloading condition and the catastrophe mechanism of rock engineering under high in-situ stress.

针对深部高应力岩体开挖卸荷下的裂隙开裂与破坏问题，综合运用岩石力学、弹塑性力学、损伤力学、断裂力学以及岩体结构力学理论，分析卸载条件下裂隙倾角及不同接触状态对尖端应力分布特征的影响。结合复变分析和保角变换理论推导出卸载条件下应力强度因子的演化方程，建立卸载条件下裂隙尖端起裂判据与破断力学模型。提出岩石裂隙尖端开裂和扩展问题的非线性迭代求解方法，开发三维不连续位移数字求解模块。同时，利用3D打印技术实现复杂岩体结构的重复制作，结合室内实验与数值模拟对不同卸载条件下裂隙及复杂岩体结构应力、裂纹闭合、疲劳扩展及破坏问题进行系统分析。进而结合蒙特卡洛原理进一步研究复杂岩体结构在不同卸载历史与尺寸效应影响下的力学性质与破坏力学行为。本课题的研究对于深入认识深部岩体工程开挖卸荷裂隙的接触-闭合-开裂的非线性过程和高应力环境下岩石工程灾变机理具有重要意义。

裂隙岩体的强度特性及裂隙尖端扩展贯通方面已经开展了大量的研究工作，并取得了大量的研究成果。然而，前人的研究成果均是针对加载情况下的裂隙岩体破坏特征展开的，对于卸载条件下的裂隙尖端开裂-贯通及复杂岩体结构破坏特征并未出现系统性的研究。本项目就以下方面开展研究：遍布节理岩体压剪破坏特征与强度因子研究；分步卸载下的起裂、扩展规律及贯通破坏机制；循环加卸荷条件下裂隙岩体力学特性研究；开挖卸载条件下岩石断裂破坏的尺寸效应；地下洞室开挖卸荷理论和试验研究；疲劳试验的损伤本构模型建立；加卸载作用下砂岩损伤演化和断裂破坏及能量耗散规律研究。验证了聚乳酸树脂材料预先充填开挖卸载区的可行性，得到了预制裂隙在分步卸载下的起裂、扩展及贯通破坏机制和类型。研究不同压剪应力比作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响，得到了开挖和卸载条件下诱导产生的不同类型裂纹开裂机理，通过力学分析推导得到了遍布节理岩石的强度因子。研究了循环加卸荷条件下裂隙岩体力学特性，得到了最大循环应力水平和试样轴向应变之间的规律。考虑预制孔洞的破坏机理，研究了预制充填孔洞在开挖卸荷条件下的裂纹扩展规律和裂隙岩体的破坏机理。基于塑性力学的功能平衡原理推导得到了开挖卸荷隧道围岩临界破坏的围岩压力，提供了围岩压力的上界表达，确定了地下空洞的破坏范围。基于宏观与微观的耦合破坏，推导得到了黄砂岩疲劳试验的宏观损伤本构模型和宏-微观损伤本构模型。对砂岩损伤演化和断裂破坏及能量耗散规律进行定量描述和分析，探讨加卸载作用下砂岩能量耗散变化特征背后机制，提出了主动式微波共振岩石电磁能耗检测方法。建立了岩石试样与微波耦合共振电磁能量传输模型，将外部载荷作用下岩石等效微元电阻、电感、电容与微波共振电磁能耗关联起来，量化分析岩石损伤。本项目的研究对于深入认识深部岩体工程开挖卸荷裂隙的接触-闭合-开裂的非线性过程和高应力环境下岩石工程灾变机理具有重要意义。