含结构面的硬岩冲击断裂特性及快速双互易杂交边界点法模拟研究

针对西部重大地下洞室工程中的含控制型结构面的硬质岩体，采用岩石冲击断裂实验，通过研究不同加载速率，不同岩体及其裂纹尺寸下，含控制型结构面硬质岩体的冲击断裂响应，揭示在结构面作用下的硬质岩体的冲击断裂特性和机理，及其起裂、扩展，直到岩石破坏的特征。结合岩石动态断裂理论和损伤力学理论，建立结构面作用下硬质岩石冲击断裂模型、断裂准则和应用判据。针对岩石冲击断裂理论分析的复杂性，将H矩阵和自适应交叉算法（ACA）相结合，并引入到双互易杂交边界点法中，提出快速双互易杂交边界点法。并基于在结构面作用下的岩石冲击断裂模型、断裂准则和应用判据，建立基于快速双互易杂交边界点法的岩石冲击断裂分析程序，实现对含结构面硬质岩体的冲击断裂模拟，并利用实验响应结果对分析程序进行优化，继而实现对地下洞室施工过程中的爆破动力扰动效应进行分析评价，为工程安全施工提供重要的指导。

以西部重大工程为研究背景，以工程中的硬质岩体及其硬质岩体结构面为研究对象，采用霍普金森杆系统为实验平台，对硬质岩体及其硬岩结构面进行高速冲击断裂实验，通过不同加载速率，不同岩体和不同结构面形状下的硬质岩体的冲击断裂响应研究，获得硬质岩体及其硬性结构面的冲击断裂特性。在实验的基础上，结合岩石断裂力学理论，建立了硬质岩体局部断裂模型和断裂判据。同时，在双互易杂交边界点法的基础上，引入H矩阵和自适应交叉算法(ACA)，提出了快速双互易杂交边界点法。基于实验获得的断裂模型，建立了基于快速双互易杂交边界点法的断裂分析程序。此外，为了更好的分析模拟岩石断裂过程中的从连续到非连续的演化过程，开展了连续到非连续细胞自动机研究，同时融入上述模型和理论，建立了岩体断裂破坏过程分析模拟的连续-非连续细胞自动机模拟。实验和数值模拟分析结果表明，硬质岩体的动态断裂过程与动态加载率和围压有关，并且其动态抗拉强度随着加载率的增加明显增加，随着围压的增大有显著的减小。而硬岩结构面的强度与岩体本身属性有很大关系，其结构面的强度并不一定比其母岩强度低，并且其结构面强度与结构面本身的形状有直接关系，并且其强度与加载率也有正相关性。