高应力-低强度应力比条件卸荷岩体时效破裂演化理论与应用

针对高应力-低强度应力比条件下地下工程开挖卸荷诱导的围岩渐进破裂与变形持续增长的时效变形破坏现象及由此带来的围岩长期安全性问题，通过开展一系列的真三轴加卸载流变试验、声发射和CT扫描、细观力学数值试验以及现场围岩测试信息解译等研究，揭示卸荷岩体的时效力学规律与演化机制，分析围岩卸荷时效演化的孕育条件和影响因素及其相关关系，探讨高应力-低强度应力比条件下卸荷岩体的时效损伤破裂特征，建立反映复杂应力条件、岩体卸荷力学特性的时效损伤破裂准则和本构模型，继而提出反映卸荷岩体时效变形破坏过程的数值模拟方法，初步形成高应力-低应力强度比条件下卸荷岩体时效破裂演化理论与围岩安全性评价方法，为高应力环境下地下工程围岩的灾变控制、长期稳定性预测与安全评价，以及洞室优化设计、安全运营等提供理论依据和应用基础。

高应力-低强度应力比条件下地下工程，在开挖过程中因卸荷存在围岩渐进破裂与变形持续增长等时效变形破坏现象，给地下洞室围岩长期安全评价和控制提出了挑战。鉴于此，本项目提出了一种高地应力区地下厂房围岩变形破裂演化测试方法和结构设计技术，同时研制了适用于高应力-低强度应力比岩石时效力学特性的流变试验设备。利用这些测试方法和试验系统等，通过开展一系列的岩石真三轴加卸载流变试验、声发射和CT 扫描、细观力学数值试验以及现场围岩测试信息解译等工作，获得了高应力-低强度应力比条件下卸荷岩体的时效损伤破裂孕育特征、围岩卸荷时效演化的影响因素及其相关关系；基于颗粒离散元的平行粘结模型，提出了考虑损伤速率的平行粘结时效劣化模型来模拟岩石流变的细观破裂规律，建立了岩石细观时效力学模型参数识别方法，从宏细观相结合的角度识别了卸荷岩体的时效力学规律与演化机制。通过引入内变量演化特征量描述岩石强度参数的卸荷时效性劣化特征，并考虑力学参数的围压效应，提出了反映卸荷岩石时效力学机制的复合黏弹塑蠕变模型，发展了反映卸荷岩体时效变形破坏过程的数值模拟方法，通过算例验证了所提出的模型理论与计算方法的正确性。同时，基于围岩变形、塑性应变指数等地下洞室多评价指标和标准，形成高应力-低应力强度比条件下围岩长期安全性评价方法。将上述所提出的测试方法、力学模型理论和数值计算方法及围岩长期安全性评价方法等直接应用于锦屏一级水电站地下厂房等高地应力区地下洞室中，验证了所提出理论和方法的适应性与合理性，所获得的研究成果为地下洞室围岩长期安全提供了重要技术支撑和科学依据。