渗流-应力耦合作用下深部岩石工程围岩的时效变形与细观失稳机理研究

本项目以矿山、水电、隧道、石油开采等深部岩石工程围岩的流变失稳这一频发工程灾害为研究背景，以深部岩石工程围岩的时效变形与细观失稳机理这一关键科学问题为核心，围绕深部岩体卸荷损伤渗流-应力耦合作用机理，通过现场微震监测和岩石三轴蠕变及声发射试验，采用流变力学、渗流力学、损伤力学等多学科交叉的研究方法，研究渗流应力耦合作用下岩石蠕变过程中的声发射时空演化规律，分析深部岩体卸荷蠕变变形损伤演化规律及蠕变率随时间变化的发展阶段特征，建立岩石渗流-应力蠕变损伤耦合数学模型及深部围岩流变失稳的数值仿真模拟方法，开展渗流-应力耦合作用下深部岩石工程围岩流变失稳的大规模并行数值计算研究，揭示深部岩石工程围岩的时效变形及细观失稳机理，为寻求深部岩石工程的变形失稳控制、防治方法及长期稳定性预测提供理论和应用基础。

本项目基于材料力学性质的弱化律，建立了考虑蠕变损伤的岩石时效蠕变模型，模拟研究了单轴、双轴压缩下岩石的蠕变和松弛特性。基于渗流-应力耦合作用的岩石蠕变损伤失稳过程，建立了考虑蠕变损伤的岩石渗流-应力耦合作用模型，模拟研究了渗流和应力耦合作用下岩石的蠕变损伤特性。开展了不同应力水平、分级加载及循环加卸载作用下岩石蠕变的室内物理实验以及岩质边坡稳定性的微震监测分析及岩质边坡蠕变失稳的数值模拟研究，研究了岩石试样在单级应力水平、分级应力水平加载、循环加卸载作用下的岩石蠕变特性，以及岩石边坡蠕变损伤诱致的灾害失稳破坏过程及机理。研究表明随着应力水平的提高，岩石的蠕变应变率增加。经历初始蠕变和稳态蠕变的岩石，在高应力水平的作用下岩石内有蠕变损伤发生且随着时间的延长试样会最终发生失稳破坏，岩石的蠕变失稳破坏都经历瞬时蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个阶段，蠕变破坏时间的长短同应力水平直接相关。常应力作用下岩石的破坏失稳是一个应力加载导致岩石内部微观损伤逐渐积累诱发失稳的过程，循环蠕变载荷作用下岩石的声发射和蠕变应变率均体现出一定的应力历史效应（记忆效应）。