不同原岩初始应力梯度下的岩体动态扰动响应机理研究

Deep underground rocks are naturally high stressed, and the initial stress is change with gradient in the surrounding of the cavity face. Therefore, the present project demonstrates the mechanical mechanism of blasting or other impact loading conducted in deep underground rock mass with inhomogeneous stress is “initial stress gradient + dynamic distribution”, based on this condition, the rock specimen will be manufactured, which have a cylinder bore in the center, so that there are stress gradient around of the bore when initial stress loads in the axial, thus, the rock failure characteristic of the stress gradient zone under combined stress gradient and impact loading will be verified by the SHPB experimental apparatus. For deep rock in three dimensional stress conditions, the deep underground cavity model will be established by the finite element software, the stress initialization and dynamic loading processes of the model will be carried out by the hybrid implicit-explicit method, to simulate the effect of initial stress gradient and dynamic loads on rock failure. Finally, the results of experiments and numerical simulations are analyzed, to build the evolution model of rock failure under combined stress sate. The governing equation of stress wave propagation in the material under initial stress gradually increasing, decreasing and orderly changing will be derived, to verify the dynamic rock failure law in the special stress conditions, and to investigate the mechanical mechanism of rock failure under combined stress conditions, which can provide theoretical basis for controlling deep underground engineering disaster and excavation.

深部硐室围岩具有高初始应力，而且初始应力呈梯度变化。项目提出爆破等动态加载下深部硐室围岩的受力为“初始应力梯度+动力扰动”的组合作用模式，拟利用SHPB动静组合加载试验平台，加工中间开孔的条形岩石试样，使得试样在承受轴向静态加载时孔洞周边产生一维初始应力梯度，从而试验得出试样在承受冲击载荷时应力梯度区的破坏情况。针对深部岩体处于三维应力状态的特点，建立深部硐室三维有限元模型，采用隐式-显式混合求解的方法，实现深部硐室的静态应力初始化和动态加载过程的顺序求解，数值模拟原岩初始应力梯度和动态载荷对岩体破坏的影响。在实验和数值模拟的基础上，构建组合应力作用下岩石破坏过程的演化模型，理论推导出动载荷在初始应力单调递增、递减和有序变化的介质中传播的控制方程，获得这些特殊应力环境下岩石的动态加载响应机理，揭示组合应力下岩石破坏的发生机制，为深部岩体的灾害预控和安全开挖提供理论依据。

在浅部资源逐渐减少的背景下，资源开采逐渐进入深部。然而，随着资源开采深度的增加，地应力呈非线性增加趋势，使得岩体处于高初始应力的复杂环境中，出现了岩爆、板裂、分区破裂等不同于浅部岩石力学的特殊破坏现象和工程灾害，严重制约了深部资源开采和深部工程建设。基于此，针对深部岩石具有初始应力梯度和承受来自凿岩爆破等动载荷这一组合应力的特点，本项目提出动载荷作用下深部硐室围岩加载的力学机制是“初始应力梯度+动力扰动”的组合应力作用。.主要研究内容、重要结果以及关键数据为：（1）以改进的Split Hopkinson Pressure Bar试验平台为基础，通过加工带孔洞的圆柱形试样，试验了一维初始应力梯度下岩石的冲击破坏过程，试验结果表明应力梯度区是岩石破坏的敏感区域。（2）设计了有围压情况下的冲击层裂试验，研究了围压对岩石轴向层裂发生的影响，获得了岩石的轴向层裂强度和初始围压之间的关系。（3）运用数值模拟的方法实现了深部巷道的应力初始化和动态加载过程的求解，获得了三维应力状态下不同的初始应力梯度和冲击载荷组合作用下的岩石破坏特征，同时，利用LS-DYNA软件建立了动力扰动从深部向地表传播，导致地表层裂的过程，实现了应力波在初始应力梯度变化区域的传播，证明了应力梯度越大对应力波传播的影响越大。（4）利用数学物理方法和应力波理论分析出应力波在初始应力逐渐递增、递减和有限变化的介质中传播的控制方程，获得了原岩初始应力和初始应力梯度对应力波传播的影响。.科学意义：该项目综合考虑了初始应力梯度和应力波的组合作用，研究和揭示了深部组合应力条件下岩石的动力扰动破裂机理，研究成果一方面可为深部工程开挖设计和解释深部一些特殊现象的基本理论依据；另一方面也可为地震波等应力波在初始应力有序变化的介质中的传播问题提供理论支撑，具有重要的理论意义和实际工程应用价值。