考虑应力主轴旋转的围岩板裂化形成机理与结构特征研究

This study will be carried on basing a typical failure form of hard rock mass during excavation of deep buried tunnels, spalling. There are 3 stages arranged. Since the spalling mechanism has not been confirmed under the actual stress path during excavation, which both magnitude and direction of principal stresses vary in large range, indoor tests by Hollow Cylinder Apparatus will be conducted to reveal the deform characteristics and failure mechanism of hard rock under the rotation of principal stress axis. Based on the test results, a mechanical model considering the principal axis rotation and a corresponding numerical simulation method will be established. At last, the mechanism and structural characteristics of surrounding rock spalling considering principal axis rotation will be concluded by numerical simulation, physical model tests and situ case analysis. The outstanding feature of this project is to consider the influence of the principal stress axis rotation on the slab cracking of the surrounding rock, and to establish corresponding test methods and theory. The research results are of great significance to the construction safety of deep buried tunnels, the scientific design of support, the prediction and prevention of rock burst, and the development of deep rock mechanics theory.

围绕深埋硬岩隧洞开挖围岩的板裂化这一典型破坏形式开展研究，针对开挖围岩实际应力路径（主应力量值大幅度改变同时伴随应力主轴大角度旋转）下板裂化机理尚不明确的问题，首先通过岩石空心圆柱扭剪试验等系统的室内力学试验，揭示应力主轴旋转条件下硬岩变形破裂特征与机理；在此基础上，建立考虑应力主轴旋转的硬岩力学模型与数值模拟方法；基于数值模拟、物理模拟和案例分析，获得应力主轴旋转条件下硬脆性围岩板裂化结构特征与形成规律。本项目研究的突出特色在于考虑应力主轴旋转对围岩板裂化的影响，并形成相应的试验方法和理论。研究成果对我国深埋隧洞工程施工安全、科学支护设计、岩爆灾害预测与预防以及深部岩石力学理论发展具有重要意义。

本项目针对高应力条件下深埋隧洞围岩板裂化破坏现象，重点考虑隧洞开挖过程中围岩应力主轴旋转这一因素，深入开展应力主轴旋转条件下的试验技术、硬岩变形破裂特征与机理研究，通过现场实测数据和数值模拟技术，研究隧洞开挖过程中围岩应力主轴旋转和量值变化规律，形成室内试验中可实现的加载路径，再由室内试验和数值模拟获得应力主轴旋转加载条件下的板裂化破裂形态和特征，总体上达到了预期目标。研究取得的重要性成果如下：.（1）在已研制的小尺寸岩石空心圆柱扭剪试验系统上，完善了部分组件的功能，形成了系统的考虑应力主轴旋转的室内岩石试验理论和技术，首次实现了深部围岩开挖实际复杂应力路径（主应力量值改变同时伴随应力主轴旋转）的真实试验模拟，克服了传统岩石力学试验仪器只能进行主应力量值改变而无法反映应力主轴旋转的缺陷。.（2）开展了多种种类硬岩的纯主应力量值变化试验（单轴、常规三轴、拉/压剪切和真三轴试验）、轴扭组合试验、恒平均应力试验，获得了不同岩性岩样的变形破坏特征、峰值强度特征及力学参数演化规律，对比分析了真三轴应力状态的不同实现方式下岩石试样力学特性、变形破坏特征等方面的异同，首次获得了主应力轴缓慢旋转下的岩石破裂特征和强度，建立了力学参数和应力主轴旋转角的关系，揭示了主应力轴缓慢旋转下的岩石破裂机制，由此建立了初步的考虑应力主轴旋转效应的弹塑性本构模型。.（3）基于连续介质力学的离散元方法，提出了一种轴扭混合的加载方法，实现了对岩石空心圆柱扭剪试验的数值模拟，通过模拟计算基于弹性力学理论的空心圆柱试样单元体应力参数的对应关系，验证了计算程序的可靠性，并进行了一系列前述室内空心圆柱扭剪试验相同应力路径加载模拟，数值模拟结果与室内试验结果较一致。.本项目研究成果对我国深埋隧洞工程施工安全、科学支护设计、岩爆灾害预测与预防以及深部岩石力学理论发展具有重要意义。