各向异性岩体渗流应力耦合蠕变破坏演化模型研究

The long-term stability of deep rock mass under high stress level and hydraulic pressure is always recognized as a key problem in rock mass mechanics and rock engineering. Thus, it has great value to understand the creep mechanism and failure process of deep rock mass underground engineering under hydraulic and mechanical coupling environment. In order to study the time-dependent deformation behavior and failure process of bedding anisotropy rocks under high seepage pressure, the uniaxial, biaxial and tri-axial compression creep experiments will be carried out. Based on the creep and failure tests, phase field model will be adopted to develop a coupling hydro-mechanical model at specimen scale to model the growth behavior of cracks. The advantages of using phase field method is that the fracture topology is the natural outcome of the phase filed simulation without any prior assumptions on crack path continuities, crack geometry and crack kinematics. A macroscopic-microscopic two-scale numerical model incorporating multiple discrete and explicit fracture surfaces and porous media was developed to analyze the failure process of rock under fluid-solid coupling. The main objectives of the proposed project is to develop a new theory, model and code implementation that are capable for effective, accurate and efficient creep failure process modelling of anisotropic rock mass subjected to hydro-mechanical field.

高地应力和高渗透压作用下深部岩体工程长期稳定性研究一直是深部岩体力学和工程领域的核心课题，正确认识和掌握各向异性岩体渗流应力耦合作用下蠕变特性及破坏演化行为，对深部岩体工程稳定性研究具有十分重要的理论与工程意义。本项目拟通过开展渗透压作用下层状岩体的蠕变特性试验研究，揭示渗流应力耦合作用下各向异性岩石的蠕变裂隙演化规律；结合相场法（Phase field method）建立细观各向异性岩体蠕变裂隙演化分析模型，计算裂隙与层理裂隙的起裂和扩展行为；最后采用多尺度方法建立细观-宏观层状岩体渗流应力耦合蠕变破坏模型，模拟裂隙与层理裂隙的扩展和贯通行为，研究其在渗流应力耦合条件下层状岩体的蠕变破坏演化过程。从而为预测和分析地下深埋隧洞、采矿工程、核废料处理等工程中的岩体蠕变破坏过程的力学行为提供有效、准确的分析理论和计算方法。

本项目研究主要围绕深部层状岩体蠕变破坏特性和生物注浆裂隙封堵和加固机理展开。揭示了高地应力作用下岩体蠕变破坏机理，并建立了岩体各向异性蠕变模型研究；提出了异性岩体渗流应力耦合模型参数反分析新方法；得到了微生物注浆加固颗粒土机理，并建立了生物注浆颗粒材料的DEM模型；揭示了微生物注浆岩石裂隙封堵和加固机理，并得到了渗透特性演化规律。.项目执行过程中开展的主要研究内容有：（1）揭示了层状脆性岩石材料在复杂高地应力条件下的蠕变各向异性特征及其规律。建立了考虑层理蠕变特性各向异性岩体蠕变模型；（2）通过引入复变量微分法的优化算法大大提高了同时反应力学和水力学参数的精度和稳定性，提出了各向异性围岩应力渗流耦合分析的多类参数耦合反演新方法；（3）揭示了微生物注浆加固颗粒土机理和力学行为特性，得到了微生物加固颗粒土材料的机理并建立了相应的DEM分析模型；（4）得到了微生物注浆岩石裂隙封堵机理试验研究和渗透特性演化规律研究，揭示了微生物注浆对裂隙封堵的机理，建立了碳酸钙分布和含量与渗透特性之间的关联和公式；（5）研究了微生物注浆裂隙加固机理，得到了微生物加固裂隙的机理和特性。为微生物注浆在岩石裂隙防灾中的应用打下了一个良好的基础。.在项目资助期间，申请到国家重点实验室开放基金1项，参加国际会议2次，已发表期刊SCI论文8篇（标注4篇），同时在审论文6篇（标注3篇），申请发明专利2项。辅助指导博士生1名(已毕业)，硕士1名(已毕业)。在资助期内很好地完成了预期研究目标。