深部复杂三向高应力下围岩损伤演化的空间特性与破裂机理研究

Rock mass behavior under high tri-axial stress in deep rock engineering takes on a series of typical failure modes. In this project, the tri-axial boundary conditions of those typical failure modes will be clearified firstly, then by conducting laboratory and numercial tests on multi-factor analysis, the mechanism of interval fracturing in different scale will be analyzed and the effect of multi-factors on failure zones around tunnel will be discussed and the control paramaters will be filtered; finally, based on the results of laboratory and numerical tests, quantitive relationship between control paramaters of interval fracture, such as fracutre space, fracture numbers and so on, will be primarily set up and be revised according to in-situ monitoring results.The above work is deemed to be significant in the process of seeking new theory and new methods on stability control of deep rock engineering and is also very important in forecasting the excavation damaged zone inadvance so as to support reasonably.

本项目以深部围岩在复杂高应力下的一系列典型破坏现象为背景，首先明确深部围岩一系列破坏模式的三向应力边界条件，认识不同三向应力比条件下由于巷道开挖引起的围岩内部渐进损伤演化的空间特点和宏观破裂特征；然后，通过多影响因素的试验和模拟，阐明深部围岩一系列不同尺度间隔破裂发生的力学机制和多影响因素对破裂形式和破裂区分布的影响，获得在三向应力边界条件下，深部围岩间隔破裂现象的控制参数；最后，基于物理和数值实验结果建立各控制参数和围岩间隔破裂面间距、破裂面数量以及损伤范围等的定量关系，并通过实际施工监测数据对其进行验证和修正。该项研究将为寻求深部岩石工程稳定性控制的新理论和新方法奠定基础，研究成果对预估深部围岩的损伤区分布范围，合理确定深部岩体的支护设计具有重要的指导意义。

本项目围绕“深部复杂三向高应力场下围岩的破裂演化特性与破裂机理”，以深部硬岩工程稳定性控制为目标，开展了理论与实验研究，获得了深部围岩一系列不同尺度层状破裂发生的力学机制和多影响因素对破裂形式和破裂区分布的影响；明确了在三向应力边界条件下，深部围岩间隔破裂现象的主要控制因素；建立了基于三向应力比、围岩非均匀程度、硐室尺寸和形状等因素初步判别开挖后破坏模式和破裂带位置的半定量判断方法。具体包括：.（1）开展了双轴应力作用下的层状裂纹形成机制研究，明确了岩石非均匀性、隧道轴向应力、隧道尺寸等因素对层状破裂的影响机制及洞壁环状分层破裂的发生及扩展机制。.（2）研究了不同三向应力比条件下洞周围岩破裂演化模式，发现了轴向应力为最大主应力不是分区破裂出现的充分必要条件，提出三向应力比可作为判别围岩破裂模式和破裂位置的有效参数。.（3）研究了围岩环状破裂模式的发生机制和影响因素以及在不同因素下破演化规律。通过物理试验和数值试验以及二者的对比验证，获得了环状破裂的发生机制，明确了洞径、隧道形状对环状破裂模式、破裂间距的影响，获得了临近平行隧道环状破裂的演化过程和影响因素，建立了用三向应力比结合岩体非均匀性及隧道断面形状及尺寸判别破洞壁围岩裂模式、破裂位置和破裂带间距的半定量分析方法，为深部矿山隧道合理布置提供依据。.（4）通过物理试验和数值试验，研究了不同尺度层状破裂的原因，得到了岩体非均匀性对深部高应力下围岩内部拉、剪破坏机制的影响，给出了非均匀性对层状裂纹破裂间距的影响规律。.（5）研究了深部三向高应力下隧道压力拱的成拱规律，明确的了不同三向应力比下压力拱在隧道周边和掌子面前方的迁移变化规律，分析了多隧道 、不同围岩材料参数和围岩非均匀性对压力拱成拱规律的影响。