水-力耦合作用下卸荷诱导的裂隙体破断实验与灾变机理研究

The effect of fissure water on rock mass includes seepage and osmotic pressure. The outbursts of underground water and mud mainly result from the osmotic pressure, which is the key technical problem that restrains the underground constructions. The formation of the underground water and mud bursts, in essence, is the evolution process of water-outburst channel under the common influence of osmotic pressure and engineering disturbance. To investigate the disaster-forming modes, the disaster-causing mechanism and the catastrophic process of these bursts induced by the construction disturbance in different osmotic environments, the laboratory fracture tests of fissure body are carried out on the self-developed hydraulic pressure application system that can provide stable seepage pressure on the fissured specimens. Combined with numerical simulation experiments, the initiation and propagation paths of cracks are tracked, and the failure evolution processes of the fissured specimens are recorded. Then, the unloading mechanic analytic model of the fissured body is established based on the theories of elastic mechanics, unloading rock mechanics, hydraulics and rock fracture mechanics. The micro-mechanics mechanism of the water-outburst channel formation and evolution is analyzed, and the macro-mechanics criterion for the water-outburst failure in the fissured specimens is studied. This project, in which experimental and theoretical investigations are conducted to research the destruction mode and catastrophic mechanism from the point of view of hydro-mechanical coupling, is of great scientific and engineering significance to solve the problem of the water and mud burst disasters in underground engineering.

裂隙水对岩体的作用包括渗流和渗压两种形式，地下工程突水突泥灾害主要是裂隙水渗压作用的地质显现，目前是制约地下空间建设的关键技术难题；突水突泥灾害的孕育灾变过程，本质上讲是在压力水持续作用和工程施工扰动共同影响下突水通道的形成演化过程。为了揭示不同渗压环境下施工扰动诱导岩体突水突泥灾害的孕灾模式、致灾机理和灾变过程，本项目在自主研发渗透水压稳定施加系统上，以裂隙体模型试件的卸荷-稳定渗压实验为基础，数值模拟实验相辅助，追踪定位实验过程中微裂纹起裂扩展路径，记录裂隙体模型屈服破坏演化过程，并基于弹性力学、卸荷岩体力学、水力学和岩石断裂力学理论，建立裂隙体卸荷力学分析模型，分析卸荷-稳定渗压耦合作用下突水通道形成演变的微观力学机理，研究裂隙体模型突水破坏的宏观力学判据。本项目从水-力耦合角度开展裂隙体的卸荷破断实验与灾变机理研究，对解决地下工程突水突泥灾害问题具有重要的科学意义和工程价值。

岩体突涌水灾害孕育演化过程及致灾机理是国内外岩土工程界最为关心的热点和前沿课题，近年来由于我国地下工程建设的大、长、深发展趋势，大型突涌水灾害逐渐成为制约我国地下空间建设发展的瓶颈，是岩石力学与工程研究领域急需解决的关键科学技术难题。岩体突涌水灾害本质上是在压力水持续作用和工程施工扰动共同影响下突水通道的形成演化过程。大量突涌水灾害数据表明：岩体突涌水导水通道形成及灾害孕育演化过程中，水压处于持续稳定作用状态！基于此认识，自主设计研发了一套渗透水压稳定加载控制系统，试验结果表明该系统能够在裂隙体微裂纹扩展过程中维持水压稳定，可以在实验室内重构渗透压水力劈裂与裂隙水侵蚀软化的耦合作用模式，构建突涌水导水通道形成及灾害孕育演化过程的水-力耦合环境。.本课题针对上述问题，开展了裂隙类岩体模型材料制备试验、张开度影响的裂隙体破断规律试验、加载速率影响的裂隙体破断规律试验、循环加卸载影响的裂隙体破断规律试验等基础性试验测试工作，在此基础上，开展了渗透水压持续稳定作用的内置裂隙模型压缩试验，以及渗透水压持续稳定作用的贯通裂隙模型的压缩试验与循环加卸载试验，在上述试验测试基础上，基于PFC数值仿真平台同步开展了数值仿真模拟试验，进一步探索了裂隙体模型在不同应力环境下的力学响应规律。.完成上述试验研究工作的过程中，成功发表SCI二区文章1篇，EI文章3篇，CSCD文章3篇，授权国家发明专利4项，在审国家发明专利5项。项目执行过程中，进一步对渗透水压持续稳定施加系统进行优化设计，对渗透水压施加方案进行优化，对高压气源制备方案进行设计，形成一系列具有成果转化前景的技术产品，为推动试验技术的发展，解决岩体突涌水灾害本质科学问题提供数据，进而对解决大型突涌水灾害提供技术与依据。与此同时，通过本课题的研究，项目负责人形成了系统完善的研究思路，开展了卓有成效、创新突出的研究工作，为后续科研工作的开展打下了坚实的基础。